DE102015007867A1

DE102015007867A1 - Method and device for determining characteristic material properties, in particular flow curves of lightweight materials, in particular for extrusion

Info

Publication number: DE102015007867A1
Application number: DE102015007867.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kloppenborg; A. Erman Tekkaya
Original assignee: Ispt Gmbh&co KG; Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Ispt Gmbh&co KG; Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven, von Leichtbauwerkstoffen (18), insbesondere für das Strangpressen, bei dem eine Probe des Leichtbauwerkstoffes (18) in einen Rezipienten (1) einer Strangpressvorrichtung eingebracht und durch einen Stempel (2) derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff (18) plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung (24) des Rezipienten (1) gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung (24) entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten (1) die Scherkräfte (19) des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes (18) im Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) erfasst und anhand der geometrischen Abmessungen des Rezipienten (1) im Messbereich (4) in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes (18) umgerechnet werden.The invention relates to a method and a device for determining characteristic material characteristics, in particular of flow curves, of lightweight materials (18), in particular for extrusion, in which a sample of the lightweight material (18) is introduced into a recipient (1) of an extrusion device and by a punch (2) is pressurized in such a way that the lightweight material (18) is plastically deformed and pressed out of the die opening (24) of the recipient (1), wherein in a region of the recipient (1) remote from the die opening (24) Shear forces (19) of the plastically flowing lightweight material (18) in the region of the inner wall of the recipient (1) detected and converted based on the geometric dimensions of the recipient (1) in the measuring range (4) in a yield stress of the lightweight material (18).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere für das Strangpressen, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 16.The invention relates to a method for determining characteristic material parameters, in particular of flow curves of lightweight materials, in particular for extrusion, according to the preamble of claim 1 and an apparatus for performing the method suitable device according to the preamble of claim 16.

Für die Herstellung von komplexen metallischen Leichtbauteilen etwa im Kraftfahrzeugbau wird häufig das sog. Strangpressen eingesetzt, mit dem vornehmlich Leichtbauwerkstoffe wirtschaftlich in vor allem prismatische Grundformen umgeformt werden können. Hierbei wird ein Leichtbauwerkstoff in einem Rezipienten durch einen Stempel und ggf. bei erhöhter Temperatur einer hohen Druckbelastung ausgesetzt, wodurch der Leichtbauwerkstoff plastisch wird und durch eine Strangpressmatrize in der gewünschten Querschnittsform aus dem Rezipienten austritt. Dies gilt grundsätzlich auch für andere Werkstoffe als Leichtbauwerkstoffe wie etwa Stahlwerkstoffe oder Werkstoffe zur Kunststoffextrusion, trotzdem soll im Weiteren vereinfachend von Leichtbauwerkstoffen gesprochen werden, auch wenn die beschriebenen Eigenschaften auch an anderen als Leichtbauwerkstoffen angewendet werden kann.For the production of complex lightweight metallic components, for example in motor vehicle construction, the so-called extruding is frequently used, with which predominantly lightweight materials can be economically transformed, in particular, into prismatic basic shapes. Here, a lightweight material is exposed in a recipient by a stamp and possibly at elevated temperature of a high pressure load, whereby the lightweight material is plastic and exits through an extrusion die in the desired cross-sectional shape from the recipient. In principle, this also applies to materials other than lightweight materials, such as steel materials or plastics extrusion materials, but will be referred to in the following simplifying lightweight materials, even if the properties described can be applied to other than lightweight materials.

Der Fertigungsprozess des Strangpressens ist aufgrund des dreidimensionalen Werkstoffflusses in den eingesetzten Strangpresswerkzeugen komplex. Das Know-how zur prozesssicheren Fertigung von z. B. Aluminiumstrangpressprofilen liegt hauptsächlich in der Auslegung der Strangpresswerkzeuge und in der Definition der Prozessparameter während des Strangpressens. Derartiges Know-how liegt dabei vornehmlich aufgrund empirisch erlangten Wissens in den Strangpress- und Werkzeugbauunternehmen vor.The production process of extrusion is complex due to the three-dimensional material flow in the extrusion dies used. The know-how for reliable production of z. B. Aluminum extrusions is mainly in the design of the extrusion dies and in the definition of the process parameters during extrusion. Such know-how is predominantly based on empirically acquired knowledge in the extrusion and tool making companies.

Die prozesssichere Fertigung von komplexen Profilquerschnitten in der industriellen Praxis setzt deshalb eine geeignete Methodenplanung voraus, um kosten- und zeitintensive Versuchspressungen zu reduzieren. Aufgrund der hohen Temperatur und besonders der hohen hydrostatischen Drücke innerhalb des geschlossenen Werkzeugaufbaus ist eine experimentelle Analyse der Einflussfaktoren auf den Strangpressprozess zur Erweiterung des Wissenstandes hinsichtlich Werkstofffluss, Spannungszustände und Temperaturentwicklung für die Prozesse nicht wirtschaftlich möglich. Auch die Anwendung analytischer Modelle zu Methodenplanung wurde in Untersuchungen zum konventionellen Strangpressen erprobt. Diese beschränkten sich meist aufgrund der auftretenden komplexen Randwertprobleme und der darin enthaltenen partiellen Differenzialgleichungen auf stark vereinfachte Modelle und Geometrien und ermöglichen deshalb meist nur eine qualitative Abschätzung [2]. Deshalb sind analytische Methoden in der industriellen Praxis nur begrenzt einsetzbar.The process-reliable production of complex profile cross-sections in industrial practice therefore requires suitable method planning in order to reduce costly and time-consuming test pressings. Due to the high temperature and especially the high hydrostatic pressures within the closed tooling, an experimental analysis of the influencing factors on the extrusion process to expand the knowledge about material flow, stress conditions and temperature development for the processes is not economically feasible. The application of analytical models to method planning was also tested in conventional extruding tests. Due to the complex boundary value problems and the partial differential equations contained in them, these are limited to strongly simplified models and geometries and therefore usually allow only a qualitative estimation [2]. Therefore, analytical methods are limited in industrial practice.

Für die quantitative Berechnung hat sich hingegen die numerische Modellierung mithilfe der Finite-Element-Methode (FEM) als eine geeignete Möglichkeit zur Methodenplanung erwiesen. Im Vergleich zur analytischen Modellierung ist FEM eine flexible Methode zur Beschreibung der komplexen thermischen, mechanischen sowie thermomechanisch gekoppelten Prozesse mit komplexen Randbedingungen [2].For quantitative calculations, however, numerical modeling using the finite element method (FEM) has proven to be a suitable method planning method. Compared to analytical modeling, FEM is a flexible method for the description of complex thermal, mechanical and thermo-mechanically coupled processes with complex boundary conditions [2].

Um die komplexen Strangpressprozesse aber auch realitätsnah abbilden zu können, ist eine geeignete Werkstoffmodellierung notwendig. Dabei wird innerhalb der verwendeten Fließbedingungen zwischen unterschiedlichen Approximations- bzw. Extrapolationsmodellen der Fließkurvenhüllfläche unterschieden. Die gängigsten Modelle für die Warmmassivumformung von Leichtmetallen sind die multiplikative Verknüpfung von multi-linearen oder Potenzfunktionen sowie eine sinushyperbolische Beschreibung.In order to be able to map the complex extrusion processes in a realistic manner, a suitable material modeling is necessary. Within the flow conditions used, a distinction is made between different approximation or extrapolation models of the flow envelope surface. The most common models for the hot massive forming of light metals are the multiplicative linking of multi-linear or power functions as well as a sinus hyperbolic description.

Ein Approximationsansatz, der in der Literatur Verwendung für die Warmumformung findet, ist die Fließkurvenbeschreibung nach Hensel und Spittel [3, 4].An approximation approach, which is used in the literature for hot forming, is the flow curve description according to Hensel and Spittel [3, 4].

Darin ist die Abhängigkeit der Fließspannung k_f von der Temperatur ϑ, dem Umformgrad φ und der Umformgeschwindigkeit φ . beschrieben. Des weiteren sind σ₀ und m₁–m₄ Konstanten, die durch die experimentell aufgenommene Fließkurve ermittelt werden müssen. Bei dynamisch kristallisierenden Werkstoffen wird durch den letzten exponentiellen Term eine Fließspannungsabnahme bei hohen Umformgraden ermöglicht [2].Therein, the dependence of the yield stress k _f on the temperature θ, the degree of deformation φ and the forming speed φ. described. Furthermore, σ ₀ and m ₁ -m _{4 are} constants that must be determined by the experimentally recorded flow curve. For dynamically crystallizing materials, the last exponential term allows a yield stress reduction at high degrees of deformation [2].

