Ausgangssituation
Die Herstellung von Halbzeugen aus höherfesten und höchstfesten Werkstoffen mit Wanddicken ab 1 mm für eine anschließende Weiterbearbeitung mittels Innenhochdruck-Umformung erfolgt überwiegend durch Tiefziehen. Ausgangsteil ist eine Kreisscheibe (Ronde), die systematisch in die gewünschte Halbzeuggeometrie umgeformt wird. Aktuell erfordert der konventionelle Tiefziehprozess bis zu 15 aufeinander folgende Tiefziehschritte und ist damit kosten- und zeitintensiv. Daher sind Untersuchungen zur Effektivierung des Tiefziehprozesses dringend erforderlich.
Zielstellung
Ziel des Vorhabens war die Optimierung des Tiefziehprozesses für die Herstellung von Halbzeugen aus höherfesten Werkstoffen mit Wanddicken ab 1 mm. Mittels geeigneter Maßnahmen sollte die Halbzeugfertigung im Prozess sicher und effektiv gestaltet werden, die Anzahl der erforderlichen Tiefziehstufen sollte hierbei möglichst reduziert werden. Die qualitativen Anforderungen an derartige Tiefziehteile sind insbesondere hinsichtlich Maßtoleranzen sehr hoch, da diese die Ausgangsteile für die folgende Innenhochdruck-Umformung bilden. Realisiert werden sollte dies mit einer mehrfach bewährten Kopplung von virtuellen Simulationen mittels FEM und entsprechendem Prototyping.
Ergebnisse
Ausgehend von den präzisierten Anforderungen an das zu realisierende Demonstrator-Werkstück, wurde ein technologisches Konzept erstellt, welches die Formgebung in einem optimierten Mehrstufen-Tiefziehwerkzeug ohne Wärmebehandlungsschritte zwischen den Umformstufen ermöglichen sollte. Der besondere Anspruch bestand in der werkzeugtechnischen Umsetzung dieser Stufenfolge. Favorisiert wurde ein Folgeverbund-Ziehwerkzeug, welches in der ersten Stufe ein klassisches Tiefziehen mit Niederhalter und in den folgenden Stufen ein niederhalterloses Tiefziehen zur Anwendung bringt. Als Ausgangsmaterial wird Blechband aus Edelstahl X4CrNi18-12,
(Werkstoffnummer 1.4303) mit einer Dicke von 1,0 mm verwendet, aus dem die Ausgangsronden mit einem Durchmesser von 116 mm für den nachfolgenden Tiefziehprozess geschnitten wurden.
Der zu realisierende Umformgrad zur qualitätsgerechten Ausbildung des Demonstrator-Werkstückes aus der Ausgangsronde war dabei sehr hoch. Dies wurde durch die FEM Simulation des Tiefziehvorganges bestätigt. Die dort ermittelten plastischen Dehnungen betragen bis zu 250 %. Dass der Tiefziehformvorgang diese extremen Umformgrade riss- und platzerfrei realisieren kann, liegt an der niedrigen Wärmeleitfähigkeit des verwendeten austenitischen, nichtrostenden Stahls.
Der besondere Anspruch bei der Erstellung eines Konzeptes zur Kühlung während des Tiefziehprozesses resultiert aus der Tatsache, dass die der Temperaturerhöhung zugrunde liegende Energiedissipation im Wesentlichen durch die innere Reibung des plastisch geformten Werkstoffes induziert wird und dass die Wärmeleitung des Ausgangsmaterials einen sehr niedrigen Wert aufweist. Die Schwierigkeit bestand insbesondere darin, die thermische Energie aus den Zwischenformen heraus zu bekommen und an ein Kühlmedium abzugeben. Eine Verringerung von Ziehstufen durch den alleinigen Wegfall der ersten Vorziehstufe ohne Anpassung der verbleibenden erwies sich als nicht praktikabel. Faltenbildung und Bodenreißer verdeutlichen, dass eine systematische Anpassung der Vorziehstufen an das Grenzziehverhältnis notwendig ist. Eine Reduzierung des Ausgangsdurchmessers der Ronden konnte erfolgreich realisiert werden.
Die Ergebnisse des IHU-Umformens von nach dem Tiefziehen lösungsgeglühten Ausgangshülsen zeigen, dass durch eine schrittweise Anpassung der Prozessparameter für die Fertigungsschritte Ausformen, Lochen und Kragenziehen die Bauteilfertigung mit dem IHU-Verfahren unter Laborbedingungen reproduzierbar möglich ist. Für das Innenhochdruck-Umformen wurde ein neuartiges Werkzeugkonzept zur Realisierung von Hinterschnitten mittels eines axial geteilten Werkzeugsystems konzipiert. Die Teilung des Formwerkzeuges wird dabei nicht auf klassische Weise vorgenommen, sondern erfolgt normal zur Bauteillängsachse. Die Werkzeuggravur wird dabei durch ein feststehendes, einseitig geschlossenes und ein bewegliches, beidseitig offenes Aktivteil gebildet.
Ausblick
Auf Basis der im Fördervorhaben erzielten Erkenntnisse und Ergebnisse können Tiefziehprozesse zur Herstellung auch anderer Halbzeuge effektiviert werden. Das konzipierte, neuartige Werkzeugkonzept für das Innenhochdruck-Umformen mittels eines axial geteilten Werkzeugsystems besitzt hohes Potential, weil es neue Anwendungen ermöglicht, da sowohl die Zuhaltekraft als auch die bewegten Massen signifikant reduziert werden.
