Stauchversuch. Markus Wolf Mat.-Nr.: TF 2. Prof. Dipl. Ing. G. Popp

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1 Stauchversuch Markus Wolf Mat.-Nr.: TF 2 Prof. Dipl. Ing. G. Popp

2 Inhaltsverzeichnis Stauchen... 3 Kaltumformung... 3 Warmumformung... 3 Unterschied zwischen Kaltumformen und Warmumformen... 3 Notwendigkeit des Stauchversuches... 3 Ermittlung der Fliesskurven (Kennlinien)... 4 Kontinuierlicher Stauchversuch... 4 Diskontinuierlicher Stauchversuch... 4 Versuchsbeschreibung... 4 Materialbeschreibung... 5 Versuchsaufbau... 5 Berechnung der Fliesskurve... 6 Umformgrad... 6 Formänderungsarbeit... 6 Berechnung der Schlagwirkungszahl... 6 Spezifische Formänderungsarbeit... 6 Spezifische Formänderungsfestigkeit... 7 Auswertung der Fließkurven... 8 Fehlereinflüsse beim Stauchversuch... 8 Tabelle Aluminium... 9 Tabelle Zinn Spezifische Formänderungsarbeit Spezifische Formänderungsfestigkeit Originaldatenblatt

3 Stauchen Das Stauchen ist nach Norm DIN 8583, Abs. 3, als Freiformen definiert. Hierbei wird ein Werkstuck zwischen zwei ebenen die parallel zueinander stehen gelegt. In diesem Aufbau wird das Werkstück zusammen gedrückt. Dies ist die Definition des Stauchens. Außerdem umfasst die Norm das Flachprägen und das Anstauchen. Der Stauchversuch zählt zu den Grundversuchen, und er dient zu der Erstellung von Fließkurven. Auch in der Industrie wird das Stachen zur Herstellung von Münzen, Nieten und Bolzen eingesetzt. Dieses Verfahren ist relativ schonend zum Werkstoff, weil hier nicht die Werkstofffasen zerstört werden. Hier tritt auch keine Verzunderung auf, weil man sich im bereich des Kaltumformen befindet. Man unterscheidet zwei Umformarten: 1) Kaltumformen 2) Warmumformen Kaltumformung Der Werkstoff wird unter der Rekristallisationstemperatur verformt. Somit tritt Kaltverfestigung auf, d. h. er verfestigt sich, weil die Atome sich im Atomgitter sich auf den Gleitebenen gegeneinander verschieben und es entstehen künstliche Störungen im Kristallgitter. Warmumformung Der Unterschied zum Kaltumformen besteht darin, dass man sich beim Warmumformen über der Rekristallisationstemperatur befindet. Dies bedeutet das keine Kaltverfestigung auftritt. Unterschied zwischen Kaltumformen und Warmumformen Beim Kaltumformen erreicht man eine höhere Qualität. Ebenso kommt es zu einer Verfestigung des Werkstückes ( Kaltverfestigung). Diese Verfestigung ist oftmals erwünscht z.b. Nieten Im Gegensatz zum Warmumformen benötigt man beim Kaltumformen eine höhere Umformkraft. Dies ist der größte Vorteil des Warmumformens. Leider kann eine Zunderschicht beim Warmumformen entsteht Notwendigkeit des Stauchversuches Mit dem Stauchversuch werden in der Regel Kennlinien ermittelt, an denen man Kraft- und / oder Energiebedarf im Zusammenhang mit dem Umformgrad ablesen kann. Diese Kennlinien geben den Ingenieure die Information, wie groß eine Stauchmaschine (zum Prägen, etc.)ausgelegt bzw. Konstruiert werden muss. 3