In der sinushyperbolischen Beschreibung nach Zener-Holomon [5] bzw. Sellar-Tegart [6] wird der Zusammenhang zwischen Fließspannung, Umformgeschwindigkeit und Temperatur durch einen analytischen Zusammenhang mit fünf Werkstoffkennwerten beschrieben. Darin sind α_sinh die Aktivierungsenergie, R die universelle Gaskonstante, A Reziproker Dehnratenfaktor und n der Verfestigungsexponent. Der Umformgrad ist hierin nicht berücksichtigt, da er bei der Warmumformung infolge von Rekristallisations- und Erholungsvorgängen während des Prozesses keinen entscheidenden Einfluss auf die Fließspannung hat.

In the sinus hyperbolic description according to Zener-Holomon [5] and Sellar-Tegart [6], the relationship between yield stress, strain rate and temperature is described by an analytical correlation with five material characteristics. Where α _{sinh is} the activation energy, R is the universal gas constant, A is the reciprocal strain rate factor, and n is the solidification exponent. The degree of deformation is not considered herein because it has no significant influence on the yield stress during hot working due to recrystallization and recovery processes during the process.

Für die Anwendung der Modelle innerhalb der Werkstoffmodellierung ist eine Charakterisierung der Werkstofflegierungen hinsichtlich ihrer Materialkennwerte notwendig. Im Fall des Strangpressens müssen aufgrund der extremen Zustände bei der Umformung, wie hoher hydrostatischer Spannungszustand, hohe Temperatur, hohe Umformgrade und Umformgeschwindigkeiten, aufwändige Versuche zur Charakterisierung durch die Materialkennwerte durchgeführt werden.For the application of the models within the material modeling a characterization of the material alloys with respect to their material characteristics is necessary. In the case of extrusion, due to the extreme conditions in the forming, such as high hydrostatic stress state, high temperature, high degrees of deformation and forming speeds, laborious tests for characterization by the material properties must be carried out.

Für die Nutzung der Modelle ist es daher erforderlich, Fließkurven unter möglichst realitätsnahen Bedingungen aufzunehmen und die Werkstoffkennwerte für die jeweiligen Modelle zu identifizieren.For the use of the models, it is therefore necessary to record flow curves under conditions that are as realistic as possible and to identify the material characteristics for the respective models.

Für die Aufnahme der Fließkurven werden bisher Versuchsstände verwendet, die die Zustandsgrößen, die im realen Prozess auftreten, halbwegs realitätsnah abbilden müssen. Im Fall des Schmiedens und des Strangpressen ist eine solche Fließkurvenaufnahme mit den bekannten Versuchsständen bisher aber fertigungstechnisch aufwändig und teuer.To record the flow curves, test stands have hitherto been used, which have to map the state variables that occur in the real process, in a way that is close to reality. In the case of forging and extrusion, however, such a flow curve recording with the known test stands so far but technically complex and expensive.

Im Fall der Warmumformung von Leichtmetallen werden zur Aufnahme von Fließkurven üblicherweise Stauch- oder Torsionsversuche eingesetzt.In the case of hot forging of light metals, upset or torsion tests are usually used to accommodate flow curves.

Diese Versuche haben folgende Eigenschaften und Nachteile:These experiments have the following characteristics and disadvantages:

Stauchversuchcrush test

Beim Stauchversuch wird eine zylindrische Probe z. B. induktiv erwärmt und dann über einen Stempel gestaucht. Über die Stauchkraft wird auf die Fließspannung geschlossen.

– Es können nur kleine Umformgrade erreicht werden,
– Es liegt kein hydrostatischer Druckspannungszustand vor,
– Das Formänderungsvermögen ist begrenzt.
– Reibung zwischen Stempel und Probe (Verfälschung des Ergebnisses)

When compression test, a cylindrical sample z. B. inductively heated and then compressed via a stamp. About the compression force is closed to the yield stress.

- Only small degrees of deformation can be achieved
There is no hydrostatic compressive stress state,
- The deformability is limited.
- friction between punch and sample (falsification of the result)

Torsionsversuchtorsion

Hierbei wird eine zylindrische Torsionsprobe in Form einer runden Zugprobe erwärmt und durch Einspannungen an den Enden verdreht. Das Verdrehmoment und der Verdrehwinkel werden gemessen. Basierend hierauf wird die Fließspannung berechnet.

– Das Formänderungsvermögen ist begrenzt,
– Die Probenfertigung ist fertigungstechnisch aufwändig und dadurch teuer,
– Der Versuchsstand ist teuer (z. B. Gleeble).

Here, a cylindrical torsion sample is heated in the form of a round tensile specimen and twisted by clamping at the ends. The twisting torque and the twisting angle are measured. Based on this, the yield stress is calculated.

- The deformability is limited,
The sample production is complex in terms of production and thus expensive,
- The test stand is expensive (eg Gleeble).

Die Versuche inklusive der Ermittlung der Kennwerte für die gegeben Fließfunktionen gemäß der Gleichung 1 oder der Gleichung 2 sind aufgrund einer aufwendigen Probenfertigung, einer manuellen Ermittlung der Werkstoffkennwerte und der hohen Kosten für die Versuchsanlagen zeit- und kostenintensiv. Gleichzeitig werden vereinfachende Annahmen, wie z. B. ein begrenzter Umformgrad, keine Berücksichtigung des hydrostatischen Spannungszustandes und begrenzte Umformgeschwindigkeiten getroffen, um die Fließkurven überhaupt ermitteln zu können. Welchen Einfluss diese Vereinfachungen auf das Werkstoffverhalten im realen Prozess haben, konnte bisher nicht wissenschaftlich untersucht werden, da es bisher keine Prüfanlage gibt, mit der eine Charakterisierung unter den realen Bedingungen möglich ist. Innerhalb der Werkstoffmodellierung wird das Verhalten bei unbekannten Zuständen durch den jeweils verwendeten Extrapolationsansatz angenommen.The tests, including the determination of the characteristic values for the given flow functions according to Equation 1 or Equation 2, are time-consuming and expensive due to elaborate sample preparation, manual determination of the material parameters and the high costs for the experimental plants. Simultaneously, simplifying assumptions, such as As a limited degree of deformation, no consideration of the hydrostatic stress state and limited forming speeds are taken in order to determine the flow curves at all. The influence of these simplifications on the material behavior in the real process has not yet been scientifically investigated, as there is currently no testing system that allows characterization under real conditions. Within material modeling, the behavior in unknown states is assumed by the particular extrapolation approach used.

