Methodik zur Bestimmung optimaler Parameter beim Drahtumformen

Thomisch, Marco GND

Mehrstufige Drahtumformprozesse stellen die fertigungstechnische Grundlage für technisch anspruchsvolle Bauteile dar. Bei diesen mehrstufigen Prozessen ist die Ermittlung der resultierenden Eigenspannungen sowohl analytisch als auch numerisch bisher nur bedingt möglich. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Bereitstellung einer Methodik zur Bestimmung der optimalen Parameter beim Drahtumformen. Als erstes wird die zur Beschreibung des Umformvorgangs nötige Werkstoffcharakterisierung durchgeführt. Diese Charakterisierung basiert auf Experimenten, die sowohl den BAUSCHINGER-Effekt als auch Ver- und Entfestigungsmechanismen untersuchen und quantifizieren. Darauf aufbauend folgt der zweite Teilbereich, die analytische Beschreibung des mehrstufigen Umformprozesses. Durch Anwendung dieses deskriptiven Algorithmus werden sowohl die (Eigen-)Spannungen als auch die elastischen und plastischen Verformungen zu jedem Zeitpunkt des Umformvorgangs bestimmt. Als dritter Teilbereich werden verschiedene Optimierungsalgorithmen mit unterschiedlichen Zielsetzungen für den deskriptiven Algorithmus vorgestellt.

Wire forming processes are the basic manufacturing principle for many machine elements like helical springs, wire coils used for wire race bearings and piston rings. In case of low product requirements a one-step, forming process does the forming with sufficiently results. For ambitious products with high operational or fatigue requirements especially related to residual stress and dimensional accuracy, a multi-step forming process is mandatory. Additional, several challenging products are finished by using mechanical chipping, in particular grinding, for best accuracy and surface quality. For these more complex manufacturing forming processes, neither the calculation by FEM nor by analytical calculation delivers satisfactory results for residual stress of bending situation, resulting strain or spring back as well. Especially the dependencies between the succeeding processing steps are not fully included in available calculation methods yet. The present dissertation provides a methodology for determining the ideal parameters for wire forming. For optimizing residual stresses based on spring back or high forming accuracy as well the methodology raises as a suitable tool. The methodology consists of three major parts. First, the material behavior has to be characterized by several selected trials and defined trial proceedings. The trials especially consider the behavior of hardening and softening and the BAUSCHINGER-Effect as well. Finally the mathematical description of the needed material behavior is done. Second part of methodology includes the completely analytical description of multi-step wire forming. Appliance of the algorithm, leads to results of all stress-strain situations of every forming stage in progress. Last part of methodology includes several optimization strategies for this analytical algorithm. Due to specific application, the usage of the right optimization strategy provides the needed manufacturing parameters. Based on these forming parameters respectively best fit results are possible for the chosen forming situation.

Drahtumformprozesse, und hier im Speziellen das Rollbiegen bzw. Winden, stellen die fertigungstechnische Grundlage für einige Maschinenelemente wie beispielsweise Schraubenfedern, Drahtringe für Drahtwälzlager oder Kolbenringe dar. Bei Produkten mit geringen Anforderungen an Form und Beanspruchbarkeit findet das Rollbiegen in Form eines einstufigen Umformprozesses statt. Für technisch anspruchsvollere Bauteile hingegen sind Eigenspannungen und Formgenauigkeit für das Betriebsverhalten von Bedeutung, was einen umfangreicheren Herstellungsprozess erfordert. Deshalb wird anstelle des einstufigen Prozesses ein mehrstufiger Umformprozess eingesetzt, da hiermit beispielsweise eine höhere Formgenauigkeit gewährleistet oder die zerspanende Wegnahme von eigenspannungsbehafteten Querschnittsbereichen berücksichtigt werden kann. Bei diesen komplexeren bzw. mehrstufigen Prozessen ist die Ermittlung der resultierenden Eigenspannungen sowohl analytisch als auch numerisch bisher nur bedingt möglich. Insbesondere die Abhängigkeit der aufeinander folgenden Prozessschritte zueinander erfährt nur mangelhafte Beachtung. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Bereitstellung einer Methodik zur Bestimmung der optimalen Parameter beim Drahtumformen, was beispielsweise zur Erzielung günstiger Umformeigenspannungen oder zu einer hohen Formgenauigkeit führt. Diese Methodik als eigentliches Ergebnis beinhaltet im Rahmen der Arbeit drei Teilbereiche. Als erstes wird die zur Beschreibung des Umformvorgangs nötige Werkstoffcharakterisierung durchgeführt. Diese Charakterisierung basiert auf Experimenten, die sowohl den BAUSCHINGER-Effekt als auch Ver- und Entfestigungsmechanismen untersuchen und quantifizieren. Darauf aufbauend folgt der zweite Teilbereich, die analytische Beschreibung des mehrstufigen Umformprozesses. Durch Anwendung dieses deskriptiven Algorithmus werden sowohl die (Eigen-)Spannungen als auch die elastischen und plastischen Verformungen zu jedem Zeitpunkt des Umformvorgangs bestimmt. Als dritter Teilbereich werden verschiedene Optimierungsalgorithmen mit unterschiedlichen Zielsetzungen für den deskriptiven Algorithmus vorgestellt.

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Thomisch, Marco: Methodik zur Bestimmung optimaler Parameter beim Drahtumformen. Ilmenau 2018.

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