Engen dünnwandiger Rohre mittels dornlosen Drückens

Abstract

In dieser Arbeit wird die Durchmesserreduktion dünnwandiger Rohre mittels Drücken untersucht und als inkrementelles Engen bezeichnet. Bei diesem Umformverfahren erlauben die kinematische Gestalterzeugung und der Verzicht auf einen konturgebenden Dorn die Fertigung nahezu beliebig konturierter Rohrwerkstücke bei universell nutzbaren Umformwerkzeugen. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Identifikation von Ursache-Wirkungs-Prinzipien. Dazu werden Prozess- und Bauteileigenschaften experimentell und numerisch untersucht. Als Ergebnis der Analysen werden die Effekte der Werkzeug- und Prozessparameter, der Werkzeugbahn und unterschiedlicher Werkstoffe auf eine Vielzahl von Zielgrößen vorgestellt. Die Effekte auf die Zielgrößen Formänderung, Umformkraft, Versagen durch einen Umfangsriss, erforderliche Prozesszeit sowie die Welligkeit der Werkstückoberfläche werden anhand theoretischer Modelle hergeleitet. Die Zielgrößen Spannungsverteilung, Maßhaltigkeit bzw. unerwünschte Deformationen, Eigenspannungen, Faserverlauf, Umformtemperatur und die Verfestigung im Werkstück werden auf phänomenologischem Wege erklärt. Anhand einer durchgängigen Verwendung dimensionsloser Größen wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse berücksichtigt. Die Zusammenstellung der Ergebnisse erlaubt erstmals einen umfassenden Überblick über den Einfluss einzelner Prozessgrößen auf eine Vielzahl von Zielgrößen bei diesem Umformverfahren. Die Ergebnisse bieten somit eine Grundlage zur Auslegung und Optimierung des Prozesses. Dies wird abschließend anhand von drei spezifischen Fallstudien aufgezeigt.

In this work, the spinning process is used to reduce the diameter of thin-walled tubes. This forming process is defined as incremental necking-in. In this process, workpieces are formed locally by moving a roller tool along a predefined tool path. As this forming operation is done without any mandrel, tubular parts with nearly arbitrary contours can be manufactured. The present work is focused on the identification and explanation of cause-and-effect principles of this flexible forming process. Therefore, process and part properties are analyzed by experiments and by numerical simulations. Effects on strains, forming forces, circumferential cracks, required process time and the waviness of the workpiece surface are explained by theoretical models. Effects of parameters on stress distribution, dimensional accuracy and undesired deformations, residual stresses, fiber flow, forming temperature and cold hardening are clarified using phenomenological explanations. Dimensionless parameters are used within all models to allow a universal application of the gained results. A final combination of all results allows a comprehensive overview of the effect of single process factors on a multiple number of target values. Consequently, the results can be used as a basis to design and to optimize this process. This is finally presented by three specific case studies.