DE19830350C2

DE19830350C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen für die Massivumformung

Info

Publication number: DE19830350C2
Application number: DE1998130350
Authority: DE
Inventors: Uwe Schmidt; Juergen Quaas; Wolfgang Heidl; Klaus Herold
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: DE19830350A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Werk stoffen für die Massivumformung, insbesondere zur Prüfung der Eignung einer konkreten Werkstoffcharge vor der umformenden Verarbeitung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen für die Massivumformung, ins besondere zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.

In der Werkstoffprüfung ist eine Reihe von Prüfverfahren für metallische Werkstoffe be kannt, die neben der Ermittlung mechanischer Kenngrößen die Bestimmung von Kenngrö ßen zur Charakterisierung der Umformbarkeit (Umformvermögen bzw. Duktilität) zum Ziel haben.

Beispiele dafür sind die Ermittlung der Kenngrößen, Bruchdehnung und Brucheinschnürung aus dem Zugversuch und der maximale Stauchgrad beim Stauchversuch.

Zu allen bekannten Prüfverfahren ist festzustellen, daß die ermittelten Werte keine quanti tativen Schlußfolgerungen hinsichtlich eines möglichen Werkstoffversagens in der Werk stoffpraxis bei einem konkreten Fertigungsfall zulassen. Die Ursache hierfür liegt darin, daß diese Werte die Spannungs- und Formänderungsverhältnisse des konkreten Umformvor ganges nicht oder nur unzureichend nachbilden. Diese Feststellung trifft zwangsläufig für alle Prüfverfahren zu und stellt eine objektive Grenze dar. Dennoch können die ermittelten Werte zum Vergleich der Umformbarkeit verschiedener Werkstoffe und Materialgüten her angezogen werden.

Ein entscheidender Mangel der bekannten Prüfungverfahren besteht darin, daß in der Re gel eine gesonderte Probennahme (definierte Probenformen und -abmessungen) erfolgt und dadurch nur Teilbereiche des Materialquerschnittes in die Prüfung einbezogen werden. Dabei fallen insbesondere die oft stark in ihren Eigenschaften abweichenden Randschich ten aus der Prüfung heraus. Lediglich der Stauchversuch läßt bis zu bestimmten Dimensio nen (abhängig von der Leistungsfähigkeit existierender Prüfmaschinen) die Prüfung an Originalquerschnitten zu. Nachteilig ist in diesem Zusammenhang, daß die Rißbildung (Kriterium für die Grenze des Umformvermögens) nicht so zwangsläufig wie z. B. beim Zug versuch abläuft.

Aus der Erkenntnis dieses Mangels wurde ein Stauchbarkeitstest unter Verwendung von zylindrischen Proben mit einer Längsnut entwickelt, um einen Anriß zu provozieren. Hier durch werden jedoch die Verhältnisse des praktischen Umformvorganges verfälscht, da der Anriß vorrangig durch äußere Kerbwirkung, weniger aber durch die Erschöpfung des Um formvermögens des Werkstoffes entsteht.

Aus der Druckschrift JP 62-231137 (A) ist eine Prüfvorrichtung und ein Prüfverfahren zur Ermittlung von Materialkennwerten einer Werkstoffprobe bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Vorrichtung, bei der eine Werkstoffprobe auf einen Tisch montiert wird. Auf diese Werkstoffprobe wird über eine elektromagnetische Spule und ein Drückelement eine Bela stung aufgebracht. Während diese Belastung aufgebracht ist, wird ein Versetzen der Ober fläche der Werkstoffprobe durch das Druckelement mit Hilfe eines Detektors erfaßt und an eine Steuer- und Meßeinrichtung weitergeleitet. Diese Belastung wird solange aufrechter halten, bis ein Geräusch aufgrund der Verformung, d. h. ein sogenannter "cracking sound" durch einen entsprechenden Sensor erfaßt wird, wobei dieses Erfassungssignal zu der Meß- und Steuereinrichtung übertragen wird. Diese erfaßten Werte dienen zur Ermittlung von materialdynamischen Parametern der Werkstoffprobe.

Aus der JP 4-289 436 (A) ist ein Verfahren zur besseren Rißerkennung bei einer Werkstoff prüfung mit einem Vickers-Stempel bekannt. Dabei wird die bessere Rißerkennung durch eine dünne Schicht, beispielsweise aus Gold, auf der zu prüfenden Oberfläche erreicht. Bei dieser Werkstoffprüfung wird der Vickers-Stempel in die Oberfläche einer Werkstoffprobe eingedrückt, wobei sich Risse an der genannten Oberfläche ausbilden, die sich im wesentli chen von der Eindrückstelle ausgehend erstrecken.

