Die kontinuierliche Herstellung von Tailor Rolled Strips durch Bandprofilwalzen
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1 Die kontinuierliche Herstellung von Tailor Rolled Strips durch Bandprofilwalzen Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Frank Martin Jackel aus Kirchhellen Berichter: Univ.-Prof. (em.) Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. Reiner Kopp Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche Univ. Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirt Tag der mündlichen Prüfung: 27. Januar 2010
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3 WICHTIG: D 82 überprüfen!!! Umformtechnische Schriften Band 153 Frank Martin Jackel Die kontinuierliche Herstellung von Tailor Rolled Strips durch Bandprofilwalzen Shaker Verlag Aachen 2010
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2010) Herausgeber: Univ. Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirt Institut für Bildsame Formgebung der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen Professor Dr.-Ing. Dierk Raabe Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, Düsseldorf Professor em. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Dr.-Ing. E.h. Reiner Kopp Institut für Bildsame Formgebung der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen Copyright Shaker Verlag 2010 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Vorwort des Herausgebers Leichtbau spielt im Automobilbau eine immer wichtigere Rolle, um den Energiebedarf weiter zu reduzieren und der Gewichtszunahme infolge zunehmender Sonderwünsche der Kunden entgegenzuwirken. Die Konstrukteure und Fertigungstechniker sind aufgerufen, Produkte und Prozesse zu entwickeln, die diese Bedingungen erfüllen. In der Umformtechnik sind in der Vergangenheit verschiedene Prozesse realisiert worden, bei denen das Material an die hoch belasteten Stellen eines Produktes gebracht wird, unter anderem durch neue Walzverfahren. Diese Umformprozesse sind flexible Prozesse, bei denen die Werkzeuge während der Umformung kontrolliert positioniert werden. Das flexible Längswalzen hat sich bereits in der industriellen Fertigung bewährt. Bei diesem Verfahren wird der Walzspalt zwischen den beiden zylindrischen Walzen computergesteuert zugestellt, so dass über die Länge des Bandes ein definiertes Profil entsteht. Die Banddicke ist quer dazu konstant. Das in dieser Arbeit behandelte Verfahren verfolgt das Ziel, quer zur Walzrichtung ein Profil einzuwalzen, das über die Bandlänge konstant bleibt. Dies wird mittels schmaler Rollen ermöglicht. Das Verfahren wurde in den theoretischen Grundlagen in einer vorausgegangen Dissertation bearbeitet. In der vorliegenden Arbeit sollte der Schritt zur Anwendung des Verfahrens in der Praxis grundlegend analysiert werden und alle noch offenen Fragen in diesem Zusammenhang geklärt werden. Prof. Dr.-Ing. Reiner Kopp
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7 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bildsame Formgebung (IBF) der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Kopp für die Betreuung und Unterstützung bei der Durchführung der Arbeit, sowie die fruchtbaren Diskussionen und Anregungen. Herrn Professor Groche danke ich für das Interesse an dieser Arbeit und für die Übernahme des Koreferates. Besonders bedanke ich mich zudem bei Herrn Professor Hirt, Direktor des Institutes für Bildsame Formgebung, für die Übernahme des Koreferates und für die überaus angenehme Zusammenarbeit und Unterstützung am Institut seit seiner Übernahme der Institutsleitung. Für die Ermöglichung und großartige Unterstützung der Forschungsarbeit durch die Bereitstellung einer Versuchsanlage danke ich Herrn Thomas Krückels, geschäftsführender Gesellschafter der Firma Dreistern GmbH & Co. KG aus Schopfheim. Zudem schulde Herrn Frank Bertram aus dem Hause Dreistern ganz besonderen Dank für unsere konstruktiven, interessanten und reflektierenden Gespräche rund um die Forschung und andere Themen. Ohne ihn wäre diese Arbeit in dieser Form nicht umsetzbar gewesen. Herrn Dr. Baldner, ehemaliger Oberingenieur am IBF, danke ich herzlich für viele konstruktive aber auch zum Teil kontrovers geführte Diskussionen während meiner Institutszeit und seine tatkräftige Unterstützung bei der Übernahme der Organisation des Lehrbetriebes am IBF und bei der erfolgreichen Umstellung auf das Bachelor/Master-System in der Fachgruppe. Weiterhin danke ich Herrn Markus Bambach, neuer Oberingenieur am IBF, für die stetige Hilfsbereitschaft bei Problemen mit FEM-Simulationen. Bei allen Mitarbeitern der elektrischen und mechanischen Werkstatt, insbesondere bei Herrn Joachim Sieprath, Herrn Guido Sauder, Herrn Hubert Schulz, Herrn Manuel Poelmeyer bedanke ich mich ganz herzlich für Ihre hervorragende Mithilfe, dafür, dass der eine oder andere Auftrag im Rahmen der Forschungsarbeit bevorzugt behandelt wurde und für die angenehme Arbeitsatmosphäre während meiner Zeit am IBF.
