Halbzeuge und Werkstoffe
Zurzeit werden überwiegend Stahl- und Aluminiumlegierungen als Werkstoffe für die benötigten Halbzeuge in der Hydroforming-Produktion eingesetzt. In der Rohrleitungs- und Sanitärindustrie werden Kupfer- und Messinglegierungen für IHU-Erzeugnisse verwendet. Die verwendeten Legierungen entsprechen in den meisten Fällen den Werkstoffen, die für gängige Kaltumformverfahren wie Tiefziehen oder Massivumformen verwendet werden. Grundsätzlich eignen sich alle metallischen Werkstoffe mit ausreichender Umformbarkeit für Halbzeuge in Hydroforming-Verfahren. Ein feinkörniges Gefüge in Verbindung mit einer hohen Gleichmäßigkeitsdehnung, Bruchdehnung und einem großen Kaltverfestigungskoeffizienten sind vorteilhaft für die mögliche Aufweitung des Ausgangswerkstücks, die ohne das Auftreten von Werkstoffinstabilitäten erreicht werden kann. Die Festigkeit des fertigen Bauteils wird durch eine ausgeprägte Kaltverfestigung des umgeformten Werkstoffs verbessert; die Kaltverfestigung bewirkt aber auch eine Erhöhung der erforderlichen Umformkräfte.
Stahllegierungen, die für konventionelle IHU-Bauteile verwendet oder geprüft werden, sind z.B. duktile kohlenstoffarme Stähle, Einsatzstähle, Vergütungsstähle, ferritische und austenitische Edelstähle sowie hoch- und höchstfeste Stähle. Im Allgemeinen werden Stahlrohrwerkstoffe, die für Hydroforming-Anwendungen verwendet werden, aus Flachmaterial durch kontinuierliches Walzprofilieren und Hochfrequenz-Längsschweißen zum Schließen des gewalzten Rohrquerschnitts hergestellt. Sowohl Rohre mit kreisförmigem Querschnitt als auch von der Kreisform abweichende Profile können durch das Walzprofilieren mit geeigneten Walzprofilierwerkzeugen erzeugt werden. Bei der Herstellung von Stahlbauteilen durch Innenhochdruckumformung werden derzeit jedoch überwiegend Halbzeuge mit kreisförmigem Querschnitt eingesetzt. Typische Abmessungen von konventionell hydrogeformten Stahlrohren sind Außendurchmesser d0 zwischen etwa 20 mm und 140 mm mit Verhältnissen von Wanddicke zu Außendurchmesser t0/d0 zwischen etwa 0,012 und 0,16. Im Bereich des Mikro-Hydroformens bietet der Markt derzeit rollgeformte und geschweißte Metall-Mikrorohre mit minimalen Außendurchmessern von ca. 0,2 mm und minimalen Wanddicken von ca. 0,03 mm an.
Bei der Auswahl geeigneter Rohre für Hydroforming-Verfahren ist zu unterscheiden zwischen Rohren ohne Glühvorgang nach der Kaltumformung durch Rollformen oder Ziehen, gezogenen Rohren mit geringer resultierender Dehnung nach einem vorangehenden Glühvorgang und Rohren, die nach dem abschließenden Kaltumformvorgang geglüht werden. Ziehvorgänge im Anschluss an das Walzprofilieren dienen der Einstellung des endgültigen Rohrdurchmessers und/oder der Wanddicke sowie der Erhöhung der Festigkeit aufgrund von Kaltverfestigungseffekten.
Gezogene und ungeglühte Rohre weisen in der Regel eine verminderte Umformbarkeit bei Innenhochdruckumformverfahren auf, abhängig von den Eigenschaften der verwendeten Stahllegierung und der durch den Ziehvorgang induzierten Dehnung. Rohre, die mit einer geringen resultierenden Dehnung nach dem Glühen gezogen wurden, weisen eine Kaltumformbarkeit innerhalb bestimmter Grenzen auf. Die beste Kaltumformbarkeit wird durch die Verwendung von Rohren erreicht, die nach dem abschließenden Kaltumformungsvorgang wie Walzprofilieren oder Ziehen geglüht wurden.
Um ein vorzeitiges Bersten des Werkstücks beim Innenhochdruckumformen zu vermeiden, ist bei walzprofilierten und geschweißten Rohren eine sehr zufriedenstellende Schweißnahtqualität erforderlich. Es wird empfohlen, die Schweißnaht im endgültigen IHU-Bauteil nicht in Bereichen anzuordnen, in denen während des IHU-Prozesses übermäßige Zugspannungen aufgrund der Ausdehnung auf das Bauteil einwirken.