Im Rahmen der Veröffentlichung von Kloppenborg [1] wurden visioplastische Untersuchungen zum Werkstofffluss in Strangpresswerkzeugen vorgenommen. Hierbei wurde durch die Entwicklung eines speziellen Werkzeugkonzeptes die Möglichkeit geschaffen, den Werkstofffluss im Strangpresswerkzeug zu analysieren. Die Veröffentlichung zeigt, dass das Aluminium im Bereich des Rezipienten und des Werkzeugs haftet und entlang einer dünnen Randschicht geschert wird. Es liegt somit nachweislich eine Scherung des Werkstoffes in bekannten Teilen des Rezipienten und des Werkzeuges vor, die zur Charakterisierung bei hohem hydrostatischem Druck, hoher Temperatur und hohen Umformraten in der zu entwickelnden Prüfanlage genutzt werden kann.As part of the publication by Kloppenborg [1] visioplastic investigations were made on the material flow in extrusion dies. This was due to the development of a special tool concept created the opportunity to analyze the material flow in the extrusion tool. The publication shows that the aluminum adheres in the region of the recipient and the tool and is sheared along a thin edge layer. There is thus evidence of a shear of the material in known parts of the recipient and the tool, which can be used for characterization at high hydrostatic pressure, high temperature and high Umformraten in the test system to be developed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine insbesondere auch automatisierbare Charakterisierung von Leichtbauwerkstoffen unter produktionsnahen Bedingungen kostengünstig und zeiteffizient durchgeführt werden kann und die dazu dienen, die Werkstoffkennwerte für üblich eingesetzte Approximationsmodelle zu identifizieren und zu verifizieren.The object of the present invention is therefore to provide a method and a device with which a particularly automatable characterization of lightweight materials under production-related conditions can be carried out cost-effectively and time-efficiently and which serve to identify and verify the material parameters for commonly used approximation models.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches X jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution of the object of the invention results in terms of the method of the characterizing features of claim 1 and in terms of the method of the characterizing features of claim X each in cooperation with the features of the associated preamble. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven, von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere für das Strangpressen. Ein derartiges Verfahren wird dabei in erfindungsgemäßer Weise dadurch weiter gebildet, dass eine Probe des Leichtbauwerkstoffes in einen Rezipienten einer Strangpressvorrichtung eingebracht und durch einen Stempel derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung des Rezipienten gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten die Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten erfasst und anhand der geometrischen Abmessungen des Rezipienten im Messbereich in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes umgerechnet werden. Hierbei steht insbesondere die Erkenntnis im Vordergrund, dass der sich einstellende Stofffluss des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes innerhalb des Rezipienten beim Strangpressen dazu genutzt werden kann, um den eingesetzten Werkstoff bei hohem hydrostatischem Druck, ggf. hoher Temperatur und hohen Umformraten, also primär den beim Strangpressen vorliegenden Bedingungen zu charakterisieren und damit eine realitätsnahe Ausgangsbasis für die Berücksichtigung des Materialverhaltens in Simulationsverfahren zu ermitteln. Ergebnisse aus visioplastischen Untersuchungen [1] zeigen, dass z. B. Aluminium als typischer Leichtbauwerkstoff im Bereich des Rezipienten und des Werkzeugs haftet und entlang einer dünnen Randschicht geschert wird. Es liegt somit eine Scherung des Werkstoffes in bekannten Teilen des Rezipienten vor. Dieses Werkstoffverhalten vor allem im Randbereich der Innenwandung des Rezipienten kann nun dazu ausgenutzt werden, eine Kraftmessung der dort vorliegenden Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes unter den realen Umformverhältnissen beim Strangpressen durchzuführen und daraus dann unter Berücksichtigung der geometrischen Abmessungen des Rezipienten eine Scherspannung des Leichtbauwerkstoffes zu berechnen, die dann wieder in die Simulationsrechnung als Charakterisierung des Leichtbauwerkstoffes genutzt werden kann und die Genauigkeit der Simulation verbessert. Hierdurch wird das Problem gelöst, dass die alternativen Verfahren zur Ermittlung der Fließkurve derartiger Leichtbauwerkstoffe nicht die Zustände, die beim Strangpressprozess bei der Umformung der Werkstoffe vorherrschen, realitätsnah nachstellen können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können hingegen Leichtbauwerkstoffe unter hohem hydrostatischem Drücken, bei hohen Umformgraden und bei hohen Temperaturen, also bei produktionsnahen Bedingungen geprüft werden. Durch die verbesserte Fließkurvenaufnahme und damit verbundene Verbesserung der Werkstoffmodellierung wird eine Steigerung der Simulationsgenauigkeit erreicht. Zudem können die Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen mit geringem fertigungstechnischen Aufwand für die Probenfertigung und geringen Gesamtkosten ermittelt werden. Insbesondere bei sehr hohen Temperaturen begünstigt der hohe hydrostatische Druckspannungszustand die Fließkurvenaufnahme.The invention is based on a method for determining characteristic material properties, in particular flow curves, of lightweight materials, in particular for extrusion. Such a method is thereby further formed in accordance with the invention in that a sample of lightweight material is placed in a recipient of an extrusion and pressurized by a punch so that the lightweight material is plastically deformed and pressed from the die opening of the recipient, wherein in a from the die opening arranged region of the recipient detects the shear forces of the plastically flowing lightweight material in the region of the inner wall of the recipient and converted based on the geometric dimensions of the recipient in the measuring range in a yield stress of the lightweight material. In this context, the recognition that the material flow occurring in the plastically flowing lightweight material within the recipient during extrusion can be used to obtain the material used at high hydrostatic pressure, possibly high temperature and high deformation rates, ie primarily during extrusion To characterize conditions and thus to determine a realistic starting basis for the consideration of the material behavior in simulation methods. Results from visioplastic investigations [1] show that z. B. aluminum as a typical lightweight material in the region of the recipient and the tool adheres and sheared along a thin edge layer. There is thus a shearing of the material in known parts of the recipient. This material behavior especially in the edge region of the inner wall of the recipient can now be exploited to carry out a force measurement of the shear forces of the plastically flowing lightweight material under the real forming conditions during extrusion and then, taking into account the geometrical dimensions of the recipient, to calculate a shear stress of the lightweight material, which can then be used again in the simulation calculation as a characterization of the lightweight material and improves the accuracy of the simulation. This solves the problem that the alternative methods for determining the flow curve of such lightweight materials can not realistically adjust the conditions that prevail in the extrusion process during the forming of the materials. With the method according to the invention, however, lightweight materials can be tested under high hydrostatic pressures, at high degrees of deformation and at high temperatures, ie at near-production conditions. The improved flow curve recording and the associated improvement in material modeling increase the simulation accuracy. In addition, the flow curves of lightweight materials can be determined with low production costs for sample production and low total costs. Especially at very high temperatures, the high hydrostatic pressure stress state promotes flow curve absorption.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Scherkräfte des Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten durch eine Kraftmessung, insbesondere eine Kraftmessung in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung des Stempels ermittelt werden. Die Scherkräfte verlaufen im Wesentlichen parallel zur Wandung des Rezipienten und sind daher in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung des Stempels ausgerichtet. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die Kraftmessung durch mindestens eine im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnete Kraftmesseinrichtung vorgenommen werden. Derartige Kraftmessungen können z. B. über Kraftmessdosen, Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen realisiert werden, die im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnet sind oder mit diesem Bereich funktional in Verbindung stehen. Die Kraftmessung wird dabei genau dort vorgenommen, wo die Scherkräfte wirken und die Fließverhältnisse innerhalb des Leichtbauwerkstoffes derart homogen sind, dass repräsentative Messbedingungen herrschen. Dies sollte vorteilhaft in einem Bereich erfolgen, der weit genug von der Matrizenöffnung entfernt ist.It is particularly advantageous if the shear forces of the lightweight material in the region of the inner wall of the recipient are determined by a force measurement, in particular a force measurement in the axial direction parallel to the relative movement of the punch. The shear forces are substantially parallel to the wall of the recipient and are therefore aligned in the axial direction parallel to the relative movement of the punch. In this case, in a further embodiment, the force measurement can be performed by at least one force measuring device arranged in the region of the inner wall of the recipient. Such force measurements can z. Example, via load cells, pressure sensors or strain gauges are realized, which are arranged in the region of the inner wall of the recipient or are functionally related to this area. The force measurement is carried out exactly where the shear forces act and the flow conditions within the lightweight material are so homogeneous that representative Measuring conditions prevail. This should be done advantageously in an area that is far enough away from the die opening.

In weiterer Ausgestaltung können mehrere Durchgänge zur Ermittlung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes durchgeführt werden, wobei bei jedem Durchgang die Umformgeschwindigkeit des Leichtbauwerkstoffes im Scherbereich an der Innenwandung des Rezipienten variiert wird. Anhand der gemessenen Scherkräfte und der geometrischen Abmessungen des Rezipienten lässt sich für eine Prozessparameterkombination genau ein Stützpunkt der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes berechnen. Weitere Stützpunkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes lassen sich aus einer Variation der Umformgeschwindigkeit im Scherbereich gewinnen, die entweder durch eine veränderte Stempelgeschwindigkeit und/oder durch Variation der Querschnittsfläche des Rezipienten in Form eines einfach oder mehrfach hinsichtlich seiner Querschnittsabmessungen gestuften Rezipienten erreicht werden kann. Letzteres hat den Vorteil, dass in einem Versuch mehrere Stützpunkte der Fließkurve gleichzeitig bestimmt werden können, was die Effizienz des Verfahrens steigert. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die Variation der Querschnittsfläche des Rezipienten durch einen zwei- oder mehrfach gestuft ausgebildeten Innenquerschnitt des Rezipienten erreicht werden, wobei vorteilhaft eine Erfassung der Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich jeder der gestuft ausgebildeten Innenquerschnitte des Rezipienten erfolgt. Da in jedem abgestuften Querschnittsbereich des Rezipienten eine unterschiedliche Umformgeschwindigkeit des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes vorliegt, können mit nur einem Pressvorgang genau so viel Scherkräfte und damit Stützpunkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes bestimmt werden, wie Abstufungen des Rezipienten realisiert wurden, wenn an jeder der Abstufungen unabhängig voneinander eine entsprechende Kraftmessung durchgeführt wird.In a further embodiment, a plurality of passages for determining the flow stress of the lightweight material can be carried out, wherein the deformation rate of the lightweight material is varied in the shear region on the inner wall of the recipient at each pass. On the basis of the measured shear forces and the geometric dimensions of the recipient, it is possible to calculate exactly one interpolation point of the flow curve of the lightweight material for a process parameter combination. Further bases of the flow curve of the lightweight material can be obtained from a variation of the forming speed in the shear area, which can be achieved either by an altered punch speed and / or by varying the cross-sectional area of the recipient in the form of a single or multiple stepped in terms of its cross-sectional dimensions recipient. The latter has the advantage that several interpolation points of the flow curve can be determined simultaneously in one experiment, which increases the efficiency of the process. In this case, in a further embodiment, the variation of the cross-sectional area of the recipient can be achieved by a two-stepped or multi-stepped inner cross section of the recipient, advantageously detecting the shear forces of the plastically flowing lightweight material in the region of each of the stepped inner cross sections of the recipient. Since there is a different deformation rate of the plastically flowing lightweight material in each stepped cross-sectional region of the recipient, just as much shear forces and thus bases of the flow curve of the lightweight material can be determined with just one pressing operation, as gradations of the recipient were realized, if at each of the gradations independently appropriate force measurement is performed.

