Microstructure improvement during closed die forming operations by the help of Finite Element simulation combined with processing maps

 

Ziel dieses Projektes ist die Anpassung eines Gesenkschmiedeprozesses zur Zahnradherstellung durch die Verwendung von Finite Element (FE) Simulationen und simulationsintegrierten „Processing Maps“, um eine homogene und feinkörnige Korngröße gewährleisten zu können.

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  Mehrstufige Schmiedeoperation ICMEaix Mehrstufige Schmiedeoperation zur Gewährleistung einer homogenen und feinen Korngröße im gesamten Bauteil

Bei der Auslegung von Gesenkschmiedeprozessen wird die Einstellung einer feinkörnigen und homogenen Mikrostruktur in den belasteten Bereichen des Bauteils angestrebt. In der untersuchten Prozesskette zur Zahnradherstellung konnte gezeigt werden, dass eine einstufige Umformung nicht in der Lage ist, eine homogene, feine Korngröße im gesamten Bauteil zu generieren. Daher sollte ein mehrstufiger Umformprozess Verwendung finden. Für gewöhnlich werden bei einer derartigen Prozessauslegung aufgrund der hohen Anzahl an variierenden Randbedingungen viele kostenintensive „Trial and Error“ Versuche benötigt. Um im untersuchten Fall die Zahl der notwendigen Versuche zu reduzieren, sind FE-Simulationsstudien durchgeführt worden, die auf dem am Insitut für Bildsame Formgebung IBF entwickelten Prozessmodell basierten und mit „Processing Maps“ erweitert wurden. Die Simulationen beleuchteten dabei den Einfluss verschiedener Schmiedetemperaturen und –stufen in einem mehrstufigen Prozess. Die dazu notwendigen „Processing Maps“ sind vom Institut für Eisenhüttenkunde IEHK aufgenommen und als benutzerdefinierte Subroutine in die Simulationsmodelle implementiert worden. Diese Modelle erlauben eine Beschreibung der Mikrostrukturentwicklung während der Umformung und folglich eine Überprüfung, ob die untersuchten Prozessbedingungen in einem feinkörnigen Gefüge resultieren. Basierend auf den Simulationsstudien sind vier Prozessrouten entwickelt und auf der 6,3 MN Schmiedepresse des IBF validiert worden.

Als Ergebnis konnte ein Schmiedeprozess entwickelt werden, der zu dynamischer Rekristallisation im gesamten Bauteil führt und somit zu einer feinkörnigen und homogenen Mikrostruktur, siehe Abbildung 1. Dieser Prozess besteht aus einem zweistufigen Vorschmieden bei 1100°C und einem Fertigschmieden bei 900°C. Während des zweistufigen Vorschmiedens wird das Bauteil nach der ersten Stufe zwecks homogener Umformung um 180° gedreht. Beim Fertigschmieden wird mit abnehmender Werkzeuggeschwindigkeit umgeformt, um die Niob-Ausscheidung zu initiieren. Die metallographischen Untersuchungen zeigen, dass die durchgeführte Prozessfolge in einer rekristallisierten Mikrostruktur im ganzen Werkstück resultiert, während eine einstufige Umformung zu keiner Rekristallisation an den Messpunkten 1 und 3 führt.

 

Projektpartner

Organisation Anschrift
Institut für Eisenhüttenkunde IEHK,
RWTH Aachen
Intzestr. 1,
52072 Aachen
Institut für Bildsame Formgebung IBF,
RWTH Aachen
Intzestr. 10,
52072 Aachen

 

Veröffentlichungen

  1. Bleck, W.; Brecher, C; Herty, M.; Hirt, G.; Hopmann, C.; Klocke, F.; Borchmann, N.; Dierdorf, J.; Farivar, H.; Fayek, P.; Häck, A.; Kripak, V.; Schmitz, G. J.; Spekowius, M.; Springer, P.; Teixeira, A. M., 2016. Integrated Computational Materials and Production Engineering (ICMPE). In Integrative Production Technology - Theory and Applications. ISBN: 978-3-319-47451-9
  2. Springer, P., Prahl, U., 2016. Characterisation of mechanical behavior of 18CrNiMo7-6 steel with and without Nb under warm forging conditions through processing maps analysis. J. Mater. Process. Technol. 237, 216-234.
  3. Henke, T.; Bambach, M.; Hirt, G. 2013 Die and Process Design for Hot Forging of a Gear Wheel – A Case Study. Key Engineering Materials, Vols. 554-557, 307-316.