Forschungsprojekt

Simulation des Fügens durch elektromagnetische Umformung

Zielbranchen

Fahrzeug- und Verkehrstechnologien, auch: Antriebstechnik, Maschinenbau

Problemstellung

Durch elektromagnetische Umformung (EMU) gefügte Verbindungen zeigen bei geeigneter Fügestellenauslegung bekanntermaßen Festigkeiten, welche die Grundfestigkeit der Ausgangshalbzeuge erreichen oder sogar überschreiten. Ziel des Projektes war hier, eine Verbindung eines verhältnismäßig dickwandigen Stahlrohres (Werkstoff: C35; Durchmesser: 42,4 mm; Wandstärke: 3.2 mm) mit einem massiven Stahlinnenteil (Werkstoff: C45) für eine Belastung mit einem Torsionsmoment auszulegen. Der Fügeprozess sollte dabei durch elektromagnetische Kompression des Außenrohres erfolgen.

Lösung

Die Auslegung der Verbindung erfolgte numerisch. Um die bei der EMU auftretenden Wechselwirkungen zwischen der Strom- und Magnetfeldverteilung einerseits und der Werkstückdeformation andererseits zu berücksichtigen, wurden gekoppelte elektromagnetische und strukturmechanische Simulationen durchgeführt.

Für mehrere Entwürfe mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien des inneren Fügepartners sowie für verschiedenen Einstellungen der Prozessparameter wurde zunächst der umformtechnische Fügeprozess berechnet. In einem zweiten Schritt erfolgte die Belastung des Verbundes mit einem Torsionsmoment in einer rein mechanischen Simulation. Auf dieser Basis wurden die unterschiedlichen Entwürfe hinsichtlich des übertragbaren Momentes bewertet.

Die experimentelle Verifikation des Simulationsergebnisses erfolgte anhand von zwei ausgewählten Beispielen, die in der Simulation deutlich unterschiedliche Torsionsfestigkeiten gezeigt haben. Diese wurden mithilfe eines speziell an diese Fertigungsaufgabe angepassten Induktorsystems gefügt und anschließend auf einem Torsionsprüfstand getestet. Für beide Geometrien betrug die Abweichung zwischen den in der Simulation prognostizierten und den gemessenen maximal übertragbaren Torsionsmomenten weniger als 8 Prozent.

Partner

Die dargestellten Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit einem großen deutschen Automobilkonzern durchgeführt. Die Auslegung und Fertigung der Werkzeugspule erfolgte durch die Poynting GmbH & Co. KG. Die experimentelle Bestimmung des Torsionsmomentes über dem Drehwinkel erfolgte am Institut für Konstruktions- und Antriebstechnik der Technischen Universität Chemnitz.

© Fraunhofer IWU