Verschweißqualität beim Strangpressprozess

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vorhersagen zu können wurde in Versuchsreihen ermittelt, dass die Verschweißqualität mindestens 95 % betragen sollte (Anhang C).

Das Verschweißmodell sagt somit eine Verschweißung der Späne ab einem Radius von r = 5 mm voraus und damit einen Prozesserfolg beim Strangpressen des Rundprofils aus Spänen. Beim Vergleich des Verschweißmodells mit den in Bild 5.3 gezeigten Mikro-strukturaufnahmen des Profilquerschnitts der gepressten Rundstange zeigt sich eine gute Übereinstimmung. Die Verschweißung der Späne erfolgt ab einem Radius von ca.

r = 5 mm und ein Prozesserfolg stellt sich beim Spänestrangpressen ein. Das Ver-schweißmodell kann somit die Verschweißqualität korrekt vorhersagen und auch den Einfluss der unterschiedlichen Prozessparameter wie Werkzeugdesign oder Pressver-hältnis erfassen.

Im Folgenden wird der Einfluss der Parameter auf die Verschweißqualität für die in dieser Arbeit verwendeten Profilgeometrien beschrieben. Die Verschweißqualität der Späne während des Strangpressprozesses wurde dafür für die in Abschnitt 4.3.4 vorge-stellten Profilgeometrien sowie die in Abschnitt 4.3.5 genannten Prozessparameter be-rechnet. Ziel war die Ermittlung des Einflusses der Profilgeometrien und Prozesspara-meter auf die Verschweißung, um den Prozesserfolg zu bestimmen. Darüber hinaus ist die umformtechnische Weiterverarbeitung der Bleche von großer Bedeutung weshalb die Parameter die zur höchsten Verschweißqualität führen ermittelt werden, sodass Pro-file, die größtmögliche Umformungen ermöglichen, realisierbar sind. Es wird zunächst auf die Verschweißqualität der unterschiedlichen Profilgeometrien eingegangen. Hier-bei ist zu beachten, dass die Werkzeuge für die elliptischen Profilgeometrien sowie das Blumenprofil nicht von einem Werkzeugbauer ausgelegt wurden. Dies bedeutet, dass die Werkzeuge stark vereinfacht wurden, sodass Übergänge und Radien nicht berück-sichtigt werden. Da hierdurch der Materialfluss und folglich auch die lokalen Feldgrö-ßen beeinflusst werden, wird davon ausgegangen, dass die Verschweißqualität dieser Profile überschätzt wird, da durch fehlende Rundungen höhere Dehnung und Drücke entstehen.

In Bild 5.9 ist die Verschweißqualität des zylindrischen Profils dargestellt. Insgesamt besteht eine hohe Verschweißqualität über den gesamten Profilquerschnitt. Insbeson-dere im Oberflächenbereich beträgt die Verschweißqualität über 95 %, die notwendig für einen Prozesserfolg ohne Delamination der Späne und Defekte an der Profiloberflä-che ist (Anhang C). Über die Wandstärke existiert nur ein kleiner Bereich in der Mitte des Profils, in dem die berechnete Verschweißqualität unter 90 % liegt. In den Bereichen

± 45° kann eine sehr hohe Verschweißqualität von bis zu 100 % festgestellt werden.

Dies ist auf die Konstruktion des Strangpresswerkzeugs zurückzuführen. Die verwen-deten Tragarme, die den Dorn halten, teilen den Späneblock in vier Stränge auf, wodurch ein geteilter Materialfluss entsteht. Das Aluminium muss um die Tragarme des Dorns fließen. Dadurch bewegen sich die Späne entlang längerer Bahnen innerhalb des Kammerwerkzeugs und erfahren höhere Dehnungen, bevor sie in die Schweißkammer gelangen. Dies führt zu einer hohen Oberflächenvergrößerung der Späne und damit zu

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einer sehr guten Verschweißung. Die vorhergesagte oberflächennahe Verschweißquali-tät im Profil liegt über dem angegebenen Schwellenwert von 95 % und es existiert eine generell hohe Verschweißsqualität über den gesamten Profilquerschnitt. Dies erklärt der Prozesserfolg in den experimentellen Strangpressversuchen (s. Abschnitt 4.3.6).