Die JP 2-186 242 (A) zeigt ein Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Blechen. Dabei wird ein Kegelstempel mit einem Kegelwinkel von 90°-110° in ein eingespanntes Blech gedrückt und dadurch das Blech entsprechend verformt, wobei eine vorbestimmte Umfor mung durchgeführt wird, bis ein Werkstoffversagen auftritt.

Die DE 196 16 676 A1 betrifft ein Verfahren zur Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte an spröden Werkstoffen. Bei diesem Verfahren werden zwei Pyramidenstempel in vorgege bener Weise in eine Werkstoffoberfläche eingedrückt, bis sich in dieser Oberfläche ein Riß ausbildet, der die Eindrückbereiche der zwei Pyramidenstempel miteinander verbindet.

Die DE 37 40 227 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Verfor mungen an Proben oder Prüfkörpern in Prüfmaschinen. Dabei ist diese Druckschrift insbe sondere auf eine Meßvorrichtung mit Spiegel gerichtet, um die Verformung der Werkstoff probe zu messen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen anzugeben, mit dem bzw. mit der bei geringem Aufwand eine quantitative Erfassung des Umformvermögens bei der Massivumformung unter praxisnahen Bedingungen möglich ist.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und da zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1A eine schematische Darstellung eines Prüfungsvorganges zu Beginn des Verfah rens,

Fig. 1B eine schematische Darstellung der Prüfung, nachdem eine vorgegebene (qualifizierte) Rißbildung eingesetzt hat, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Meßvorrichtung zur Bestimmung der Riß bildung.

Aus den Fig. 1A und 1B wird der schematische Aufbau der Vorrichtung zum Prüfen der Umformbarkeit von Werkstoffen für die Massivumformung deutlich. Eine zylinderförmige Probe 2, die ein vorgegebenes Höhendurchmesserverhältnis h₀/d₀ aufweist, stützt sich mit einer Stirnseite auf einer Stauchplatte 3 ab. Gegenüber dieser Stauchplatte 3 ist ein Kegel stempel 1 angeordnet. Der Kegelstempel 1 ist in einer (nicht gezeigten) Antriebsvorrichtung gelagert, so daß der Kegelstempel 1 im wesentlichen senkrecht zu einer Stützfläche der Stauchplatte 3 bewegbar ist. Dieser Kegelstempel 1 weist einen Kegelwinkel β auf und ist mit seiner Spitze zentrisch bezüglich der Stirnfläche der kreiszylindrischen Werkstoffprobe 2 ausgerichtet. In Fig. 1A ist die Prüfvorrichtung in einer Ausgangsposition gezeigt, wobei der Kegelstempel 1 zumindest so weit von der Stauchplatte 3 entfernt ist, daß die Werkstoff probe 2 zwischen dem Kegelstempel 1 und der Stauchplatte 3 angeordnet werden kann. Durch die Antriebsvorrichtung wird der Kegelstempel 1 in eine Stirnseite der Werkstoffprobe 2 eingedrückt, so lange, bis eine erste Meßvorrichtung (später erläutert) den Beginn einer Rißbildung feststellt. Eine zweite Meßvorrichtung (nicht gezeigt) bestimmt dabei den Ein dringweg t des Kegelstempels 1 in die Werkstoffprobe 2.

In Fig. 2 ist eine erste Meßvorrichtung 7 zur Bestimmung des Beginns einer Rißbildung auf der Mantelfläche der Werkstoffprobe 2 gezeigt. Diese Meßvorrichtung 7 weist im wesentli chen eine Spiegelanordnung auf, die aus drei ebenen Spiegeln 5 besteht. Diese Spiegel sind ebene Spiegel, die im wesentlichen parallel zu einer Mittelachse der Werkstoffprobe 2, d. h. parallel zur Bewegungsrichtung des Kegelstempels 1 angeordnet sind. Die drei ebenen Spiegel 5 sind so angeordnet, daß jeweils zwei benachbarte Spiegel sich unter einem Win kel von 135° schneiden und der mittlere der drei Spiegel 5 im wesentlichen senkrecht zu einer Blickrichtung 6 einer Prüfperson angeordnet ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Werk stoffprobe 2 zwischen der Spiegelanordnung 5 und der Prüfperson bzw. deren Blickrichtung 6 angeordnet. Durch diese Anordnung kann die Prüfperson auf einfache Weise durch Be trachtung der Vorrichtung in der gezeigten Blickrichtung 6 die gesamte Mantelfläche der Werkstoffprobe 2 überwachen und so visuell den Beginn der Rißbildung auf der Mantelflä che der Werkstoffprobe 2 feststellen. In bevorzugter Weise wird dabei der Kegelstempel 1 abschnittsweise oder gestaffelt in die Werkstoffprobe 2 eingedrückt. Durch dieses ab schnittsweise Eindrücken des Kegelstempels 1 wird die Bewegung des Kegelstempels 1 zur Überprüfung der Mantelfläche der Werkstoffprobe 2 unterbrochen, um so eine sichere und nachvollziehbare Überprüfung der Mantelfläche der Werkstoffprobe 2 zu gewährleisten.

