Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analyse der Einflussfaktoren auf die Werkstoffschädigung bei Ringwalzprozessen

Bei der Herstellung ringförmiger Bauteile durch das Ringwalzen kommt dem Ziel den Materialaufwand und Zerspanungsanteil zu reduzieren und gleichzeitig den Ausschuss durch Formfehler, sporadische Rissbildung und unzureichende Korngrößenklassifikationen zu vermeiden eine erhebliche wirtschaftliche und ökologische Bedeutung zu.

Heute spielt der Ausschuss durch Formfehler aufgrund der weit entwickelten Anlagenregelungen eine untergeordnete Rolle. Zur Entwicklung der Korngrößen gibt es erste Untersuchungen. Der Ausschuss durch Rissbildung allerdings stellt ein sehr präsentes und bisher doch wenig untersuchtes Problem dar, dem bisher durch z.T. deutlich zu große Aufmaße basierend auf empirischen Werten entgegengetreten wird.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der Einflussfaktoren des Ringwalzprozesses, die in der Produktion zu Ausschuss durch Rissbildung führen können. Somit soll der Ausschuss durch Rissbildung gesenkt werden und Aufmaße auf Bauteile reduziert werden. Zur Hilfe bei der Prozessauslegung soll basierend auf den Untersuchungen eine „Prozesslandkarte“ erstellt werden.

Die FEM-Simulation kann genutzt werden um verschiedene Einflüsse auf Prozesse isoliert voneinander zu betrachten und zu bewerten. Insbesondere durch Anwendung von Schädigungsmodellen in der FEM-Simulation sind so Aussagen zur Entwicklung der Rissbildung im Bauteil möglich.

In diesem Forschungsvorhaben wird die Vorhersagegenauigkeit verschiedener Schädigungsmodelle in Bezug auf den Ringwalzprozess überprüft. Hierfür werden in industriellen Prozessen Daten, wie z.B. die Kinematik der Werkzeuge und thermische Randbedingungen der Prozesse aufgenommen und in der FEM-Simulation unter Anwendung von Schädigungsmodellen der jeweilige Einfluss auf eine mögliche Rissbildung im Bauteil untersucht. Basierend auf diesen Simulationen wird eine Gewichtung der einzelnen Einflussfaktoren durchgeführt und somit eine Möglichkeit zur Abschätzung der Wichtigkeit unterschiedlicher Parameter gegeben.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ringwalzen ist ein Warmmassivumformverfahren zur Herstellung nahtloser Ringe. Heute kommt dem Ziel, durch endkonturnahes Ringwalzen den Materialaufwand und den Zerspanungsanteil zu minimieren, erhebliche wirtschaftliche und ökologische Bedeutung zu, da nicht nur die Kosten, sondern auch der Energieaufwand maßgeblich von der eingesetzten Materialmenge bestimmt werden.

Zum Teil werden in den, unter scheinbar gleichen Bedingungen, gewalzten Ringen nicht reproduzierbare Fehler festgestellt. Diese Fehler können u.a. Risse im Bauteil sein, aber auch eine grobe und/oder ungleichmäßig verteilte Mikrostruktur. Da insbesondere das Auftreten von Rissen scheinbar zufällig festgestellt wird, müssen oft große Zugaben hingenommen werden, um kosten- und zeitintensive Ausfälle ganzer Ringe auf ein Minimum zu beschränken. In der Regel basieren diese Aufmaße auf Erfahrungswerten und sind größer als eigentlich notwendig.

In diesem Forschungsprojekt wurden deshalb Einflussgrößen auf die Werkstoffschädigung bei Ringwalzprozessen untersucht. Dafür wurden in einem ersten Schritt umfassende Datenaufnahmen in den Unternehmen des Projektbegleitenden Ausschusses durchgeführt. Hierbei wurden schwankungsbehaftete Prozessparameter identifiziert und quantifiziert. Anschließend konnten die so ermittelten Daten auf FEM-Simulationen von Stauch-, Loch-, und Ringwalzprozesse angewendet werden um unter Nutzung von Schädigungsmodellen die Einflüsse der schwankenden Parameter auf die Werkstoffschädigung wiederzugeben. Dabei stellten sich insbesondere die Ringwachsgeschwindigkeit und die Dornwalzengeometrie als maßgebliche Werte für die Werkstoffschädigung beim Ringwalzen heraus.

Basierend auf den Ergebnissen des Forschungsprojekts ist es nun möglich die Wahl der Anlage, des Werkzeugs und der Prozesskinematik besser auf das zu er-reichende Produkt anzupassen und dementsprechend Material- und Energiekosten in Form von geringeren Aufmaßen und geringerem Ausschuss sowie Nachbearbeitungszeit einzusparen.