Bild 5.9: Berechnete Verschweißqualität des zylindrischen Profils (R = 24) für das Re-ferenzparameterset

Einfluss der Blockeinsatztemperatur

In der Literatur wird den Strangpressprozessparametern Blockeinsatztemperatur und Stempelgeschwindigkeit nur ein geringer Einfluss auf die Verschweißung und den Pro-zesserfolg des Spänestrangpressens zugeschrieben. Allerdings kann es vorkommen, dass sich im realen Strangpressprozess Temperaturschwankungen einstellen. Aus die-sem Grund wurde numerisch überprüft, welche Auswirkungen auf die Verschweißung solche Schwankungen haben können. Ausgehend vom Referenzparameterset für das zy-lindrische Profil (EN AW-6060, Kammerwerkzeug, R = 24, vStempel = 2 mm/s, TBlock = 550 °C, TMatrize = 450 °C), wurde zunächst die Blockeinsatztemperatur variiert und auf TBlock = 450 °C und TBlock = 500 °C festgelegt. Aufgrund der Symmetrie sind die Konturplots der Profile im Folgenden nur als Halbmodelle dargestellt. Anhand der Kon-turplots der Verschweißqualität in Bild 5.10 ist kein Unterschied in der Vorhersage der Verschweißung festzustellen. Die Konturplots gleichen sich für alle drei Blockeinsatz-temperaturen. Zur genaueren Überprüfung wurde an drei Positionen des Profilquer-schnitts die Verschweißqualität ermittelt. An den markierten Positionen wurde die Ver-schweißqualität über die Profilstärke gemittelt.

Bild 5.10: Berechnete Verschweißqualität des zylindrischen Profils für unterschiedli-che Blockeinsatztemperaturen

Bild 5.11: Vergleich der Verschweißqualität an verschiedenen Positionen des zylindri-schen Profilquerschnitts in Abhängigkeit der Blockeinsatztemperatur 0,95

0,955 0,96 0,965 0,97 0,975 0,98 0,985 0,99 0,995 1

Position 1 Position 2 Position 3 Verschweißqulität σb/kf T_Block= 450 °C T_Block= 500 °C T_Block= 550 °C

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Im Diagramm in Bild 5.11 ist zu erkennen, dass der Wert der Verschweißqualität schwankt und sich kein klarer Trend für den Einfluss der Blockeinsatztemperatur fest-stellen lässt. Insgesamt beträgt die Differenz für die Werte der Verschweißqualität ma-ximal 0,5 %. Es kann somit kein signifikanter Einfluss der Blockeinsatztemperatur auf die Verschweißung der Späne festgestellt werden, sodass Temperaturschwankungen während des Prozesses einen zu vernachlässigenden Einfluss haben. Die Blockeinsatz-temperatur wurde für alle weiteren Untersuchungen auf TBlock = 550 °C festgelegt. Zur Validierung der Ergebnisse der Vorhersage der Verschweißqualität wurde das zylindri-sche Profil experimentell mit einer Blockeinsatztemperatur TBlock = 450 °C strangge-presst.

Einfluss der Stempelgeschwindigkeit

Basierend auf den Erkenntnissen der Variation der Blockeinsatztemperatur wurde für TBlock = 550 °C die Stempelgeschwindigkeit variiert (Bild 5.12). Auch hier ist aus der Literatur bekannt, dass nur ein geringer Einfluss auf die Verschweißung der Späne be-steht. Jedoch kann es auch während des Strangpressens aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Geschwindigkeitsregelung zu Schwankungen kommen. Zusätzlich kann bei ei-ner kritischen Verschweißqualität im oberflächennahen Bereich durch eine Erhöhung der Stempelgeschwindigkeit ein Aufreißen der Profiloberfläche verhindert werden.

Bild 5.12: Berechnete Verschweißqualität des zylindrischen Profils für unterschiedli-che Stempelgeschwindigkeiten

Deshalb wurde die Stempelgeschwindigkeit von vStempel = 2 mm/s auf vStempel = 5 mm/s erhöht, um den Einfluss zu überprüfen. In Bild 5.12 sind die Konturplots der Ver-schweißqualität für das zylindrische Profil für die Stempelgeschwindigkeiten v Stem-pel = 2 mm/s und vStempel = 5 mm/s dargestellt. Auch für die Variation der Stempelge-schwindigkeit ist kein Unterschied in der Vorhersage der Verschweißung festzustellen.

Es wurde ebenfalls die Verschweißqualität an drei Stellen des Profilquerschnitts be-stimmt. Der Wert der Verschweißqualität wurde dafür über die Profilwandstärke gemit-telt. Anhand der Werte in Bild 5.13 ist ersichtlich, dass die Stempelgeschwindigkeit kei-nen deutlichen Einfluss auf die Verschweißung der Späne hat. Die maximale Differenz an Position drei beträgt 0,2 % sodass für die weiteren Untersuchungen die Stempelge-schwindigkeiten auf vStempel = 2 mm/s festgelegt wurde.