In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes durch eine an oder in dem Rezipienten angeordnete Heizeinrichtung, insbesondere eine induktive Heizeinrichtung eingestellt wird. Insbesondere, wenn die temperierte Umformung des Leichtbauwerkstoffes und die Ermittlung der Fließspannung isotherm z. B. in einer ofenartigen Isolierung durchgeführt wird, lassen sich sehr definierte und für die spätere Simulation aussagekräftige Materialkennwerte bestimmen.In a further embodiment, it is conceivable that the temperature during the deformation of the lightweight material by a arranged on or in the recipient heating device, in particular an inductive heating device is set. In particular, when the tempered deformation of the lightweight material and the determination of the yield stress isothermal z. B. is carried out in an oven-like insulation, can be very defined and for the later simulation meaningful material characteristics determined.

Weiterhin ist es denkbar, dass die Temperatur des stranggepressten Profils und damit die Werkstofferwärmung während und/oder nach der Umformung gemessen wird und hieraus ebenfalls Rückschlüsse über das Umformverhalten des Leichtbauwerkstoffes gezogen werden können.Furthermore, it is conceivable that the temperature of the extruded profile and thus the material heating during and / or after the deformation is measured and from this also conclusions about the forming behavior of the lightweight material can be drawn.

Von besonderem Vorteil für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist es, wenn die Bestimmung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes automatisiert erfolgt. Hierdurch kann z. B. das Handling der Proben des Leichtbauwerkstoffes beim Einlegen in den Rezipienten und beim Entfernen von Pressresten aus dem Rezipienten vereinfacht werden, auch kann die gesamte Steuerung einer verfahrensgemäß gesteuerten Anlage und die Ermittlung und Auswertung der Messdaten automatisch durchgeführt werden.Of particular advantage for the economy of the method is when the determination of the yield stress of the lightweight material is automated. As a result, z. B. the handling of the samples of lightweight material when inserted into the recipient and the removal of press residues from the recipient can be simplified, and the entire control of a system controlled system and the determination and evaluation of the measured data can be performed automatically.

Weiterhin ist es denkbar, dass unterschiedliche Querschnittsabmessungen des stranggepressten Profils verwendet werden, um den hydrostatischen Druckspannungszustand in dem umzuformenden Leichtbauwerkstoff zu variieren, indem z. B. abgestuften Profile gepresst und das Scherverhalten entsprechend erfasst werden.Furthermore, it is conceivable that different cross-sectional dimensions of the extruded profile are used to vary the hydrostatic compressive stress state in the lightweight material to be formed by, for. B. stepped profiles pressed and the shear behavior can be detected accordingly.

Auch ist es denkbar, dass der Austritt des stranggepressten Profils aus dem Rezipienten variiert wird, indem das stranggepresste Profil an verschiedenen Positionen aus dem Rezipienten austritt. Auch hierdurch können ggf. die Fließverhältnisse innerhalb des Rezipienten beeinflusst und messtechnisch erfasst werden.It is also conceivable that the outlet of the extruded profile is varied from the recipient by the extruded profile exits the recipient at various positions. As a result, if necessary, the flow conditions within the recipient can be influenced and measured.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven, von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere für das Strangpressen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1. Eine derartige gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter gebildet, dass die Vorrichtung eine Strangpressvorrichtung mit einem Rezipienten und einer Matrizenöffnung aufweist, in die eine Probe des Leichtbauwerkstoffes eingebracht und durch einen zu dem Rezipienten relativ beweglichen Stempel derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung des Rezipienten gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten mindestens eine Messeinrichtung im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnet ist, mit der die Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten erfassbar sind. Durch die Anordnung mindestens einer Messeinrichtung im Bereich der Innenwandung des Rezipienten werden die Fließbedingungen und damit die Scherkräfte des Leichtbauwerkstoffes an den Innenwandungen des Rezipienten unmittelbar da erfasst, wo homogene Fließbedingungen vorliegen, und die erfolgt zudem bei den später im Produktionsbetrieb herrschenden Bedingungen wie Druck, Temperatur etc. und damit sehr realitätsnah. Dies erlaubt eine realitätsnahe Charakterisierung der Fließeigenschaften des Leichtbauwerkstoffes, die dann in die Simulation von auszulegenden Strangpressvorgängen eingeht und das reale Werkstoffverhalten des Leichtbauwerkstoffes sehr nahekommend beschreibbar macht.The invention further relates to a device for determining characteristic material properties, in particular of flow curves, of lightweight materials, in particular for extrusion, in particular for carrying out the method according to claim 1. Such a generic device is further formed in accordance with the invention, that the device with an extrusion a recipient and a die opening, in which a sample of the lightweight material is introduced and pressurized by a relatively movable to the recipient punch so that the lightweight material is plastically deformed and pressed out of the die opening of the recipient, wherein removed in one of the die opening arranged region of the recipient at least one measuring device in the region of the inner wall of the recipient is arranged, with which the shear forces of the plastically flowing lightweight material in the Inn can be detected by the recipient. By arranging at least one measuring device in the region of the inner wall of the recipient, the flow conditions and thus the shear forces of the lightweight material on the inner walls of the recipient are detected immediately where homogeneous flow conditions exist, and this is also the case in the later Production conditions prevailing conditions such as pressure, temperature, etc. and thus very realistic. This allows a realistic characterization of the flow properties of the lightweight material, which then enters into the simulation of Auszustegenden extrusion processes and makes the real material behavior of the lightweight material very close describable.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn eine Auswerteeinrichtung funktional derart mit der Messeinrichtung verbunden ist, dass die erfassten Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes umrechenbar sind. Hierzu müssen neben den gemessenen Scherkräften des Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten auch die geometrischen Gegebenheiten des Rezipienten im Bereich der Messwerterfassung berücksichtigt werden, um aus den Scherkräften eine Fließspannung zu berechnen und damit zumindest einen Punkt der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes zu bestimmen. Bei mehreren gleichzeitigen Messungen von Scherspannungen an unterschiedlichen Stellen des Rezipienten werden diese Messwerte ebenfalls parallel in der Auswerteeinrichtung verarbeitet.It is particularly advantageous if an evaluation device is functionally connected to the measuring device such that the detected shear forces of the plastically flowing lightweight material in the region of the inner wall of the recipient can be converted into a yield stress of the lightweight material. In addition to the measured shear forces of the lightweight material in the region of the inner wall of the recipient, the geometric conditions of the recipient in the area of the measured value acquisition must be considered in order to calculate a yield stress from the shear forces and thus determine at least one point of the flow curve of the lightweight material. In the case of several simultaneous measurements of shear stresses at different locations of the recipient, these measured values are also processed in parallel in the evaluation device.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Messeinrichtung die Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung des Stempels erfasst.It is particularly advantageous if the measuring device detects the shear forces of the plastically flowing lightweight material in the axial direction parallel to the relative movement of the punch.

Es ist weiterhin denkbar, dass die Messeinrichtung eine Einrichtung zur lokalen Druckmessung im Bereich der auf die Innenwandung des Rezipienten einwirkenden Scherkräfte aufweist. Hierbei wird ausgenutzt, dass der Druck in dem plastisch fließenden Leichtbauwerkstoff im Bereich der Innenwandung des Rezipienten in allen Richtungen lokal gleich ist und gerade so groß, dass die Scherung des Leichtbauwerkstoffes stattfindet. An diesem Punkt, beispielsweise mit Hilfe einer Druckmessdose oder sonstiger Druckaufnehmer, gemessene Druckkräfte entsprechen hierbei den lokalen Scherkräften und können damit unmittelbar zur Bestimmung eines Punktes der Fließkurve genutzt werden.It is further conceivable that the measuring device has a device for local pressure measurement in the region of the shear forces acting on the inner wall of the recipient. This exploits the fact that the pressure in the plastically flowing lightweight material in the region of the inner wall of the recipient is locally the same in all directions and just so great that the shearing of the lightweight material takes place. At this point, for example with the aid of a pressure cell or other pressure transducer, measured pressure forces correspond to the local shear forces and can thus be used directly to determine a point of the flow curve.