4 Ermittlung der Fliesskurven (Kennlinien) In der Technik ist es möglich die Fliesskurven in zwei Verfahren zu ermitteln: 1) kontinuierlicher Stauchversuch 2) diskontinuierlicher Stauchversuch Kontinuierlicher Stauchversuch Beim kontinuierlichen Stauchversuch wird die Werkstoffprobe mit einem Schlag in die Endlage gebracht. Dieses Verfahren hat Nachteile. Hier kann die Kennlinie verfälscht werden, weil bei der Umformung sich das Prüfstück erwärmt. Dies bedeutet eine ungenaue Kennlinie. Diskontinuierlicher Stauchversuch Beim diskontinuierlichen Stauchversuch wird das Werkstück nicht auf einmal in seine Endlage gebracht. Sondern man verformt den Prüfkörper mehrmals nacheinander. Da bei tritt eine Kaltverfestigung auf. Um diese zu unterdrücken, lässt man das Bärgewicht aus verschiedenen Höhen fallen. Dadurch tritt fast keine Erwärmung der Probe auf. Da das Gefüge sich nicht entspannen kann liefert das diskontinuierliche Verfahren ein genaueres Ergebnis aus das kontinuierliche Verfahren. Wir haben am 27. Oktober 2003 dieses Verfahren angewendet. Versuchsbeschreibung Zuerst werden die Daten der zylindrischen Probe (Durchmesser und Höhe) mit Hilfe einer digitalen Schieblehre aufgenommen. So ist es nun möglich, das Volumen zu errechnen. Dieses ist wichtig, weil das Volumen während des gesamten Versuches konstant bleibt. Als nächstes wird das Bärgewicht mit Hilfe einer Kurbel auf die Höhe H gezogen und gesichert. Die Sicherung ist sehr wichtig, weil man nur mit Sicherung des Bärgewichtes die Probe gefahrlos einlegen kann sodass wenn sich das gewicht löst die einlegende Person nicht zuschaden kommt. Während des einstellen des Bärgewichtes, wird die Probe an den Stirnflächen gefettet, damit wir eine fast reibungsfreie Umformung bekommen. Nachdem die gefettete Probe eingelegt wurde, ist die Sicherung entfernt worden und das Bärgewicht entrigelt. Nachdem nun die Umformung stattgefunden hat wird das Gewischt wieder Hochgezogen, auf die neue Höhe eingestellt und gesichert. Die probe wird nun wieder mit Hilfe der Digitalen Schieblehre vermessen. Dieser gerade beschriebene Vorgang wird für jede Höhe wiederholt. Wir haben drei Proben in diesem Stauversuch nacheinander gestaucht. Dies geschah für jede Probe nach dem gerade vorgeschriebenen Vorgang. Wichtig: Beim einlegen oder herausnehmen der Probe muss immer das Bärgewicht gesichert werden, indem man die Fallsicherung unterstellt. 4

5 Materialbeschreibung Bei unserem versuch verwendeten wir zwei mal Al 99,9 und Zinn. Da wir eine Zimmertemperatur von ca. 20 C hatten und Aluminium eine Rekristalisationtemperatur von ca. 150 bis 200 C besitzt haben wir bei diesem Werkstoff eine Kaltumformung. Für Zinn gilt eine Rekristallitationstemperatur von 0 C und somit liegt bei Zinn eine Warmverformung vor. Versuchsaufbau 5

6 Berechnung der Fliesskurve Umformgrad h 0 = h = ϕ = Ausgangshöhe Endhöhe Umformgrad ϕ = ln h h 0 Formänderungsarbeit W = H = h = η s = Formänderungsarbeit je Umformung Fallhöhe Stauchhöhe W = Schlagwirkzahl m b g ( H h) s η Die Formänderungsarbeit berechnet sich aus der potenzielle Energie des Bärs, die beim Stauchen in kinetische Energie und beim Aufschlag in Umformarbeit umgewandelt wird. Um bei der Berechnung die Federung zu berücksichtigen wird die Schlagwirkungszahl η s berücksichtigt Berechnung der Schlagwirkungszahl k = m s = m b = Stoßzahlkonstante Masse Schabott 570 kg Masse Bär 252 kg k = 1 unelastisch k = 0,375 Aluminium k = 0 Zinn η s = 1 k m 1+ m 2 s b k = 0 elastisch Spezifische Formänderungsarbeit a = V = Spezifische Formänderungsarbeit Volumen des Prüflings a = W V a = a 1 + a 2 Die spezifische Formänderungsarbeit ist in diesem Stauchversuch eine zu ermittelten Kennlinie, also hängt diese vom Werkstoff ab. 6

7 Spezifische Formänderungsfestigkeit Die Formänderungsfestigkeit k f ist abhängig von Umformgrad, Temperatur und Umformgeschwindigkeit. Bei Erreichen von k f verformt sich das Kristallgitter. Der Wert von k f0 entspricht der Streckgrenze Re oder R p0,2 der Materialprobe. Da k f nicht Konstant ist, wird die Kurve mit der mittleren Formänderungsfestigkeit k fm bezeichnet kfm = mittlere Formänderungsfestigkeit kf ^= Formanderungfestigkeit k fm = a ϕ 7

8 Auswertung der Fließkurven Beim Verglich der beiden Flieskurven für Aluminium fällt auf, dass sie fas deckungsgleich sind. Daraus last sich folgern, dass die Kurve des schnelleren gestauchten Aluminiums ungenauer ist, weil dieser Prüfkörper bei der Verformung sich wahrscheinlich erwärmt hat und die Fallhöhen des Bärs unterschiedlich waren. Die Zinn-Kennlinie im vergleich zu den Aluminium Kennlinien zeigt, dass das Zinn wesentlich weniger Verformungsenergiebedarf benötigt. Das heißt, dass wir beim Zinn warmverformt haben Der Versuch hat gezeigt, dass die Fliesskurve von verschiedenen Messwerten und Einflussfaktoren abhängig ist. Die wichtigsten Faktoren sind jedoch Werkstoff und Temperatur (Warm- bzw. Kaltumformung). Die Umformgeschwindigkeit spielt nur eine Rolle, wenn sie so groß ist, dass beim Stauchen eine Temperaturerhöhung im Werkstoff auslöst und somit zu einer Warmumformung kommt. Fehlereinflüsse beim Stauchversuch Bei der Versuchauswertung kann es zu verfälschten Ergebnissen kommen durch: Grobe Messfehler (falsches Ablesen oder Arbeiten mit defektem Messwerkzeug) Systematische Messfehler (Paralxe oder ungenaue Messwerkzeuge) Falsche eingestellte Fallhöhe Reibverluste in der Probe Reibungsverluste in der Führung des Bären Äußere Einflüsse, wie z.b. Temperatur Innere Einflüsse, wie z.b. Erwärmung durch zu schnelles umformen 8

