TY - THES

T1 - Mehrkörperanalyse und Digitalisierung des Einbauzustands von Schmiedewerkzeugen

AU - Hoffer, Johannes Georg

N1 - gesperrt bis 13-09-2024

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Class 1 Schmiedeteile in der Aerospace-Branche sind Bauteile mit höchsten Sicherheits- und Qualitätsanforderungen und dürfen unter keinen Umständen vorzeitig versagen. Die Herstellung dieser hochkritischen Teile bedarf einer auf Qualität ausgelegten Fertigungsstrategie mit maximaler Produktionsprozessstabilität. Bei Turbinenscheiben aus IN 718 handelt es sich um Class 1 Bauteile, dessen mechanische Eigenschaften besonders sensibel auf gewisse Produktionsparameter, wie die Umformung, reagieren. Deshalb ist es bei der Herstellung von Turbinenscheiben essentiell, dass die tatsächliche Umformung in der Produktion der Umformung aus der Prozessauslegung möglichst genau entspricht. Aufgrund des Umformwiderstands des Scheibenwerkstoffs und dessen Geometrie müssen hohe Schmiedekräfte aufgebracht werden, um das Schmiedeteil in die gewünschte Form zu bringen. Die dafür notwendigen Aggregate, müssen das Bauteil besonders genau umformen. Die Schmiedepresse gibt während der Umformung der Schmiedeteile elastisch nach und beeinflusst damit die Umformung im Schmiedeteil. Diese Tatsache lässt sich nicht vermeiden und erfordert somit die genaue Kenntnis über die Nachgiebigkeit der Presse bzw. deren Einfluss auf die Umformung im Schmiedeteil. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Nachgiebigkeit der Schmiedepresse auf die Umformung von Turbinenscheiben untersucht. Dabei wird der Fokus auf die Finite-Elemente (FE) Simulation des Einbauzustands von Schmiedewerkzeugen gelegt. Darüber hinaus steht die Auswahl einer geeigneten Sensorik zur Messung des Abstands zwischen Ober- und Untergesenk möglichst nah am Bauteil im Vordergrund, wodurch die Umformung des Bauteils genauer mitgemessen werden kann. Die Untersuchung des Einflusses der Nachgiebigkeit der Schmiedepresse auf die Umformung der Schmiedeteile wurde durch eine FE-Mehrkörpersimulation der verbauten Werkzeugkomponenten realisiert. Die im Eingriff stehenden Hauptwerkzeugkomponenten sind der Werkzeughalter, der Matrizenhalter und die Matrize, die für die Formgebung des Schmiedeteils verantwortlich ist. Die Mehrkörpersimulation des Werkzeugeinbauzustands zeigte einerseits eine starke, inhomogene Nachgiebigkeit der Matrize, sowie andererseits eine geringe Nachgiebigkeit des Matrizen- und Werkzeughalters. Basierend auf der Simulation konnte eine stärkere Nachgiebigkeit der Matrize im Zentrum beobachtet werden, die um ca. 2mm höher war als im Randbereich. Zur Messung des Gesenkabstands zwischen Ober- und Untergesenk wurde die aktuell verbaute Sensorik an der Schmiedepresse untersucht. Dadurch wurde ersichtlich, dass die Sensorik die Umformung im Schmiedeteil nicht ausreichend genau abbilden kann und daher ein weiteres Messsystem in Schmiedeteilnähe erfordert. Im weiteren Verlauf wurden unterschiedliche handelsübliche Messsysteme miteinander verglichen und die geeignetsten Messsysteme in einem Versuch im Betrieb getestet. Die rauen Umgebungsbedingungen, wie hohe Temperaturen weit über 300°C, sowie die Verunreinigung aufgrund des Schmiermittels, schränkten die Auswahl möglicher Messsysteme stark ein. Selbst relativ robuste Sensorik, wie induktive- und kapazitive Sensoren, waren dem Anforderungsprofil nicht gewachsen. Optische Messsysteme konnten aufgrund des Einbauzustands der Werkzeuge, bei dem der obere Werkzeughalter den unteren Werkzeughalter während der Umformung umschließt und dadurch die Sicht zum Schmiedeteil versperrt, nicht verwendet werden. Als mögliches System zur Messung des Gesenkspalts eignen sich lediglich berührende Messmethoden. Eine bereits etablierte Messmethode stellt das Einlegen von Aluminium-Quadern in den Rand der unteren Matrize vor der Umformung mit einer anschließenden Vermessung der umgeformten Quader dar. Zur reproduzierbaren Messung des Gesenkspalts kann ein automatisches Positionierungssystem von Aluminium-Quadern in die Matrize empfohlen werden, mit einer anschließenden automatischen Vermessung der umg

