Inkrementelle Umformung


Inkrementelle Rührreibumformung von Ti6Al4V mit FSIF (Friction Stir Incremental Forming)

Vielversprechende Ergebnisse einer Studie zur inkrementellen Rührreibumformung von  von Ti6Al4V-Blechen mit FSIF (Friction Stir Incremental Forming), einer Verfahrensvariante des SPIF (Single point incremental forming), wurden 2018 von P. A. Grün, E. H. Uheida, L. Lachmann, D. Dimitrov und G. A. Oosthuizen aus Dresden und Südafrika veröffentlicht.[1]

   

In dieser Studie wurde die inkrementelle Rührreibumformung von Ti6Al4V experimentell untersucht, wobei sinnvolle Einstellungen für die Prozessvariablen berücksichtigt wurden. Die Untersuchungsmethodik beinhaltete den Entwurf eines Testbenchmarks, wobei die Testplattform basierend auf vielversprechenden Umformbarkeitsergebnissen aus einer früheren Studie über SPIF von Titan-Grade-2-Blechen.[1][2]

   

In den folgenden Abschnitten wird auszugsweise eine kurze Beschreibung der Materialien und Verfahren, gefolgt von einer Diskussion der Beobachtungen wiedergegeben.[1]

     

Darstellung des Rührreibumformungs-Prüfaufbaus: die Spannvorrichtung für die Titanbleche ist auf einer Kistler-Kraftmessvorrichtung 9255C befestigt und auf dem CNC-Tisch einer DMU 65 aufgespannt. 

 

© P. A. Grün, E. H. Uheida, L. Lachmann, D. Dimitrov und G. A. Oosthuizen, CC BY 4.0

   

DoE-Layout und Zusammenfassung der Maximalwerte der Ergebnisse.

© P. A. Grün, E. H. Uheida, L. Lachmann, D. Dimitrov und G. A. Oosthuizen, CC BY 4.0

   

In der englischsprachigen Original-Veröffentlichung, die hier auszugsweise auf Deutsch wiedergegeben wird, wird die Umformbarkeit von Titan unter lokaler Reibungserwärmung, verursacht durch hohe Werkzeugrotation, beschrieben.

 

Es wurden verschiedene Prozess­be­dingungen bei unterschiedlichen Werk­zeug­dreh­zahlen, Vorschub­geschwin­dig­keiten in z-Richtung und Stufenhöhen (Δz) untersucht.

 

Die Experimente wurden mit 1 mm dicken Blechen aus der Ti6Al4V-Legierung unter Verwendung einer kugelförmigen Werkzeugspitze mit 11 mm Durchmesser durchgeführt. Die Drehzahlen wurden so gewählt, dass sie eine ausreichende thermische Wirkung erzeugen und gleichzeitig eine hohe Schmierfähigkeit an der Umformschnittstelle. Eine moderate Werkzeugdrehzahl (2000 U/min) verbes­serte tendenziell die Umformbarkeit, reduzierte die Kräfte und verringerte den

Werkzeugverschleiß. 

   

Die Rührreibumformwerkzeuge mit

TiAlN-Nano-Beschichtung: Links eine C45k-Werkzeugspitze vor dem Test und rechts die Entfernung der Beschichtung und der Verschleiß nach dem Test 

© P. A. Grün, E. H. Uheida, L. Lachmann, D. Dimitrov und G. A. Oosthuizen, CC BY 4.0

 

   


Ergebnisse bei mittlerer Drehzahl (n : 2 000 U/min): a-d, nahe an der angestrebten Formgebung umgeformte Proben; e Werkzeugverschleißzustand

© P. A. Grün, E. H. Uheida, L. Lachmann, D. Dimitrov und G. A. Oosthuizen, CC BY 4.0

   

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit wurde die inkrementelle Rührreibumformung von Blechen der Ti6Al4V-Legierung untersucht. Die Einflüsse auf die Umformleistung von drei wichtigen Prozessparametern, nämlich der Rotationsgeschwindigkeit n, der Vorschubgeschwindigkeit in z-Richtung f und der Stufentiefe Δz, wurden untersucht.

   

DoE- und OFAT-Versuche (Design of Experiments one-factor-at-a-time) wurden durchgeführt. Unter Berücksichtigung des untersuchten Bereichs der Variablen und der Benchmark-Geometrie, die aus 1 mm dicken Ti6Al4V-Legierungsblechen, unter Verwendung einer Kugelspitze mit einem Durchmesser von 11 mm geformt wurde, können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden:

  • Die Werkzeugdrehzahl ist der dominierende Prozessparameter, der den thermischen Effekt und die damit verbundene Material-Umformbarkeit und Umformkraft. Die Höhe der Vorschubgeschwindigkeit und die Stufenhöhe zeigten beide einen geringen Einfluss.
       
  • Verbesserte Umformbarkeit und reduzierter Verschleiß an der Schnittstelle können im Arbeitsbereich von n = 2000 U/min, f = 1050 mm/min, und Δz = 0,5 mm erreicht werden.
       
  • Außerhalb dieses Arbeitsbereiches sind meist niedrige Umformbarkeitsgrenzen und schnelles Versagen der Titan-Proben sind meist außerhalb dieses Arbeitsbereiches zu erwarten. Das Versagen erfolgt entweder durch Sprödbruch des Titans bei einer niedrigen Temperatur bei niedriger Drehzahl oder durch starkes  Reibschweißen und Materialabtrag an der Grenzfläche bei relativ hoher Drehzahl.

Neben dem ungewöhnlich hohen und daher vielversprechenden Niveau der Ti6Al4V-Umformbarkeit, die in dieser Studie erreicht wurde, gibt es noch ernsthafte Qualitäts­probleme mit dem Prozess, die angegangen werden müssen. Die Verwendung von Schutzgas (ähnlich wie beim Schutzgasschweißen) zum Schutz der frisch geformten Oberflächen vor Oxidation und die Prüfung von ultraharten Werkzeugspitzen sind forschungswürdige Themen, die noch nicht die die FSIF bzw. SPIF von hochreaktivem und schwer umformbarem Titan verbessern können.

    

Quellen

  1. P. A. Grün,<1> E. H. Uheida,<2> L. Lachmann,<1> D. Dimitrov<2>  und G. A. Oosthuizen<2>: Formability of titanium alloy sheets by friction stir incremental forming (https://d-nb.info/1172331537/34). 
    <1> Department of Production Engineering, University of Applied Sciences, Dresden.
    <2> Department of Industrial Engineering, Stellenbosch University, Stellenbosch, Südafrika.
    Empfangen: 3. April 2018, Akzeptiert: 8, August 2018, On-line-publiziert: 30. August 2018 unter Creative Commons Lizenz CC BY 4.0.
       
  2. Uheida E, Oosthuizen G, Dimitrov D (2017): Investigating the impact of tool velocity on the process conditions in incremental forming of titanium sheets. Proc Manuf 7(2016):345–350.
       
  3. Buffa G, Campanella D, Fratini L (2013): On the improvement of material formability in SPIF operation through tool stirring action. Int J Adv Manuf Technol 66(9–12):1343–1351.
        
  4. Otsu M, Katayama Y, Muranaka T, Otsu TMM, Katayama Y (2014): Effect of difference of tool rotation direction on forming limit in friction stir incremental forming. Key Eng Mater 622(623):390–397.