Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Integrierte Umform- und Wärmebehandlungssimulation für Massivumformteile InUWäM

Während in der industriellen Prozesskette auf eine Kalt- oder Warmumformung von Massivbauteilen meist eine Wärmebehandlung (Vergüten, Einsatzhärten) folgt, wird die Simulation beider Prozesse in der Regel als Stand-Alone-Lösung betrieben. D.h. es werden keine Ergebnisse aus der Umformsimulation in die Wärmebehandlungssimulation überführt und dort in den Modellen entsprechend berücksichtigt. Dagegen weiß man aus der industriellen Praxis, dass das Umformen direkt oder indirekt einen Einfluss auf das Wärmebehandlungsergebnis haben kann. Für eine Kopplung im Rahmen einer Prozesskettensimulation fehlen sowohl experimentelle Untersuchungen als auch zugrundeliegende Modellansätze.

Das vorliegende Projekt soll diesem Missstand Abhilfe geschaffen werden. Experimentell soll das Rekristallisationsverhalten, das Umwandlungsverhalten und das Dehnungsverhalten während der Wärmebehandlung beim Erwärmen und beim Abschrecken in Abhängigkeit des Umformgrades untersucht werden. Darauf aufbauend sollen Modelle (weiter-)entwickelt werden und Modellparameter bestimmt werden. Ansatzweise soll auch der Einfluss von Seigerungen, die beim Urformen entstehen und beim Umformen stark verformt werden, auf die Umwandlung und die Dehnungen in der Wärmebehandlung betrachtet werden.

Die Modelle und Daten sollen in ein universitäres Simulationsprogramm implementiert werden. Mit diesem sollen vier industrienahen Modellprozessketten simuliert werden und mit experimentellen Ergebnissen verglichen werden. Auf dem Vergleich aufbauend sollen wesentliche Einflussgrößen identifiziert werden. Somit können erste Richtlinien erstellt werden, welche Parameter mit hoher Genauigkeit bestimmt werden müssen und welche Parameter vereinfachend abgeschätzt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde eine prozessübergreifende Modellierung und Simulation der Umformung und einer nachgeschalteten Wärmebehandlung aufgebaut. Hierzu wurden gezielt Modellerweiterungen, die für einen Übergang von der Umform- auf die Wärmebehandlungssimulation vorteilhaft sind, anhand experimenteller Modellversuche vorgenommen und die Parameter hierfür bestimmt. Der Fokus lag auf den Modellen zum Übertrag der mechanischen und chemischen Größen:

- Versetzungsdichte zur Berücksichtigung der Rekristallisation während der Wärmebehandlung

- Versetzungsdichte zur Vorhersage der Austenitkorngröße

- Makroseigerungen zur Vorhersage des Einflusses chemischer Inhomogenitäten

- Mikroseigerungen zur Vorhersage lokaler Anisotropie

Zielgrößen waren Härteverteilung, Eigenspannungen, Austenitkorngröße und Verzug. Die Ergebnisse der integrierten Umform- und Wärmebehandlungssimulation wurden mit den Untersuchungsergebnissen von industrienahen Bauteilen, die warm- oder kaltumgeformt und anschließend wärmebehandelt wurden, verglichen. Darauf aufbauend wurde die Güte der einzelnen Vorhersagen bewertet sowie Handlungsempfehlungen abgeleitet.

Bauteile aus Stahl werden oft zunächst umgeformt und dann wärmebehandelt. Über der gekoppelten Simulation besteht für Unternehmen aus der Umformindustrie die Möglichkeit, den Einfluss des Prozesses bzw. einer Prozessvariation auf das Wärmebehandlungsergebnis abzuschätzen. Für Unternehmen aus dem Bereich der Wärmebehandlung kann eine verbesserte Vorhersage des Wärmebehandlungsergebnisses erfolgen und damit u.U. auch Schadensfälle besser bewertet werden.