Ebenfalls ist es denkbar, für die Messeinrichtung eine Einrichtung zur lokalen Dehnungsmessung zu nutzen, die Verformungen von im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordneten Bauteilen misst. So könnte etwa in die Wandung des Rezipienten ein gezielt verformbares Bauteil eingebaut werden, dessen Verformung dann mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen erfasst und als Ausgangsbasis der Scherkraftbestimmung genutzt wird. Vorteilhaft hierbei wäre, dass die Dehnungsmessstreifen nicht im Inneren des Rezipienten angeordnet sein müssten und daher verschleißärmer angeordnet sind.It is likewise conceivable to use a device for local strain measurement for the measuring device, which measures deformations of components arranged in the region of the inner wall of the recipient. For example, a specifically deformable component could be installed in the wall of the recipient, the deformation of which is then detected with the aid of strain gauges and used as the basis for determining the shear force. It would be advantageous in this case that the strain gauges would not have to be arranged in the interior of the recipient and are therefore arranged with less wear.

Von besonderem Vorteil für die Wirtschaftlichkeit der Nutzung der Vorrichtung ist es, wenn die Querschnittsabmessungen des Rezipienten entlang der Richtung der Relativbewegung des Stempels zwei oder mehrfach gestuft ausgebildet sind. Hierdurch bilden sich in jedem der abgestuften Bereiche des Rezipienten unterschiedliche Umformgeschwindigkeiten, was dazu genutzt werden kann gleichzeitig mehrere Punkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes zu bestimmen. Insbesondere, wenn in jedem der gestuft ausgebildeten Querschnittsbereiche des Rezipienten jeweils eine eigene Messeinrichtung zur Erfassung der Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes in diesem Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnet ist, messen diese mehreren Messeinrichtungen gleichzeitig eine entsprechende Anzahl von Scherkräften, die aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Bedingungen der gestuft ausgebildeten Querschnittsbereiche in unterschiedliche Punkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes umgerechnet werden können. Damit wird mit nur einem Pressvorgang eine ggf. schon ausreichende Charakterisierung des Umformverhaltens des Leichtbauwerkstoffes möglich, was besonders wirtschaftlich ist.Of particular advantage for the efficiency of the use of the device is when the cross-sectional dimensions of the recipient along the direction of the relative movement of the punch are formed two or more times stepped. As a result, different forming speeds are formed in each of the stepped regions of the recipient, which can be used to simultaneously determine several points of the flow curve of the lightweight material. In particular, if in each of the stepped trained cross-sectional areas of the recipient each have their own measuring device for detecting the shear forces of the plastically flowing lightweight material in this region of the inner wall of the recipient, these measure several measuring devices simultaneously a corresponding number of shear forces due to the different geometric conditions the stepped trained cross-sectional areas can be converted into different points of the flow curve of the lightweight material. Thus, a possibly already sufficient characterization of the forming behavior of the lightweight material is possible with just one pressing process, which is particularly economical.

In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Vorrichtung eine Heizeinrichtung, insbesondere eine induktive Heizeinrichtung aufweist, die die Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes beeinflusst. Hierdurch kann der Einfluss der Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes genau eingestellt werden, was sich zum einen auf die Genauigkeit der Charakterisierung des Umformverhaltens des Leichtbauwerkstoffes positiv auswirkt. Zum anderen kann die Heizeinrichtung auch gezielt dazu genutzt werden, dass Fließverhalten des Leichtbauwerkstoffes bei verschiedenen, für die Praxis relevanten oder interessanten Temperaturen zu ermitteln. Hierzu kann auch beitragen, dass die Vorrichtung durch eine ofenartige Kapselung oder dgl. thermisch isoliert ausgebildet ist, wodurch das Temperaturverhalten sehr konstant berücksichtigt werden kann.In a further embodiment, it is conceivable that the device has a heating device, in particular an inductive heating device, which influences the temperature during the deformation of the lightweight material. As a result, the influence of the temperature during the deformation of the lightweight material can be accurately adjusted, which on the one hand has a positive effect on the accuracy of the characterization of the forming behavior of the lightweight material. On the other hand, the heater can also be used specifically to determine the flow behavior of the lightweight material at different, relevant for practice or interesting temperatures. This can also contribute to the fact that the device is designed to be thermally insulated by means of an oven-like encapsulation or the like, as a result of which the temperature behavior can be taken into account very constantly.

In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Vorrichtung eine Messeinrichtung aufweist, mit der die Temperatur des stranggepressten Profils und damit die Werkstofferwärmung während und/oder nach der Umformung messbar ist. Hierdurch wird neben der Ermittlung des Fließverhaltens innerhalb des Rezipienten auch möglich, das Werkstoffverhalten des stranggepressten Profils in die Charakterisierung mit einzubeziehen, z. B. Temperaturveränderungen beim oder nach dem Austritt aus dem Rezipienten zu erfassen.In a further embodiment, it is conceivable that the device has a measuring device with which the temperature of the extruded profile and thus the material heating during and / or after the deformation is measurable. This will in addition to the determination of the flow behavior within the recipient also possible to include the material behavior of the extruded profile in the characterization, z. B. to detect changes in temperature during or after exiting the recipient.

Weiterhin ist es denkbar, dass die Vorrichtung automatisierte Einrichtungen, insbesondere Einrichtungen zum Speichern und zum Handling der Proben des Leichtbauwerkstoffes und/oder des stranggepressten Profils aufweist, so dass die Bestimmung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes automatisiert erfolgt. Hierdurch können z. B. alle Funktionen der Vorrichtung im Zusammenhang mit der Durchführung des Verfahrens weitgehend ohne menschlichen Eingriff vorgenommen werden.Furthermore, it is conceivable that the device comprises automated devices, in particular devices for storing and handling the samples of the lightweight material and / or the extruded profile, so that the determination of the yield stress of the lightweight material is automated. As a result, z. B. all functions of the device in connection with the implementation of the method are made largely without human intervention.

Ebenfalls ist es denkbar, die Querschnittsform des Rezipienten nicht rund auszubilden, um das Fließverhalten des Leichtbauwerkstoffes weiter variieren und erfassen zu können.It is also conceivable that the cross-sectional shape of the recipient does not form around in order to further vary and detect the flow behavior of the lightweight material.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die Zeichnung.A particularly preferred embodiment of the method according to the invention and of the device according to the invention is shown in the drawing.

Es zeigen:Show it:

1 – eine sehr stark prinziphaft ausgebildeten Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Gesamtansicht, 1 A very strong basic design of the basic structure of the device according to the invention in an overall view,

2 – einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung gemäß 1 mit einer detaillierten Darstellung der im Bereich des Rezipienten angeordneten Funktionsbauteile, 2 - An enlarged section of the device according to 1 with a detailed representation of the functional components arranged in the region of the recipient,

3 – einen vergrößerten Ausschnitt einer Variation der Vorrichtung gemäß 1 mit einem abgestuft ausgebildeten Rezipienten und zwei Messbereichen. 3 - An enlarged detail of a variation of the device according to 1 with a graduated recipient and two measuring ranges.

In der 1 ist in einer sehr stark prinziphaft ausgebildeten Darstellung der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Gesamtansicht zu erkennen. Hierbei ist ein Rezipient 1 in einem Säulengestell aus einer oberen Traverse 6, einer unteren Traverse 7 und Säulen 11 auf einer in Verstellrichtung 23 beweglich angeordneten mittleren Traverse 13 senkrecht in Verstellrichtung 23 verfahrbar angeordnet und wirkt wie beim Strangpressen grundsätzlich bekannt mit einem an der oberen Traverse 6 ortsfest angeordneten Stempel 2 zusammen, der in den Rezipienten 1 oberseitig eintritt. Der Stempel 2 ist an der oberen Traverse 6 über eine Kraftmessdose 8 befestigt, so dass die Presskraft des Stempels 2 beim Verfahren des Rezipienten 1 in Verstellrichtung 23 der mittleren Traverse 13 messbar ist.In the 1 can be seen in a very strong basic design of the basic structure of the device according to the invention in an overall view. Here is a recipient 1 in a pillar frame from an upper truss 6 , a lower crossbar 7 and columns 11 on a in adjustment 23 movably arranged middle traverse 13 vertical in adjustment direction 23 arranged movable and acts as extruded basically known with one on the upper crosshead 6 fixedly arranged stamp 2 together, in the recipient 1 Upper side occurs. The Stamp 2 is at the upper crossbar 6 via a load cell 8th attached so that the pressing force of the punch 2 in the procedure of the recipient 1 in adjustment 23 the middle traverse 13 is measurable.

