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Ausgewählte Ausgabe: 11-12-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Materialmodelle zur Berechnung der Autofrettage

Der aktuelle Entwicklungsstand sowie der zukünftige Fortschritt in der Automobilindustrie wären ohne hochfeste, massivumgeformte Bauteile aus metallischen Werkstoffen kaum vorstellbar. Gleichzeitig hat die Steigerung von Bauteileigenschaften durch das gezielte Einbringen von Eigenspannungen in vielen industriellen Bereichen eine herausragende Bedeutung erlangt. Immer leistungsfähigere Werkzeuge zur Simulation derartiger Prozesse mit nachfolgender Auswertung von Bauteileigenschaften liefern dabei einen unverzichtbaren Beitrag. In der vorliegenden Abhandlung wird die Eignung der FEM-Software „Ansys“ hinsichtlich verfügbarer Materialmodelle zur Autofrettage-Berechnung – im Vergleich zur Umformsimulationssoftware „Forge“ – zusammenfassend bewertet.


In funktionskritischen Bereichen kommen insbesondere an der Bauteil-oberfläche Eigenschaften wie Rauheit, lokaler Festigkeit und Eigenspannungen eine zentrale Rolle zu. Die Verbesserung der Randzoneneigenschaften basiert dabei häufig auf gezielter plastischer Deformation des Werkstoffs. Vorwiegend kommt diese in funktionskritischen Bereichen zum Einsatz. Bei innenhochdruck-beaufschlagten Komponenten, wie sie beispielsweise im Bereich von Einspritzsystemen zur Anwendung kommen (z. B. Common-Rails), werden diese Effekte über die sogenannte hydraulische Autofrettage erzeugt. Bei diesem Prozessschritt werden die Bauteile zunächst einem – im Vergleich zum späteren Betriebsdruck – stark überhöhten Innendruck ausgesetzt. Dies hat zur Folge, dass das Bauteil in Bereichen des Innendurchmessers plastifiziert und sich nach Entlastung der lediglich elastisch verformten äußeren Bereiche lokal oberflächen-nahe Druckeigenspannungen einstellen.

Materialmodellierung entscheidend

Die konstruktive Gestaltung derartiger Komponenten erfordert bereits ab dem Anfangsstadium eine Berücksichtigung späterer Prozessparameter des Autofrettage-Verfahrens. Im Zuge der langjährigen Erfahrung in der Fertigung derartiger Komponenten konnte die Hirschvogel Automotive Group umfassendes Know-how zu erforder- lichen Kennwerten aufbauen. Aus diesem Grund kann eine frühzeitige Einbindung des späteren Bauteillieferanten in den Entwicklungsprozess signifikante Vorteile bieten. Des Weiteren hat sich Hirschvogel dazu entschlossen, unter dem Branding „Hirschvogel Tech Solutions“ derartige Entwicklungsleistungen zukünftig auch unabhängig von potenziellem Seriengeschäft anzubieten.
Im Zuge dieses Entwicklungsprozesses kommt sinnvollerweise FEM-Software zur Anwendung. Die korrekte Abbildung der Autofrettage in der Simulation erfordert dabei sowohl ausgeprägte Erfahrung zum jeweils vorliegenden Materialverhalten als auch die softwaretechnische Umsetzung anhand nichtlinearer Werkstoffmodelle. Im Mittelpunkt steht eine bei vielen duktilen Metallen beobachtete Erscheinung – der sogenannte Bauschingereffekt. Dieser beschreibt die richtungsabhängige Änderung der Elastizitätsgrenze nach einer primären plastischen Verformung. Infolgedessen stellt sich nach vorausgehender plastischer Verformung und Umkehr der Belastungsrichtung eine verringerte Fließspannung im Vergleich zur initialen Elastizitätsgrenze ein.

Bild 1 Isotroper, kinematischer und kombinierter Verfestigungsmechanismus

Bild 1
Isotroper, kinematischer und kombinierter Verfestigungsmechanismus


Zyklische Plastizitätseffekte werden in FEM-Softwarelösungen zumeist mit Materialmodellen für die in Bild 1 veranschaulichten Gesetze kinematischer und isotroper Verfestigung realisiert. Dabei wird deutlich, dass der Bauschingereffekt (|σel2| < |σel|) lediglich bei einer Beteiligung von kinematischer Verfestigung berücksichtigt werden kann. Hierbei entspricht die Differenzspannung (nach Lastumkehr und Fließbeginn unter Druck) der doppelten initialen Fließspannung (σel). Im Gegensatz dazu ergibt sich bei isotroper Verfestigung die Differenzspannung aus der doppelten Maximalspannung vor Lastumkehr (σmax).

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Autoren

 Florian Sanladerer

Hirschvogel Umformtechnik GmbH
Dr.-Manfred-Hirschvogel-Straße 6
86920 Denklingen
 www.hirschvogel.com

B.A. Jochen Heizmann

Hirschvogel Umformtechnik GmbH
Dr.-Manfred-Hirschvogel-Straße 6
86920 Denklingen
E-Mail: jochen.heizmann@hirschvogel.com
www.hirschvogel.com

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