Bild 5.13: Vergleich der Verschweißqualität an verschiedenen Positionen des zylindri-schen Profilquerschnitts in Abhängigkeit der Stempelgeschwindigkeit Einfluss des Pressverhältnisses

Eine entscheidende Beeinflussung der im Werkzeug auftretenden Dehnungen und Drü-cke kann durch die Erhöhung des Pressverhältnisses erfolgen. Dadurch kann zusätzlich der Bereich, in dem beide Werte hoch sind, erweitert werden. Für das zylindrische Profil wurde durch die Verringerung der Profilwandstärke von s = 2 mm auf s = 1 mm das Pressverhältnis von R = 24 auf R = 48 verdoppelt. Dadurch ist eine Verbesserung der Verschweißung der Späne zu erwarten, die mit Hilfe des Verschweißmodells überprüft wurde. Insgesamt zeigt sich eine sehr hohe Verschweißqualität über den gesamten Pro-filquerschnitt, die in Bild 5.14 dargestellt ist. Vor allem im Oberflächenbereich beträgt die Verschweißqualität nahezu 100 %. Über die Wandstärke existiert eine gesteigerte

0,95 0,955 0,96 0,965 0,97 0,975 0,98 0,985 0,99 0,995 1

Position 1 Position 2 Position 3 Verschweißqulität σb/kf v_Stempel= 2 mm/s v_Stempel= 5 mm/s

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Verschweißqualität im Vergleich zu dem Profil mit einem Pressverhältnis von R = 24.

Analog zu diesem Profil existiert der Bereich hinter den Dorntragarmen mit einer eben-falls fast 100-prozentigen Verschweißung. Durch die Steigerung des Pressverhältnisses kann somit eine verbesserte Verschweißung erzielt werden, die vor allem die Mitte der Wandstärke der Profile betrifft. Auch diese Profile konnten somit erwartungsgemäß ex-perimentell hergestellt und in den weiteren Prozessschritten untersucht werden.

Bild 5.14: Einfluss des Pressverhältnisses auf die Verschweißqualität des zylindri-schen Profils (R = 48)

Einfluss der Profilquerschnittsgeometrie

Des Weiteren wurde die Verschweißqualität der elliptischen Profile sowie des Blumen-profils untersucht. Durch die Vereinfachungen der Werkzeuge ergibt sich ein größeres Werkstoffvolumen innerhalb der Werkzeuge was dazu führt, das zum Beispiel die Drü-cke innerhalb der Werkzeuge höher sind. Hierdurch wird die Verschweißqualität über-schätzt, sodass in der realen experimentellen Umsetzung der Profilgeometrien eine ge-ringere Verschweißung zu erwarten ist. Trotzdem kann durch die Berechnung der Ver-schweißqualität eine Abschätzung des Prozesserfolgs und des Einflusses der unter-schiedlichen Querschnittsgeometrien beim Spänestrangpressen vorgenommen werden.

In Bild 5.15 ist die Verschweißqualität über der Querschnittsfläche der beiden ellipti-schen Profile dargestellt. Für beide Geometrien zeigt sich ein ähnliches Bild wie für das zylindrische Profil. In den Bereichen hinter den Dorntragarmen existiert eine erhöhte Verschweißqualität aufgrund der höheren Dehnung der Späne in diesem Bereich (s. Ab-schnitt 4.3.4). Eine insgesamt höhere Verschweißung zeigt sich für das erste elliptische Profil (Bild 5.15a).

Bild 5.15: Berechnete Verschweißqualität der elliptischen Profile für das Referenzpa-rameterset

Dies ist auf die breite Form und den damit einhergehenden Werkstofffluss zurückzufüh-ren. Im Vergleich dazu ist der zurückgelegte Weg der Späne innerhalb des Werkzeugs für das zweite schmale elliptische Profil kürzer. Dadurch zeigt sich in der Profilmitte eine etwas geringere Verschweißqualität (Bild 5.15b). Insgesamt ist jedoch bei beiden elliptischen Profilgeometrien eine hohe Verschweißqualität (> 95 %) über den gesamten Profilquerschnitt und vor allem im Randbereich vorhanden, sodass auch bei diesen Pro-filen ein Prozesserfolg zu erwarten wäre.

Für die gleichen Parameter wurde die Simulation des Werkzeugs des Blumenprofils und die anschließende Berechnung der Verschweißqualität durchgeführt. Es zeigt sich eine insgesamt sehr hohe Verschweißqualität über den gesamten Profilquerschnitt (Bild 5.16). Insgesamt liegt die Verschweißqualität nahe 100 % mit nur wenigen Berei-chen mit Werten oberhalb von knapp 96 %. Dies ist auf die kompaktere Größe des Pro-fils in Kombination mit dem großen Werkstoffflussvolumen zurückzuführen wodurch hohe Dehnungen und auch Drücke entstehen, die zu der berechneten sehr hohen Ver-schweißqualität führen.

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Bild 5.16: Berechnete Verschweißqualität des Blumenprofils für das Referenzparame-terset