Der Rezipient 1 weist, wie in 2 in einer vergrößerten Ausschnittsdarstellung noch besser erkennbar, eine hier zylindrische Bohrung zur Aufnahme einer ebenfalls runden Probe des Leichtbauwerkstoffes 18 auf, die oberseitig durch den Stempel 2 abgedichtet verschlossen ist und unterseitig eine Matrize 3 mit einer Austrittsöffnung 24 aufweist, durch die der Leichtbauwerkstoff 18 wie beim Strangpressen bekannt unter Einfluss der Druckkraft F des Stempels 2 hindurch gedrückt und dabei plastisch umgeformt wird. Das sich dabei an der Matrizenöffnung 24 bildende Strangpressprofil 15 tritt aus der unterseitigen Ausfallöffnung 14 in Richtung auf einen Auffangbehälter 12 aus.The recipient 1 points as in 2 in an enlarged detail view even better recognizable, here a cylindrical bore for receiving a likewise round sample of the lightweight material 18 on top of the stamp 2 sealed is sealed and underside a die 3 with an outlet opening 24 through which the lightweight material 18 as known in extrusion under the influence of the compressive force F of the punch 2 pressed through it and thereby plastically transformed. This is due to the die opening 24 forming extruded profile 15 emerges from the bottom-side failure opening fourteen towards a collection container 12 out.

Um den Rezipienten 1 herum ist eine hier kastenförmige Isolierung 9 angeordnet, die den Rezipienten 1 thermisch isoliert und deren Inneres mit einer nur angedeuteten Heizung 10 temperiert werden kann.To the recipient 1 around here is a box-shaped insulation 9 arranged the recipient 1 thermally insulated and their interior with only hinted heating 10 can be tempered.

Der Aufnahmeraum des Rezipienten 1 für die Probe des Leichtbauwerkstoffes 18 ist in hier nur schematisch angedeuteter Weise mit zwei Dehnscheiben 20 ausgerüstet, die sich horizontal um den Aufnahmeraum des Rezipienten 1 herum nach außen erstrecken und als Beispiel für die praktische Durchführung einer Kraftmessung der Scherkräfte 19 im Bereich der Innenwandung 4 des Rezipienten 1 angeführt werden sollen. Die Dehnscheiben 20 werden bei der plastischen Verformung des Leichtbauwerkstoffes 18 aufgrund der Druckwirkung des Stempels 2 ebenfalls radial gedehnt und verändern dabei geringfügig ihren Außendurchmesser, der außerhalb des Rezipienten 1 liegt. Hierdurch können z. B. über nicht dargestellte Dehnungsmessstreifen diese Dehnungen erfasst und mittels Signalleitungen 17 an eine nur schematisch dargestellte Auswerteeinrichtung 5 weiter gegeben werden. Alternativ zu dieser nur grob geschilderten Möglichkeit der Erfassung der Scherkräfte 19 im Bereich der Innenwandung 4 des Rezipienten 1 können aber auch innerhalb der Wandung des Rezipienten 1 angeordnete, hier nicht weiter dargestellte Kraft- oder Druckmesseinrichtung verwendet werden, die die entlang der Innenwandungen des Rezipienten 1 bei der plastischen Umformung des Leichtbauwerkstoffes 18 auftretenden Scherkräfte 19 erfassen können.The reception room of the recipient 1 for the sample of the lightweight material 18 is in here only schematically indicated way with two Dehnscheiben 20 Equipped, extending horizontally around the receptacle of the recipient 1 extend outward and as an example for the practical implementation of a force measurement of the shear forces 19 in the area of the inner wall 4 the recipient 1 should be mentioned. The stretching discs 20 become in the plastic deformation of the lightweight material 18 due to the pressure effect of the stamp 2 also radially expanded and thereby slightly change their outer diameter, outside the recipient 1 lies. As a result, z. B. via strain gauges, not shown, these strains detected and signal lines 17 to an evaluation device shown only schematically 5 be given further. Alternatively to this only roughly described possibility of detecting the shear forces 19 in the area of the inner wall 4 the recipient 1 but also within the wall of the recipient 1 arranged, not shown here force or pressure measuring device are used, which along the inner walls of the recipient 1 in the plastic deformation of the lightweight material 18 occurring shear forces 19 can capture.

Hierbei macht sich die Erfindung die Erkenntnis zu Nutze, dass der einstellende Stofffluss des Leichtbauwerkstoffes 18 beim Strangpressen genutzt werden kann, um den eingesetzten Werkstoff bei hohem hydrostatischem Druck, hoher Temperatur und hohen Umformraten hinsichtlich seiner Umformeigenschaften und insbesondere hinsichtlich seiner Fließkurve zu charakterisieren. Ergebnisse aus visioplastischen Untersuchungen [1] zeigen, dass z. B. Aluminium als einer der wichtigsten Leichtbauwerkstoffe 18 im Bereich der Innenwandung des Rezipienten 1 und des Stempels 2 haftet und entlang einer dünnen Randschicht geschert wird (vergrößerter Detailausschnitt in 2). Es liegt somit eine Scherung des Leichtbauwerkstoffes 18 entlang der Innenwandung des Rezipienten 1 vor. Die Umformung des Leichtbauwerkstoffes 18 ist besonders in von der Matrizenöffnung 24 entfernt liegenden Bereichen des Rezipienten 1 homogen über den Querschnitt des Rezipienten 1, so dass durch eine Kraftmessung in diesem Bereich die Kräfte τ für die Scherung des Leichtbauwerkstoffes 18 gemessen werden können. Anhand der Scherkräfte 19 und den geometrischen Abmessungen des Rezipienten 1 in diesem Bereich lässt sich daraus die Fließspannung zumindest in einzelnen Punkten der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes 18 berechnen. Here, the invention makes use of the knowledge that the adjusting material flow of the lightweight material 18 can be used in extrusion molding to characterize the material used at high hydrostatic pressure, high temperature and high forming rates in terms of its forming properties and in particular with regard to its flow curve. Results from visioplastic investigations [1] show that z. As aluminum as one of the most important lightweight materials 18 in the region of the inner wall of the recipient 1 and the stamp 2 adheres and is sheared along a thin edge layer (enlarged detail in 2 ). It is therefore a shearing of the lightweight material 18 along the inner wall of the recipient 1 in front. The transformation of the lightweight material 18 is especially in from the die opening 24 remote areas of the recipient 1 homogeneous over the cross-section of the recipient 1 , so that by a force measurement in this area, the forces τ for the shearing of the lightweight material 18 can be measured. Based on the shear forces 19 and the geometric dimensions of the recipient 1 In this area, the yield stress can be determined from this at least in individual points of the flow curve of the lightweight material 18 to calculate.

Die Innovation der Vorrichtung besteht darin, die vorstehend beschriebene Erkenntnis zum Scherverhalten des Leichtbauwerkstoffes 18 im Randbereich des Rezipienten 1 zu nutzen, um durch eine gezielte Messung der Scherkräfte 19 des Leichtbauwerkstoffes 18 Rückschlüsse auf das Werkstoffverhalten des Leichtbauwerkstoffes 18 bei der Umformung zu erlangen. Dies ist gemäß der Erfindung erstmals unter realitätsnahen Zuständen des Strangpressens möglich.The innovation of the device is the above-described knowledge of the shear behavior of the lightweight material 18 in the edge area of the recipient 1 to use, by a targeted measurement of the shear forces 19 of the lightweight material 18 Conclusions about the material behavior of the lightweight material 18 to obtain during the forming. This is possible according to the invention for the first time under realistic conditions of extrusion.

Hierzu werden die Messwerte als axiale Kraft F_axial im Rezipienten 1 gemessen, diese entsprechen der Scherkraft 19 entlang der Rezipienteninnenwand.For this purpose, the measured values as axial force F _axially in the recipient 1 measured, these correspond to the shear force 19 along the recipient inner wall.

Die Axialkraft F_axial infolge der Scherung entlang der Innenwandung des Rezipienten 1 lässt sich dabei idealisiert berechnen aus F_axial = τ_max·2·π·r·h The axial force F _axially due to the shear along the inner wall of the recipient 1 can be calculated idealized F _axial = τ _max · 2 · π · r · h

Daraus resultiert die Fließspannung k_f (Annahme von Mises Fließkriterium) zu k_f = √3·τ_max·2·π·r·h This results in the yield stress k _f (assumption of Mises flow criterion) k _f = √ 3 · Τ _max · 2 · π · r · h

Darin sind r der mittlere Radius der Randschicht, h die Höhe des Messbereichs, τ_max die Schubfließgrenze des Werkstoffes, k_f die Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes 18. Der hohe hydrostatische Druck erhöht das Formänderungsvermögen des Leichtbauwerkstoffes 18, wodurch im Vergleich zu klassischen Versuchen höhere Umformgrade, insbesondere bei hohen Temperaturen, erreicht werden können.Where r is the mean radius of the surface layer, h the height of the measuring range, τ _max the shear flow limit of the material, k _f the yield stress of the lightweight material 18 , The high hydrostatic pressure increases the deformability of the lightweight material 18 , which in comparison to classical experiments higher degrees of deformation, especially at high temperatures, can be achieved.

