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Untersuchung des Scherverhaltens von Aluminiumlegierungen

Status abgeschlossen
Ziele

1. Numerische und experimentelle Untersuchungen des Scherverhaltens von Aluminium Legierungen
Das Projekt verfolgt das Ziel, Scheren als Alternative zum Sägen für die Herstellung von Rohteilen aus Al-Legierungen zu qualifizieren und die Möglichkeiten und Grenzen beim Trennen von Aluminium durch Scheren aufzuzeigen. Da das Scheren von Aluminiumlegierungen aufgrund fehlender Grundkenntnisse bisher keine industrielle Anwendung findet, soll im Rahmen des Forschungsvorhabens der Einfluss der verschiedenen Prozessparameter auf die Scherflächenqualität der Stangenabschnitte untersucht werden.
Für die Ausbildung der Scherflächenqualität sowie für die Volumengenauigkeit der Rohteile sind mehrere Parameter bedeutsam. Die wesentlichen Einflussparameter sind die Schergeschwindigkeit, der Schneidspalt und zusammen mit der Schneidspaltaufweitung, der Spannungszustand im Rohteil sowie der Gefügezustand des Halbzeuges vor dem Scheren.

2. Modellbildung zum Scherverhalten von Aluminiumlegierungen
In Anlehnung an existierende Untersuchungen des Schervorganges für Stahlwerkstoffe, soll das Scherverhalten für Al-Legierungen grundlegend analysiert werden. Im Mittelpunkt der Modellbildung soll die Bestimmung der kritischen Schubspannung τkrit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Prozessparametern stehen. Bei der Modellerweiterung soll als Fließbedingung neben der Schubspannungshypothese nach Tresca und Mohr auch die Gestaltänderungshypothese nach von Mises und Hencky eingesetzt werden. Das grundlegende Modell ähnelt dem von Stahl unter Berücksichtigung der höheren Duktilität und Wärmeleitfähigkeit der Al-Werkstoffe. Werkstoffe mit großer Duktilität neigen zur Ausbildung ovaler Schnittflächen, Einzug, Druckflächenverformung, Querbruchflächen und starker Verfestigung. Werkstoffe mit geringer Bruchdehnung tendieren eher zu Ausbrüchen und Rissen, die das Scheren begünstigen. Da Aluminium mit bis zu 230 W/(mK) ein drei Mal besserer Wärmeleiter als Stahl ist, wird die Wärme rasch aus der Scherzone abgeführt. Um die negativen werkstoffspezifischen Einflüsse bezüglich der Duktilität und Wärmeleitung zu kompensieren, werden beim Scheren höhere Werte für Schergeschwindigkeit und Schneidspalt angenommen. Ebenfalls wird durch gezielte Einstellung des Spannungszustandes versucht, das plastische Fließen des Materials außerhalb der Scherzone zu verhindern.
Da die Werkstofftrennung beim Scheren zu einem wesentlichen Teil durch einen Bruchvorgang erfolgt, spielen werkstoffspezifische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Verfestigung und Duktilität eine entscheidende Rolle. Daher werden vor den eigentlichen Scherversuchen die wichtigsten mechanischen Eigenschaften der ausgewählten Legierungen wie Korngröße, Zugfestigkeit, Kerbschlagzähigkeit und Bruchdehnung ermittelt. Um das Modell zu bearbeiten, sind umfangreiche numerische und experimentelle Versuche vorgesehen.

3. Untersuchungen des Einflusses unterschiedlicher Prozessparameter auf das Scherergebnis
Einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der gescherten Teile seitens der maschinenabhängigen Parameter hat die Schergeschwindigkeit. Die Erfahrungen mit Stahlwerkstoffen zeigen, dass höhere Geschwindigkeiten zu einem spröderen Werkstoffverhalten führen und somit das Scheren begünstigen. Für duktile Werkstoffe wie Aluminium sollte daher die durch höhere Schergeschwindigkeiten verursachte Versprödung zu einem besseren Scherergebnis durch den Anstieg der Schubspannungen in der Scherzone führen.
Die richtige Einstellung des Schneidspaltes zwischen Abschnitt- und Stangenmesser ist eine wesentliche Voraussetzung für eine hohe Scherflächenqualität. Der Scherspalt beeinflusst maßgebend die Ausbildung des Spannungsfeldes in der Scherzone und somit auch den Verlauf der für das plastische Fließen wichtigen Schubspannung τmax. Der optimale Scherspalt ist ebenso für das frühe Erreichen des maximalen Formänderungsvermögens (Rissbildung) in der plastisch verformten Zone verantwortlich.
Außer den maschinen- und werkzeugabhängigen Scherparametern soll die Auswirkung des Materialzustandes auf die Scherflächenqualität untersucht werden. Die ausgewählten Al-Legierungen werden für die Untersuchung des Scherverhaltens in stranggepresstem und in weichgeglühtem (wärmebehandeltem) Zustand verwendet.
Halbzeuge in Form von Stangen oder Profilen für die Weiterverarbeitung von Al-Legierungen werden überwiegend durch Strangpressen hergestellt. Dabei wird das auf oberhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmte Blockmaterial durch eine formgebende Matrize gepresst. Durch den Fließvorgang werden Gefüge, Textur und Oberflächenbeschaffenheit des Materials beeinflusst. Nach dem Pressen wird das Material ausgelagert, d.h. die Härte des Werkstoffes wird in einem bestimmten Zeitintervall allmählich erhöht. Zunächst werden Versuche mit dem unbehandelten (ausgelagerten) Rohmaterial durchgeführt. Mittels Weichglühen wird das Material für die weiteren Untersuchungen durch Rekristallisation in den Ausgangszustand überführt.

4. Ableitung von optimalen Scherparametern
Die experimentellen Untersuchungen umfassen die Variation der in Tabelle 1 zusammengefassten Versuchsparameter. Die Versuchsparameter werden vollfaktoriell miteinander kombiniert, um Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen den Parametern bestimmen zu können und die optimalen Scherparameter zu ermitteln.

Tabelle 1: Variation der Versuchsparameter

 

Parameter

 
 

Variationen

 
 

Werkstoff

 
 

AlSi1MgMn (6082), AlCu4SiMg (2014) und AlMn1Cu (3003)

 
 

Abschnittshalter

 
 

mit Abschnitthalter, ohne Abschnitthalter, mit Vorspann­kraft

 
 

Scherspaltgröße

 
 

0 bis 4 mm

 
 

Schergeschwindigkeit

 
 

250 bis 2000 mm/s

 
 

Rohteilzustand

 
 

stranggepresst, weichgeglüht

 

 

Die gescherten Abschnitte werden mit einer 3D-Koordinatenmessmaschine vermessen, um die Scherfläche bezüglich der Ebenheit und der typischen Scherfehler zu untersuchen. Anschließend werden metallographischen Schliffe senkrecht zur Trennfläche erstellt und anhand der Härteprofile in der Scherzone Rückschlüsse auf das durch das Scheren induzierte Spannungsfeld gewonnen.


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