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Experimentelle und numerische Untersuchungen zum kombinierten Walzen und Strangpressen

Heinzel, Christoph

FG Metallische Werkstoffe

Die konventionellen Herstellungsverfahren von Aluminiumlangprodukten sind Walzen und Strangpressen. Walzanlagen sind mit hohen Investitionskosten, großem Platzbedarf und aufwendiger Umrüstarbeit bei einem Produktwechsel verbunden. Der diskrete Charakter des Strangpressverfahrens ist aus energetischer Sicht nicht optimal. Vergleichsweise neue, kombinierte und kontinuierliche Umformverfahren bürgen das Potential die Investitionskosten einer Anlage zu reduzieren, den Platzbedarf zu verringern, den Energiebedarf des Prozesses zu senken und die Rüstzeiten bei einem Produktwechsel zu verkürzen. Der in dieser Arbeit untersuchte kombinierte Walz- und Strangpressprozess gehört zu dieser Verfahrensgruppe und ermöglicht die kontinuierliche Herstellung von profilierten Aluminiumlangprodukten. Durch verschiedene experimentelle Untersuchungen und den Einsatz von computergestützten numerischen Modellen, wird das Verständnis zum kombinierten Walz- und Strangpressprozess in dieser Arbeit verbessert. Eine Reihe experimenteller Anlagenversuche im industriellen Maßtab wird hierzu vorgestellt. Die Versuche werden durch ein entwickeltes Simulationsmodell auf der Grundlage der Finiten-Elemente Methode (FEM) nachgebildet. Axiale Reibtests dienen der Entwicklung eines Reibmodells, welches in das Simulationsmodell implementiert wird. Die numerische Nachbildung des Prozesses wird anschließend wiederholt. Eine simulierte Parameterstudie zur Geometrie des Umformraums wird vorgestellt. Durch eine experimentelle Untersuchung des Materialflusses und eine anschließende metallografische Untersuchung des Probenmaterials werden weitere Erkenntnisse über die Charakteristik des kombinierten Umformprozesses erarbeitet. Die Analyse der globalen Prozessgrößen der experimentellen Anlagenversuche zeigt grundlegende, im Prozess wirkende Zusammenhänge. Der Vergleich von experimentellen und berechneten Ergebnissen bestätigt die Anwendbarkeit der FEM zur Vorhersage der untersuchten Prozessgrößen. Das entwickelte Reibmodell erklärt die Charakteristik der Wechselwirkung zwischen Walzen und Werkstück. Die Parameterstudie gibt Aufschluss über Art und Höhe der Ein ussnahme einzelner geometrischer Größen des Umformraumes auf relevante Prozessgrößen. Die Untersuchungen zum Materialfluss zeigen charakteristische Eigenarten des Prozesses und belegen die Anwendbarkeit der FEM zu deren Vorhersage. Experimentelle und numerische Ergebnisse führen zu einer Unterteilung des Umformraumes in vier Bereiche. Durch die getroffene Unterteilung werden Regeln zur Auslegung der Umformraumgeometrie abgeleitet. Sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen belegen die Existenz einer Toten Zone.
The conventional manufacturing processes for aluminum long products are rolling and extrusion. Rolling mills are associated with high investment costs, large space requirements and time-consuming conversion work when changing products. The discrete character of the extrusion process is not optimal from an energetic point of view. Comparatively new, combined and continuous forming processes have the potential to reduce the investment costs of a system, reduce the space requirement, lower the energy requirements of the process and shorten the set-up times for a product change. The combined rolling and extrusion process investigated in this work belongs to this group of processes and enables the continuous production of pro led long aluminum products. Through various experimental investigations and the use of computer-aided numerical models, the understanding of the combined rolling and extrusion process is improved in this work. A series of experimental plant tests on an industrial scale is presented. The tests are simulated by a developed simulation model based on the finite element method (FEM). Axial friction tests are used to develop a friction model, which is implemented in the simulation model. The numerical simulation of the process is then repeated. A simulated parametric study of the geometry of the forming space is presented. Through an experimental investigation of the material flow and a subsequent metallographic investigation of the sample material, further insights into the characteristics of the combined forming process are gained. The analysis of the global process parameters of the experimental plant tests shows fundamental relationships that are effective in the process. The comparison of experimental and calculated results confirms the applicability of the FEM for the prediction of the investigated process variables. The developed friction model explains the characteristics of the interaction between rolls and workpiece. The parameter study provides information about the type and extent of the influence of individual geometric variables of the forming space on relevant process variables. The investigations into the material show characteristic peculiarities of the process and prove the applicability of the FEM for their prediction. Experimental and numerical results lead to a division of the forming space into four areas. Rules for the design of the forming space geometry are derived from the subdivision made. Both experimental and numerical investigations prove the existence of a dead zone.