Alternativ dazu kann der Prüfvorgang der Rißbildung auf der Mantelfläche der Werkstoff probe 2 bei hinreichend niedriger Eindringgeschwindigkeit des Stempels 1 kontinuierlich durchgeführt werden.

Die in Fig. 2 gezeigte erste Meßvorrichtung 7 zur Bestimmung der Rißbildung auf der Man telfläche der Werkstoffprobe 2 ist beispielhaft angeführt und ermöglicht ein einfaches, ko stengünstiges visuelles Prüfverfahren zur Überwachung und Überprüfung der Mantelfläche. Die gezeigte Vorrichtung kann alternativ durch andere beispielsweise automatische oder halbautomatische Prüf- oder Meßvorrichtungen ersetzt werden. Diese Vorrichtungen kön nen dann beispielsweise nach audiovisuellen Methoden arbeiten.

Wie in Fig. 1A gezeigt, bezieht sich das Verfahren auf eine Werkstoffprobe 2, die in ihrem Ausgangszustand ein Höhen-Durchmesserverhältnis h₀/d₀ aufweist. Diese Werkstoffprobe aus metallischem Werkstoff ist auf der ebenen Stauchplatte 3 angeordnet und stützt sich auf dieser ab. An die gegenüberliegende Stirnfläche der Werkstoffprobe 2 wird ein Kegel stempel 1 angesetzt.

Wie in Fig. 1B gezeigt, wird der Kegelstempel 1 mit der Kraft F in die Stirnfläche der kreis zylindrischen Werkstoffprobe 2 eingedrückt, so daß sich die Werkstoffprobe 2, die sich auf der Stauchplatte 3 abstützt, verformt. Dieser Eindringvorgang wird so lange fortgesetzt, bis sich an der äußeren Mantelfläche der Werkstoffprobe 2 die ersten Anrisse 4 zeigen. In die sem Zustand wird der Eindringweg t des Kegelstempels 1 ausgehend von der Anfangshöhe h₀ der Werkstoffprobe 2 ermittelt. Vorzugsweise erfolgt das Eindringen des Kegelstempels 1 in die Stirnfläche der Werkstoffprobe 2 abschnittsweise, um so auf einfache und kosten günstige Weise den Beginn der Rißbildung 4 an der Mantelfläche der Werkstoffprobe 2 mit Hilfe der ersten Meßvorrichtung 7, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, zu ermöglichen. Dabei be stimmt die Prüfperson den Grad der Rißbildung 4 jeweils zwischen den Bewegungsab schnitten des Kegelstempels 1.

Als Kenngröße für die Umformbarkeit des Probenwerkstoffs dient der zu Beginn der Rißbil dung erreichte Eindringweg t des Kegelstempels 1. Um die Vergleichbarkeit zwischen ver schiedenen Probenabmessungen (bei konstantem Höhen-Durchmesserverhältnis h₀/d₀) zu gewährleisten, wird der Eindringweg t auf die Ausgangshöhe h₀ bezogen, so daß sich der Kennwert für die Umformbarkeit des Probenwerkstoffs zu t/h₀ ergibt. Weiterhin kann aus dem genannten Eindringweg t eine Kenngröße zur Charakterisierung der erreichten For mänderung abgeleitet werden.

Das Ausgangshöhen-Durchmesserverhältnis h₀/d₀ der Werkstoffprobe 2 wird in Abhängig keit des Werkstoffs ausgewählt. Bei Stahlwerkstoffen werden für den Kegelwinkel β Werte um 90° und für das Höhen-Durchmesserverhältnis Werte um 1 empfohlen. Für die Ver gleichbarkeit verschiedener Werkstoffproben sollte das werkstoffabhängige Höhen- Durchmesserverhältnis konstant gehalten werden, so daß sich für gleiche oder gleichartige Werkstoffe entweder der Durchmesser aus der Höhe oder die Höhe aus dem Durchmesser ergibt.

Das Verfahren gemäß dieses Ausführungsbeispiels gibt ein praxisnahes Prüfverfahren, das mit vertretbarem Aufwand die Bestimmung eines Kennwertes zur quantitativen Erfassung des Umformvermögens bei Massivumformung, insbesondere metallischer Werkstoffe, ge stattet, wobei über den Originalquerschnitt des Materials geprüft werden kann. Bei einem zylindrischen Halbzeug kann aus dem Durchmesser die entsprechende Ausgangshöhe un ter Berücksichtigung des materialabhängigen Höhen-Durchmesserverhältnisses bestimmt werden. Weiterhin kann in einfacher Weise für alle Probengrößen ein gleiches Universal werkzeug eingesetzt werden. Der Prüfvorgang kann kontinuierlich bis zum Werkstoffversa gen fortgeführt werden und das Eintreten des Werkstoffversagens der Probe ist von außen leicht erkennbar.