Abbildung 3 zeigt Beispiele für IHU-Mikro-Prototypenteile aus lösungsgeglühten Edelstahlrohren. Das ursprüngliche Rohrmaterial mit einem Außendurchmesser von 0,8 mm und einer Wandstärke von 0,04 mm wurde durch kontinuierliches Walzprofilieren und anschließendes Ziehen und Glühen hergestellt.
Abbildung 3. Mikro-Hydroforming-Bauteile
Bezüglich der Verwendung von Aluminiumlegierungen für konventionelle Hydroforming-Anwendungen werden derzeit kalthärtende Aluminium-5000-Legierungen verwendet, wenn eine hohe Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund steht, während ausscheidungshärtende Aluminium-6000-Legierungen für Bauteile verwendet werden, die eine hohe Festigkeit erfordern, z. B. . Im Allgemeinen werden Rohre aus Aluminium-5000-Legierungen aus Flachmaterial durch kontinuierliches Walzprofilieren mit Längsschweißung hergestellt, während Aluminium-6000-Legierungen als Strangpressprofile produziert werden. Stranggepresste Profile bieten Vorteile in Bezug auf die Flexibilität bei der Gestaltung komplexer Querschnitte mit scharfen Ecken, mehreren Hohlräumen und Flanschen. Allerdings muss die geringere Umformbarkeit dieser Halbzeuge bei der Konstruktion eines entsprechenden Hydroforming-Bauteils berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist die Auswahl von stranggepresstem Material für hydrogeformte Mikrobauteile derzeit durch die minimalen Querschnittsabmessungen beschränkt, die von den entsprechenden Industrien hergestellt werden können. Die Herstellung von Mikro-Strangpressprofilen als Halbzeug war beispielsweise Gegenstand mehrerer Untersuchungen.
Magnesiumlegierungen bieten aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses ein großes Potenzial für gewichtsreduzierte Bauteile. Der Einsatz dieser Legierungen in Umformprozessen, die bei Raumtemperatur arbeiten, ist jedoch aufgrund ihrer hexagonalen Atomstruktur begrenzt. Eine Verbesserung der Umformbarkeit wird durch den Einsatz höherer Temperaturen, oberhalb von etwa 200 °C, erreicht, wenn zusätzliche Gleitebenen aktiviert werden. Vor diesem Hintergrund wurden in den letzten Jahren verschiedene Untersuchungen zur konventionellen Innenhochdruckumformung von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen bei erhöhter Temperatur durchgeführt, z. B.
Bei der Innenhochdruckumformung von Rohren mit Mikroabmessungen sind mögliche Einflüsse auf das Umformverhalten zu berücksichtigen, die durch das reduzierte Verhältnis von Rohrwanddicke zu mittlerem Korngrößendurchmesser t0/dk des Rohrgefüges verursacht werden. Dies gilt unabhängig vom verwendeten Rohrwerkstoff. Abbildung 4 zeigt als Beispiel das Gefüge der Ausgangsrohre, die für die Innenhochdruckumformung der in Abbildung 3 dargestellten Bauteile aus nichtrostendem Stahl verwendet wurden. Bei einer geringen Anzahl von Einzelkörnern mit t0/dk ≈ 1 wurde ein durchschnittliches Verhältnis t0/dk von Rohrwanddicke t0 zu Korngröße dk zwischen 1,54 und 2,56 ermittelt.
Abbildung 4. Mikrostruktur eines Mikrorohrs (Material: AISI 304 lösungsgeglüht, Außendurchmesser 800 μm, Wanddicke 40 μm) , (a) Schnitt in Rohrlängsrichtung, (b) Schnitt senkrecht zur Längsrichtung.
Die Auslegung von Innenhochdruckumformprozessen sowie die Überwachung der Halbzeugqualität bei der Innenhochdruckumformung erfordern geeignete und zuverlässige Methoden zur Gewinnung von Werkstoffkennwerten, die das Umformverhalten charakterisieren. Bei der konventionellen Innenhochdruckumformung von Rohren werden derzeit überwiegend herkömmliche Materialprüfverfahren eingesetzt, wie z. B. Zugversuche, mechanische Ausdehnungsverfahren und Gitteranalysen. Diese Methoden sind jedoch oft nur bedingt geeignet, da der typische biaxiale Spannungszustand beim Innenhochdruckumformen nicht oder nur annähernd abgebildet wird.