8 Weiterhin danke ich allen ehemaligen IBF-Kollegen, die zu einem Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Darüber hinaus danke ich meinen ehemaligen Gruppenkollegen, Cornel Abratis, Jochen Ames, Heru Atmadja, Harald Dackweiler, Alexander Meyer, Marc Nutzmann und Koos van Putten für die schöne Zeit am Institut und die gute Zusammenarbeit. Mein besonderer Dank gilt meinem langjährigen Bürokollegen Herrn Johan van Santen, der mich stets mit Rat und Tat unterstützt, mir hilfreiche Tipps bei Versuchen und Auswertungen gegeben hat und natürlich für die überaus angenehme Büroatmosphäre während unserer gemeinsamen Zeit. Mein aufrichtiger Dank gilt meinen Studien- und Diplomarbeitern und meinen studentischen Mitarbeitern, die durch ihre Mitarbeit, ihre Einsatzbereitschaft und ihre kritische Begeleitung der Arbeit wesentlich zum Gelingen beigetragen haben. Hier sind besonders Jascha Marnette, Philip Schmitz, Harald Siebke und Martin Storbeck zu nennen. Durch sie wurden die teilweise die umfangreichen Versuche und Simulationen maßgeblich unterstützt. Meiner Familie, die mir meine Ausbildung und meinen beruflichen Werdegang ermöglicht haben und mich stets in allen Lebenslagen tatkräftig unterstützt haben, danke ich von ganzem Herzen. Insbesondere meiner Frau Claudia gilt mein herzlicher Dank für die Unterstützung, das stetige Motivieren, Ihren Ansporn und Ihr Verständnis, wenn ich doch mal wieder länger als versprochen am Schreibtisch saß.
9 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Survey Aufgabenstellung Stand der Technik Leichtbauweisen Verfahren zur Herstellung von Vormaterial für den konstruktiven Leichtbau Fügetechnisch hergestelltes Vormaterial Umformtechnisch hergestelltes Vormaterial Anpassung der Wanddickenverteilung im fertigen Blechformteil Bandprofilwalzen zur Erzeugung von Bändern mit definiertem Querschnittsprofil Klassifizierung von Tailored Products Systematische Untersuchungen zum Materialfluss beim Bandprofilwalzen Theoretische Betrachtung der Grundlagen FEM-Modelle zum Bandprofilwalzen Aufbau des Simulationsmodells Möglichkeiten zur Reduzierung der Simulationsrechenzeit Materialdaten und Randwertermittlung Rollen- und Netzgeometrie Vergleich der FEM-Simulationen mit experimentellen Daten Simulation des Materialflusses beim Bandprofilwalzen Betrachtung des Einflusses einzelner Parameter auf die Wulstbildung Einfluss der verdrängten Querschnittsfläche A V Einfluss der Banddicke h Einfluss des Rollenradius r Einfluss von Materialkennwerten Einfluss des seitlichen Rillenabstandes d R zur Bandkante Einfluss der Platinenbreite FEM-Optimierung der Rollengeometrie beim Bandprofilwalzen Optimierung der Rollengeometrie für den ersten Stich Einfluss der Massenskalierung auf Simulationsergebnisse FEM-Optimierung der Rollengeometrie für mehrere Walzstiche Entwicklung einer produktionsreifen Prozessführung Beschreibung der Versuche und Versuchsziel Aufbau und Messtechnik der Versuchsanlage Berechnung der elastischen Auffederung beim Bandprofilwalzen Rollengeometrie für Walzversuche I
10 Inhaltsverzeichnis Abschätzung der Walzkräfte Fertigungsstrategien zur Herstellung von Tailor Rolled Strips Variation der Stichabnahme und seitlichem Versatz Vergleich zwischen einseitigem und beidseitigem Bandprofilwalzen Formabweichungen des Bandes beim Bandprofilwalzen Erhöhung der Breitung durch Glättungsstiche Einfluss des Bandprofilwalzens auf den Korrosionsschutz Weiterverarbeitung durch Rollprofilieren Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Ausblick Konstruktion eines modularen Rollenwerkzeugs Weiterentwicklung des Bandprofilwalzens Bandprofilwalzen von Tailor Rolled Blanks Zusammenfassung Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis II
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