Unterschiedliche Umformgeschwindigkeiten des Leichtbauwerkstoffes 18 lassen sich entweder durch Variation der Geschwindigkeit der Verstellung des Stempels 2 oder durch eine Variation der Querschnittsfläche des Rezipienten 1 erreichen.Different forming speeds of the lightweight material 18 can be adjusted either by varying the speed of adjustment of the punch 2 or by a variation of the cross-sectional area of the recipient 1 to reach.

Anhand der gemessenen Scherkräfte 19 und der geometrischen Abmessungen des Rezipienten 1 lässt sich für eine Prozessparameterkombination ein Stützpunkt der Fließkurve berechnen. Weitere Stützpunkte resultieren aus einer Variation der Umformgeschwindigkeit im Scherbereich, die entweder durch eine veränderte Stempelgeschwindigkeit und/oder durch einen einfach oder mehrfach abgesetzten Rezipienten 1 erreicht werden kann, wie er in 3 dargestellt ist. Letzteres hat den Vorteil, dass in einem Versuch mehrere Stützpunkte der Fließkurve gleichzeitig bestimmt werden könnten, was die Effizienz der Vorrichtung insgesamt steigert. Gemäß 3 sind hier zwei verschiedene Messbereiche 4 in dem Rezipienten 1 in Verstellrichtung 23 des Stempels 2 versetzt zueinander angeordnet, wobei die Querschnittsabmessungen des Rezipienten 1 in jedem der Messbereiche 4 unterschiedlich ist und sich dadurch die Umformgeschwindigkeit und damit die dort lokal herrschenden Scherkräfte τ₁ und τ₂ ändern.Based on the measured shear forces 19 and the geometric dimensions of the recipient 1 For a process parameter combination, a vertex of the flow curve can be calculated. Further interpolation points result from a variation of the forming speed in the shear area, which can be achieved either by an altered punch speed and / or by a single or multiple remote recipient 1 can be achieved as he is in 3 is shown. The latter has the advantage that several interpolation points of the flow curve could be determined simultaneously in one experiment, which increases the overall efficiency of the device. According to 3 here are two different measuring ranges 4 in the recipient 1 in adjustment 23 of the stamp 2 offset from each other, wherein the cross-sectional dimensions of the recipient 1 in each of the measuring ranges 4 is different and thereby change the forming speed and thus the locally prevailing shear forces τ ₁ and τ ₂ .

Die derart ermittelten Fließkurven dienen dabei z. B. als Verifikationsgrößen für eine numerische Simulation von Strangpressvorgängen für entsprechende Leichtbauwerkstoffe 18. Durch diese Methodik wird sichergestellt, dass die ermittelten Werkstoffkennwerte und der verwendete Approximationsansatz geeignet sind, einen realen Strangpressprozess mit guter Genauigkeit abzubilden. Anwender derartiger Simulationen, die eine Charakterisierung der von ihnen zu verarbeitenden Leichtbauwerkstoffe 18 benötigen, erhalten durch dieses Vorgehen direkt an einem Strangpressprozess verifizierte Werkstoffkennwerte. Das Risiko einer fehlerhaften Kennwertermittlung wird durch diese Entwicklung erheblich reduziert.The thus determined flow curves serve z. B. as verification variables for a numerical simulation of extrusion processes for corresponding lightweight materials 18 , This method ensures that the determined material characteristics and the approximation approach used are suitable for mapping a real extrusion process with good accuracy. Users of such simulations, which characterize the lightweight materials to be processed by them 18 require, obtained by this procedure directly on an extrusion process verified material properties. The risk of a faulty characteristic value determination is considerably reduced by this development.

Die Aufnahme der Fließkurven durch die Prüfanlage und die Bestimmung der Kennwerte entsprechend des Approximationsansatzes haben immer den gleichen Ablauf:

– Definition der Prozessparameter für den Versuch
– Einlegen der zylindrischen Probe des Leichtbauwerkstoffes 18
– Durchführen der Strangpressumformung
– Auswertung der Ergebnisse
– Ermittlung der Kennwerte für eine vorgegebene Approximationsfunktion
– Nutzung der Kennwerte im Simulationsmodell
– Simulation und Verifikation anhand der Versuche.

The recording of the flow curves through the test system and the determination of the characteristic values according to the approximation approach always have the same sequence:

- Definition of the process parameters for the experiment
- Insert the cylindrical sample of the lightweight material 18
- Performing the extrusion forming
- Evaluation of results
- Determination of the characteristic values for a given approximation function
- Use of the characteristic values in the simulation model
- Simulation and verification based on the experiments.

Um den Einfluss der Temperatur auf das Werkstoffverhalten für entsprechende Leichtbauwerkstoffe 18 zu charakterisieren, werden der Rezipient 1 und der Stempel 2 von der äußeren Umgebung gekapselt, z. B. von einer thermisch wirksamen ofenartigen Isolierung 9 umgeben. Durch eine Integration einer z. B. induktiven Heizung 10 wird eine isotherme Charakterisierung der Leichtbauwerkstoffe 18 gewährleistet. Der hohe hydrostatische Druck erhöht das Formänderungsvermögen der Leichtbauwerkstoffe 18, wodurch im Vergleich zu klassischen Versuchen höhere Umformgrade, insbesondere bei hohen Temperaturen, erreicht werden können. Eine Überwachung der Temperatur im Bereich der Matrizenöffnung 24 kann beispielsweise mit einem Thermoelement 16 erfolgen, das im Rezipienten 1 bis in die Nähe der Matrizenöffnung 24 vorgeschoben werden kann.To the influence of temperature on the material behavior for corresponding lightweight materials 18 to characterize the recipient 1 and the stamp 2 encapsulated by the external environment, e.g. B. of a thermally effective oven-like insulation 9 surround. By integrating a z. B. inductive heating 10 becomes an isothermal characterization of lightweight materials 18 guaranteed. The high hydrostatic pressure increases the deformability of the lightweight materials 18 , which in comparison to classical experiments higher degrees of deformation, especially at high temperatures, can be achieved. A monitoring of the temperature in the area of the die opening 24 can, for example, with a thermocouple 16 done in the recipient 1 to the vicinity of the die opening 24 can be advanced.

Alternative Prüfanlagen können aktuell nicht die Zustände, die im Strangpressprozess bei der Umformung der Leichtbauwerkstoffe 18 vorherrschen, realitätsnah nachstellen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Leichtbauwerkstoffe 18 unter hohem hydrostatischem Drücken, bei hohen Umformgraden und bei hohen Temperaturen geprüft werden. Durch die verbesserte Fließkurvenaufnahme und damit verbundene Verbesserung der Werkstoffmodellierung wird eine Steigerung der Simulationsgenauigkeit erreicht.Currently, alternative test systems can not handle the conditions encountered in the extrusion process when forming lightweight materials 18 prevail, realistically adjust. With the device according to the invention lightweight materials can 18 under high hydrostatic pressures, at high degrees of deformation and at high temperatures. The improved flow curve recording and the associated improvement in material modeling increase the simulation accuracy.

Die Erfindung kann dazu dienen, Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen 18 mit geringem fertigungstechnischen Aufwand für die Probenfertigung und geringen Gesamtkosten zu ermitteln. Insbesondere bei sehr hohen Temperaturen begünstigt der hohe hydrostatische Druckspannungszustand die Fließkurvenaufnahme. Die Proben für die Versuche müssen nicht fertigungstechnisch aufwändig gefertigt werden und können in einem Magazin der Vorrichtung zugeführt werden. Die Vorrichtung lässt sich relativ einfach automatisieren, so dass eine automatisierte Auswertung der Ergebnisse möglich ist. Auch eine Umsetzung als telemetrischer Versuch ist dadurch möglich.The invention may serve flow curves of lightweight materials 18 to be determined with low production-technical expenditure for the sample production and low total costs. Especially at very high temperatures, the high hydrostatic pressure stress state promotes flow curve absorption. The samples for the experiments do not have to be manufactured consuming consuming technology and can be supplied in a magazine of the device. The device can be automated relatively easily, so that an automated evaluation of the results is possible. An implementation as a telemetric attempt is possible.