9 Tabelle Aluminium Probe AL 99,9 Umformung / Schmierstoff Fallwerk m B = 252 kg m S = 570 kg k = diskontinuierlich / 0,375 η S 0, Schlag d 0 d 1 h 0 h 1 H H-h1 W a a kf ϕ ϕ ϕm Bemerkungen mm mm mm mm mm mm Nm Nmm/mm³ Nmm/mm³ Nmm/mm² Nmm/mm² 1 19,96 29,96 25,92 75,00-0,145-0,145-0,072 49,08 72,30 7,71 7,71 113, ,31 21,97 100,00-0,310-0,455-0,300 78,03 114,95 12,26 19,97 124,396 V= 9374,60 mm³ 3 25,53 18,31 125,00-0,492-0,947-0, ,69 157,17 16,77 36,74 134, ,99 15,24 145,00-0,676-1,623-1, ,76 191,16 20,39 57,13 144, ,71 12,66 165,00-0,861-2,485-2, ,34 224,42 23,94 81,07 154, ,76 10,47 185,00-1,051-3,536-3, ,53 257,11 27,43 108,50 163, ,32 8,57 200,00-1,252-4,788-4, ,43 282,01 30,08 138,58 170, ,47 6,94 215,00-1,463-6,250-5, ,06 306,51 32,70 171,28 177, ,40 5,79 230,00-1,644-7,894-7, ,21 330,30 35,23 206,51 185, ,81 4,81 240,00-1,829-9,723-8, ,19 346,48 36,96 243,47 193, ,82 4,12 250,00-1,984-11,707-10, ,88 362,23 38,64 282,11 202,191 k fm 1 19,96 29,86 24,32 100,00-0,209-0,209-0,104 75,68 111,49 11,93 11,93 117, ,17 18,84 150,00-0,464-0,672-0, ,16 193,22 20,68 32,61 130,304 V= 9343,31 mm³ 3 28,79 14,40 200,00-0,733-1,405-1, ,60 273,42 29,26 61,88 144, ,99 10,97 250,00-1,005-2,410-1, ,03 352,13 37,69 99,57 159, ,63 8,00 300,00-1,320-3,730-3, ,00 430,17 46,04 145,61 170, ,13 5,86 350,00-1,632-5,362-4, ,14 506,98 54,26 199,87 182, ,87 4,27 400,00-1,948-7,310-6, ,73 582,98 62,40 262,26 194, ,95 3,11 450,00-2,265-9,575-8, ,89 658,35 70,46 332,72 206,882 9

10 Tabelle Zinn Probe Zinn Umformung / Schmierstoff Fallwerk m B = 252 kg m S = 570 kg k = diskontinuierlich / 0 η S 0, d 0 d 1 h 0 h 1 H H-h1 W a a k fm kf ϕ ϕ ϕm Bemerkungen mm mm mm mm mm mm Nm Nmm/mm³ Nmm/mm³ N/mm² Nmm/mm² 1 24,92 37,55 33,97 75,00-0,100-0,100-0,050 41,03 70,34 3,84 3,84 58, ,00 29,74 110,00-0,233-0,333-0,217 80,26 137,59 7,51 11,35 68,687 V= 18314,54 mm³ 3 30,38 25,27 140,00-0,396-0,729-0, ,73 196,68 10,74 22,09 75, ,35 20,97 170,00-0,583-1,312-1, ,03 255,47 13,95 36,04 81, ,06 16,98 200,00-0,794-2,106-1, ,02 313,74 17,13 53,17 86, ,72 13,40 230,00-1,030-3,136-2, ,60 371,31 20,27 73,45 91, ,37 10,39 255,00-1,285-4,421-3, ,61 419,32 22,90 96,34 94, ,23 7,93 280,00-1,555-5,976-5, ,07 466,39 25,47 121,81 98, ,66 5,94 300,00-1,844-7,820-6, ,06 504,09 27,52 149,33 100, ,55 4,43 320,00-2,137-9,957-8, ,57 540,96 29,54 178,87 103, ,68 3,33 340,00-2,423-12,380-11, ,67 577,13 31,51 210,38 106,837 Schlag 10

11 Spezifische Formänderungsarbeit Al 99,9 langsam Al 99,9 schnell Zinn 11

12 Spezifische Formänderungsfestigkeit Al 99,9 langsam Al 99,9 schnel Zinn 12

13 Originaldatenblatt 13