AB - Class 1 Schmiedeteile in der Aerospace-Branche sind Bauteile mit höchsten Sicherheits- und Qualitätsanforderungen und dürfen unter keinen Umständen vorzeitig versagen. Die Herstellung dieser hochkritischen Teile bedarf einer auf Qualität ausgelegten Fertigungsstrategie mit maximaler Produktionsprozessstabilität. Bei Turbinenscheiben aus IN 718 handelt es sich um Class 1 Bauteile, dessen mechanische Eigenschaften besonders sensibel auf gewisse Produktionsparameter, wie die Umformung, reagieren. Deshalb ist es bei der Herstellung von Turbinenscheiben essentiell, dass die tatsächliche Umformung in der Produktion der Umformung aus der Prozessauslegung möglichst genau entspricht. Aufgrund des Umformwiderstands des Scheibenwerkstoffs und dessen Geometrie müssen hohe Schmiedekräfte aufgebracht werden, um das Schmiedeteil in die gewünschte Form zu bringen. Die dafür notwendigen Aggregate, müssen das Bauteil besonders genau umformen. Die Schmiedepresse gibt während der Umformung der Schmiedeteile elastisch nach und beeinflusst damit die Umformung im Schmiedeteil. Diese Tatsache lässt sich nicht vermeiden und erfordert somit die genaue Kenntnis über die Nachgiebigkeit der Presse bzw. deren Einfluss auf die Umformung im Schmiedeteil. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Nachgiebigkeit der Schmiedepresse auf die Umformung von Turbinenscheiben untersucht. Dabei wird der Fokus auf die Finite-Elemente (FE) Simulation des Einbauzustands von Schmiedewerkzeugen gelegt. Darüber hinaus steht die Auswahl einer geeigneten Sensorik zur Messung des Abstands zwischen Ober- und Untergesenk möglichst nah am Bauteil im Vordergrund, wodurch die Umformung des Bauteils genauer mitgemessen werden kann. Die Untersuchung des Einflusses der Nachgiebigkeit der Schmiedepresse auf die Umformung der Schmiedeteile wurde durch eine FE-Mehrkörpersimulation der verbauten Werkzeugkomponenten realisiert. Die im Eingriff stehenden Hauptwerkzeugkomponenten sind der Werkzeughalter, der Matrizenhalter und die Matrize, die für die Formgebung des Schmiedeteils verantwortlich ist. Die Mehrkörpersimulation des Werkzeugeinbauzustands zeigte einerseits eine starke, inhomogene Nachgiebigkeit der Matrize, sowie andererseits eine geringe Nachgiebigkeit des Matrizen- und Werkzeughalters. Basierend auf der Simulation konnte eine stärkere Nachgiebigkeit der Matrize im Zentrum beobachtet werden, die um ca. 2mm höher war als im Randbereich. Zur Messung des Gesenkabstands zwischen Ober- und Untergesenk wurde die aktuell verbaute Sensorik an der Schmiedepresse untersucht. Dadurch wurde ersichtlich, dass die Sensorik die Umformung im Schmiedeteil nicht ausreichend genau abbilden kann und daher ein weiteres Messsystem in Schmiedeteilnähe erfordert. Im weiteren Verlauf wurden unterschiedliche handelsübliche Messsysteme miteinander verglichen und die geeignetsten Messsysteme in einem Versuch im Betrieb getestet. Die rauen Umgebungsbedingungen, wie hohe Temperaturen weit über 300°C, sowie die Verunreinigung aufgrund des Schmiermittels, schränkten die Auswahl möglicher Messsysteme stark ein. Selbst relativ robuste Sensorik, wie induktive- und kapazitive Sensoren, waren dem Anforderungsprofil nicht gewachsen. Optische Messsysteme konnten aufgrund des Einbauzustands der Werkzeuge, bei dem der obere Werkzeughalter den unteren Werkzeughalter während der Umformung umschließt und dadurch die Sicht zum Schmiedeteil versperrt, nicht verwendet werden. Als mögliches System zur Messung des Gesenkspalts eignen sich lediglich berührende Messmethoden. Eine bereits etablierte Messmethode stellt das Einlegen von Aluminium-Quadern in den Rand der unteren Matrize vor der Umformung mit einer anschließenden Vermessung der umgeformten Quader dar. Zur reproduzierbaren Messung des Gesenkspalts kann ein automatisches Positionierungssystem von Aluminium-Quadern in die Matrize empfohlen werden, mit einer anschließenden automatischen Vermessung der umg

KW - Aerospace Turbine Discs

KW - Closed-Die-Forging

KW - Screwpress

KW - Die-Stress-Simulation

KW - Sensorics

KW - Process Data

KW - Turbinenscheiben für die Luftfahrt

KW - Gesenkschmieden

KW - Spindelpresse

KW - Werkzeug-Belastungssimulation

KW - Sensorik

KW - Datenanalyse

M3 - Masterarbeit

ER -