Sowohl durch die vereinfachte Probenfertigung als auch durch die Möglichkeit einer automatisierten Versuchsdurchführung können im Vergleich zu konventionell eingesetzten Vorrichtungen und Verfahren wie z. B. den Torsions- oder dem Stauchversuch erhebliche Kosten eingespart werden. Auch die Kosten der Vorrichtung selbst sind im Vergleich zu einem Torsionsversuchsstand (Gleeble) günstig. Vorsichtig geschätzt kann mit 1/4 der üblichen Kosten zur Fließkurvenaufnahme und Kennwertermittlung gerechnet werden.Both by the simplified sample production as well as the possibility of an automated test procedure can be compared to conventionally used devices and methods such. B. the torsion or compression test can be saved considerable costs. The cost of the device itself are compared to a Torsionsversuchsstand (Gleeble) favorable. Carefully estimated can be expected with 1/4 of the usual costs for flow curve recording and characteristic value determination.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Rezipientrecipient
22: Stempelstamp
33: Matrizedie
44: Scherkraftmessung Innenwandung RezipientShear force inner wall Recipient
55: Auswerteeinrichtungevaluation
66: obere Traverseupper crossbar
77: untere Traverselower crossbar
88th: KraftmessdoseLoad cell
99: Isolierunginsulation
1010: Heizelementheating element
1111: Ständerstand
1212: Auffangbehälter ProfilCollection container profile
1313: mittlere Traversemiddle crossbar
1414: Ausfallöffnung ProfilFailure opening profile
1515: Profilprofile
1616: Thermoelementthermocouple
1717: Signalleitungensignal lines
1818: LeichtbauwerkstoffLightweight material
1919: Scherkräfte in der RandschichtShearing forces in the surface layer
2020: Dehnscheibenexpansion discs
2121: erster Querschnittsbereich Rezipientfirst cross-sectional area recipient
2222: zweiter Querschnittsbereich Rezipientsecond cross-sectional area recipient
2323: Verstellbewegung mittlere TraverseAdjusting movement middle crosshead
2424: Matrizenöffnungdie opening

Referenzenreferences

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[6] - Sellars, C.M., Tegart, W. JM, 1972. Hot Workability. International Metallurgical Reviews, vol. 17, 1-24 ,

Claims

Method for determining characteristic material properties, in particular flow curves of lightweight materials ( 18 ), in particular for extrusion, characterized in that a sample of the lightweight material ( 18 ) into a recipient ( 1 ) of an extrusion device and by a punch ( 2 ) is pressurized in such a way that the lightweight material ( 18 ) plastically deformed and from the die opening ( 24 ) of the recipient ( 1 ) is pressed, wherein in one of the die opening ( 24 ) remote area of the recipient ( 1 ) the shear forces ( 19 ) of the plastically flowing lightweight material ( 18 ) in the region of the inner wall of the recipient ( 1 ) and based on the geometrical dimensions of the recipient ( 1 ) in the measuring range ( 4 ) in a yield stress of the lightweight material ( 18 ) are converted.

A method according to claim 1, characterized in that the plastic deformation of the lightweight material ( 18 ) under production-like conditions.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the shear forces ( 19 ) of the lightweight material ( 18 ) in the region of the inner wall of the recipient ( 1 ) by a force measurement, in particular by a force measurement in the axial direction parallel to the relative movement ( 23 ) of the stamp ( 2 ) be determined.

Method according to claim 3, characterized in that the force measurement ( 4 ) by at least one in the region of the inner wall of the recipient ( 1 ) arranged force measuring device ( 20 ) is made.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of passages for determining the yield stress of the lightweight material ( 18 ), wherein at each pass the forming speed of the lightweight material ( 18 ) in the shear area on the inner wall of the recipient ( 1 ) is varied.

A method according to claim 5, characterized in that the variation of the deformation rate during the forming of the lightweight material ( 18 ) by varying the relative speed of the punch ( 2 ) is caused.

A method according to claim 5, characterized in that the variation of the deformation rate during the forming of the lightweight material ( 18 ) by varying the cross-sectional area of the recipient ( 1 ) is achieved.

Method according to claim 7, characterized in that the variation of the cross-sectional area of the recipient ( 1 ) by a two or more stepped stepped inner cross-section of the recipient ( 1 ) is achieved.

Method according to claim 8, characterized in that the detection of the shear forces ( 19 ) of the plastically flowing lightweight material ( 18 ) in the region of each of the stepped inner cross-sections of the recipient ( 1 ) he follows.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature during the deformation of the lightweight material ( 18 ) by an on or in the recipient ( 1 ) arranged heating device ( 10 ), in particular an inductive heating device ( 10 ) is set.

A method according to claim 10, characterized in that the tempered deformation of the lightweight material ( 18 ) and the determination of the yield stress is carried out isothermally, in particular in an oven-like enclosure.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the extruded profile ( 15 ) and thus the material heating during and / or after the deformation is measured.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the yield stress of the lightweight material ( 18 ) is automated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that different cross-sectional dimensions of the extruded profile ( 15 ) can be used to determine the hydrostatic compressive stress state in the lightweight material to be formed ( 18 ) to vary.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet of the extruded profile ( 15 ) is varied by the extruded profile ( 15 ) at various positions in the recipient ( 1 ) exit.

Device for determining characteristic material properties, in particular of flow curves, of lightweight materials ( 18 ), in particular for extrusion, in particular for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the device comprises an extrusion device with a recipient ( 1 ) and a die opening ( 24 ) into which a sample of the lightweight material ( 18 ) and by one to the recipient ( 1 ) relatively movable stamp ( 2 ) is pressurized in such a way that the lightweight material ( 18 ) plastically deformed and from the die opening ( 24 ) of the recipient ( 1 ) is pressed, wherein in one of the die opening ( 24 ) remote area of the recipient ( 1 ) at least one measuring device ( 20 ) in the region of the inner wall of the recipient ( 1 ) is arranged, with which the shear forces ( 19 ) of the plastically flowing lightweight material ( 18 ) in the region of the inner wall of the recipient ( 1 ) are detectable.

Apparatus according to claim 16, characterized in that an evaluation device ( 5 ) Functionally with the measuring device ( 20 ), that the shear forces recorded ( 19 ) of the plastically flowing lightweight material ( 18 ) in the region of the inner wall of the recipient ( 1 ) in a yield stress of the lightweight material ( 18 ) are convertible.

Device according to one of claims 16 or 17, characterized in that the measuring device ( 20 ) the shear forces ( 19 ) of the plastically flowing lightweight material ( 18 ) in the axial direction parallel to the relative movement ( 23 ) of the stamp ( 2 ) detected.

Device according to one of claims 16 to 18, characterized in that the measuring device ( 20 ) means for local pressure measurement in the region of the inner wall of the recipient ( 1 ) acting shear forces ( 19 ) having.

Device according to one of claims 16 to 18, characterized in that the measuring device ( 20 ) has a device for local strain measurement, the deformations of in the region of the inner wall of the recipient ( 1 ) arranged components.

Device according to one of claims 16 to 20, characterized in that the cross-sectional dimensions of the recipient ( 1 ) along the direction of the relative movement of the punch ( 2 ) two or more stages ( 21 . 22 ) are formed.

Apparatus according to claim 21, characterized in that in each of the stepped cross-sectional areas ( 21 . 22 ) of the recipient ( 1 ) each have their own measuring device ( 20 ) for detecting the shear forces ( 19 ) of the plastically flowing lightweight material ( 18 ) in this region of the inner wall of the recipient ( 1 ) is arranged.

Device according to one of claims 16 to 22, characterized in that the device comprises a heating device ( 10 ), in particular an inductive heating device ( 10 ), the temperature during the deformation of the lightweight material ( 18 ).

Device according to one of Claims 16 to 23, characterized in that the device is protected by an encapsulation ( 9 ) or the like. Is thermally insulated, in particular having an oven-like enclosure.

Device according to one of claims 16 to 24, characterized in that the device comprises a measuring device ( 16 ), with which the temperature of the extruded profile ( 15 ) and thus the material heating during and / or after the deformation is measurable.

Device according to one of Claims 16 to 25, characterized in that the device comprises automated devices, in particular devices for storing and handling the samples of the lightweight material ( 18 ) and / or the extruded profile ( 15 ), so that the determination of the yield stress of the lightweight material ( 18 ) is automated.

Device according to one of claims 16 to 26, characterized in that the device comprises a device ( 8th ) for measuring the pressing force (F) of the punch ( 2 ) having.

Device according to one of claims 16 to 27, characterized in that the relative movement ( 23 ) of the stamp ( 2 ) to the recipient ( 1 ) either by a movement of the recipient ( 1 ) or a movement of the stamp ( 2 ) he follows.

Device according to one of claims 16 to 28, characterized in that the cross-sectional shape of the recipient ( 1 ) is not round.