Als Ausgangswerkstoff für die Herstellung von stangenförmigen Halbzeug dienen in der Regel gegossene Knüppel, welche bereits Schädigung (z.B. Gussporen) und Gefügeinhomogenitäten (z.B. Einschlüsse) aufweisen. Im Kaliberwalzprozess können in Abhängigkeit vom Lastpfad (Spannung, Formänderung, Formänderungsgeschwindigkeit, Temperatur) und aufgrund der erhöhten Temperatur sowohl schädigungsverstärkende Mechanismen (z.B. Porenenstehung und -wachstum) als auch schädigungsvermindernde Mechanismen (z.B. Porenverschweißen, Rekristallisation) auftreten, die die Schädigungsakkumulation während der weiteren Prozessschritte und letztlich die Produkteigenschaften beeinflussen. Die gleichzeitige Betrachtung dieser sich in der Warmumformung überlagernden Effekte stellt eine große Herausforderung dar. Eine Vorhersage oder gezielte Beeinflussung der Schädigungsakkumulation in Abhängigkeit vom Lastpfad ist mit derzeit vorhandenen Methoden nur unzureichend möglich.

Langfristiges Ziel dieses Teilprojekts ist die Bereitstellung von Methoden, die eine abgesicherte Bewertung der Schädigungsentwicklung unterschiedlicher Prozessstrategien beim Kaliberwalzen ermöglichen, um hierauf aufbauend Prozessfolgen mit kontrollierter Schädigung auslegen zu können. In der ersten Förderperiode liegt der Fokus auf den Mechanismen der Schädigungszunahme durch Entstehung und Wachstum von Poren in Abhängigkeit von der Kaliberfolge und der Temperaturführung. Diese Untersuchungen erfolgen am Beispiel des industriell etablierten Einsatzstahls 16MnCrS5, der im Teilprojekt A02 durch Fließpressen weiterverarbeitet wird.

 

Numerische Analyse des Kaliberwalzprozesses

  Variation des Lastpfads durch unterschiedlich ausgelegte Prozessrouten

Zunächst muss die Frage beantwortet werden, in welchem Maße der Lastpfad im Kaliberwalzprozess durch Variation der Prozessparameter (z.B. Ausgangsgeometrie, Kaliberform und -folge, Ausfüllung des Kalibers und Temperatur) verändert werden kann. Danach ist zu klären, inwieweit diese Lastpfadvariationen die Schädigung beeinflussen. Hierzu soll der Kaliberwalzprozess in einer numerischen Simulation zunächst unter Verwendung bekannter Schädigungskriterien wie z.B. Cockcroft/Latham abgebildet und durch den Vergleich mit experimentell nachgefahrenen Lastpfaden validiert werden, um eine qualitative Vorhersage der Schädigung zu erlauben. Im Laufe des Projekts werden dann auch komplexere, die Spannungsmehrachsigkeit berücksichtigende Schädigungsmodelle, z.B. nach Gurson/Tvergaard/Needleman (GTN) oder Lemaitre, in Abstimmung mit Teilprojekt S01 erprobt. Bei Bedarf sollen auch die im TP A04 erprobten Kriterien für das Porenschließen bereits in der ersten Förderperiode integriert werden.

In der zweiten Förderperiode sollen die gewonnenen Erkenntnisse aus den Teilprojekten A01, A04 und die in Teilprojekt C03 entwickelten neuen Schädigungsmodelle in Kooperation mit Teilprojekt S01 für die Warmumformung zur quantitativen Schädigungsvorhersage und gezielten Schädigungskontrolle genutzt werden. In der dritten Förderperiode sollen eine schädigungskontrollierte Optimierung der Prozessroute (ggf. auch über Prozesskombinationen) und aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen eine Erweiterung des Werkstoffspektrums erfolgen.

Projektleitung
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirt
Institut für Bildsame Formgebung (IBF) an der RWTH Aachen

Projektbearbeitung
Shuhan Wang M.Sc.
Institut für Bildsame Formgebung (IBF) an der RWTH Aachen