Claims

1. Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen für die Massivumfor mung, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Eindrücken eines Kegelstempels (1) in eine Stirnfläche einer zylinderförmigen Werkstoffprobe (2), die ein vorgegebenes Ausgangshöhen-Durchmesserverhältnis auf weist, bis eine Rißbildung (4) an der Mantelfläche der Werkstoffprobe (2) einen vorgegebe nen Zustand erreicht;
Bestimmen einer Kenngröße für die Umformbarkeit des Werkstoffs aus einem Ein dringweg (t) des Kegelstempels (1) in die Werkstoffprobe (2), bis die Rißbildung (4) den vorgegebenen Zustand erreicht.

2. Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Kenngröße für die Umformbarkeit des Werkstoffs der Ein dringweg (t), bezogen auf eine Ausgangshöhe (h₀) der Werkstoffprobe (2) ist bzw. eine Kenngröße zur Charakterisierung der erreichten Formänderung hiervon ableitbar ist.

3. Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffprobe (2) aus metallischem Werkstoff be steht.

4. Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen nach einem der An sprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Kegelwinkel (β), der in Abhängigkeit des vorgegebenen Ausgangshöhen-Durchmesserverhältnisses der Werkstoffprobe (2) an dem Kegelstempel (1) ausgebildet ist.

5. Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß für Stahlwerkstoffe der Kegelwinkel (β) ca. 90° und das vor gegebene Ausgangshöhen-Durchmesserverhältnis ca. 1 ist.

6. Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen nach einem der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangshöhen-Durchmesser verhältnis für unterschiedliche Werkstoffproben (2) konstant ist.

7. Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen nach einem der An sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgegebene Ausgangshöhen-Durch messerverhältnis der Werkstoffprobe (2) in Abhängigkeit des Werkstoffs gewählt ist.

8. Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen nach einem der An sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Zustand der Rißbildung (4) ein Beginn der Rißbildung ist.

9. Verfahren zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen nach einem der An sprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch abschnittsweises Eindrücken des Kegelstempels (1) in die Stirnfläche der Werkstoffprobe (2) und Bestimmen der Rißbildung (4) an der Mantelfläche der Werkstoffprobe (2) zwischen den Bewegungsabschnitten des Kegelstem pels (1).

10. Vorrichtung zur Prüfung der Umformbarkeit von Werkstoffen für die Massivumfor mung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 9, wo bei die Vorrichtung aufweist:
eine Stauchplatte (3) zur Abstützung einer zylinderförmigen Werkstoffprobe (2), die ein vorgegebenes Ausgangshöhen-Durchmesserverhältnis aufweist,
einen Kegelstempel (1), der bewegbar gegenüber der Stauchplatte (3) vorgesehen ist, wobei der Kegelstempel (1) zum Eindringen in eine Stirnfläche der Werkstoffprobe (2) vorgesehen ist, während die Werkstoffprobe (2) auf der Stauchplatte (3) abstützt,
eine erste Meßvorrichtung (7) zur Bestimmung einer Rißbildung (4) auf der Mantel fläche der Werkstoffprobe (2),
eine zweite Meßvorrichtung zur Bestimmung einer Eindringtiefe (t) des Kegelstem pels (1) in die Werkstoffprobe (2).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstempel (1) einen Kegelwinkel (β) von ca. 90° aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegel stempel (1) in einer Antriebsvorrichtung gelagert ist, wobei der Kegelstempel (1) im wesent lichen senkrecht zu einer Oberfläche der Stauchplatte (3) bewegbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßvorrichtung (7) zur visuellen Bestimmung der Rißbildung (4) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßvor richtung (7) eine Spiegelanordnung (5) zur Überwachung der Mantelfläche der Werkstoff probe (2) von einer Blickrichtung (6) aus aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanord nung zumindest drei Spiegel (5) aufweist, die im wesentlichen parallel zu einer Längsachse der Werkstoffprobe (2) angeordnet sind, wobei zwei benachbarte Spiegel (5) sich unter einem Winkel von ca. 135° schneiden und ein Spiegel (5) im wesentlichen senkrecht zu einer Blickrichtung eines Prüfers angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstempel (1) abschnittsweise bewegbar ist, um eine Prüfung der Rißbildung (4) zwischen den Bewegungsabschnitten des Kegelstempels (1) zu ermöglichen.