Die gebräuchlichste Methode zur Charakterisierung des Umformverhaltens des eingesetzten Rohrwerkstoffs ist der Zugversuch, der ein genormtes einachsiges Werkstoffprüfverfahren darstellt. Dabei ist zu unterscheiden zwischen der Prüfung des Ausgangsmaterials vor dem Walzprofilieren und der Prüfung der rollgeformten und geschweißten Werkstücke. Die Prüfung des Ausgangsmaterials aus Blech bedeutet, dass Veränderungen der Materialeigenschaften durch den Herstellungsprozess des Rohres unberücksichtigt bleiben.
Eine Methode zur Dehnungsanalyse an hydrogeformten Bauteilen besteht im Aufbringen von kreisförmigen oder quadratischen Gittern auf die Oberfläche des Ausgangshalbzeugs. Die gemessene Verformung der einzelnen Gitterelemente am hydrogeformten Werkstück ermöglicht die Bestimmung lokaler Dehnungen, die beim Vergleich der analysierten Dehnungen mit der Grenzformänderungskurve des jeweiligen Rohrwerkstoffs eine Beurteilung des Hydroforming-Prozesses ermöglichen, z.B. . Einschränkungen bei der Anwendung dieser Methode bei Mikro-Hydroforming-Prozessen ergeben sich durch die minimale anwendbare Gittergröße bei Mikrorohren.
Ein Beispiel für ein genormtes mechanisches Dehnungsprüfverfahren ist der Kegelversuch, bei dem das Ende des untersuchten Rohres durch einen konischen Stempel bis zum Bruch aufgeweitet wird. Diese Prüfung ermöglicht die prinzipielle Bestimmung der Verformbarkeit, zum Beispiel zum Vergleich verschiedener Chargen von Rohrmaterial. Außerdem lassen sich Brüche an der Rohroberfläche oder in der Schweißnaht feststellen. Bei der Anwendung dieser Prüfmethode ist zu berücksichtigen, dass unterschiedliche Reibungsverhältnisse oder ungleichmäßig vorbereitete Oberflächenrauhigkeiten an der Rohrstirnfläche die Bruchauslösung des aufgeweiteten Rohrabschnitts beeinflussen. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse von mechanisch aufgeweiteten Mikrorohren aus Edelstahl AISI 304.
Abbildung 5. Ausdehnungskonusprüfung und experimentelle Ergebnisse.
Um die Methoden zur Charakterisierung von Rohren für Hydroforming-Anwendungen zu verbessern, wurden mehrere Untersuchungen zu Rohrausdehnungsprüfungen durchgeführt, die mit einer inneren Druckbeaufschlagung des geprüften Rohrs arbeiten, das gemäß Abbildung 6 an seinen Enden eingespannt wird. Dieser Ausbauchversuch ermöglicht die Bestimmung des Berstdrucks pb, des druckabhängigen Aufweitungsdurchmessers d(pi) und des erreichbaren Aufweitungsdurchmessers dr im biaxialen Zugspannungszustand. Strategien zur Bestimmung der Materialeigenschaften von Rohren sowie ihrer Fließkurven auf der Grundlage des Ausbeulversuchs wurden entwickelt, z. B. in Refs. , . Bei der Anwendung des Ausbauchversuchs ist zu berücksichtigen, dass das Verhältnis der aufgeweiteten Rohrlänge ld zum Rohrdurchmesser d0 den erforderlichen Druck zum Aufweiten einer rohrförmigen Probe beeinflusst, wenn das Verhältnis ld/d0 unter einem bestimmten Grenzwert liegt. Die in Abbildung 6 gezeigte Ausbauprüfvorrichtung wurde für die Prüfung von Mikrorohren mit einem Außendurchmesser von weniger als 1 mm entwickelt und ist für einen Innendruck von bis zu 4000 bar geeignet. Abbildung 7 zeigt als Beispiel Prüfergebnisse von Mikrorohren, die mit dieser Vorrichtung durchgeführt wurden und die veränderte Verformbarkeit für verkleinerte Hydroforming-Prozesse nachgewiesen haben, wie in
Abbildung 6. Beulprüfvorrichtung für Mikrorohre.
Abbildung 7. Ausdehnungsverhältnis im Verhältnis zum Berstdruck von Mikrorohren aus lösungsgeglühtem rostfreiem Stahl.