DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Simulationsbasierte Optimierung eines Ultraschallmessverfahrens zur Bewertung der Montagequalität armierter Werkzeuge für die Kaltmassivumformung

Alexander Putz, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT), Universität Erlangen-Nürnberg Elfgard Kühnicke, Institut für Akustik und Sprachkommunikation (IAS), TU Dresden
Kontakt: Dipl.-Ing. Alexander Putz

In der Kaltmassivumformung wird die Qualität armierter Werkzeugsysteme primär durch die erreichbare Lebensdauer bestimmt. Diese wird vom vorherrschenden Vorspannungszustand beeinflusst, dessen quantitative Auslegung für die Prozesssicherheit von zentraler Bedeutung ist [1]. Insbesondere fertigungstechnisch bedingte Toleranzen der geometrischen Abmessungen von Armierungsring und Matrize sowie Unzulänglichkeiten beim mechanischen Einpressen führen zu Vorspannungswerten, die sich von Werkzeugsatz zu Werkzeugsatz erheblich unterscheiden können. Zusätzlich beeinflusst die Homogenität des Vorspannungszustandes über den Umfang der rotationssymmetrischen Werkzeuge die Qualität des Werkzeuges. Mit einem am LFT entwickelten Messverfahren kann auf Basis der Ultraschalltechnik der Vorspannungszustand von Werkzeugverbünden überprüft werden.
Die im Folgenden dargestellten Untersuchungen zielten darauf ab, das Auflösungsvermögen des Messverfahrens zu erhöhen. Dies wurde durch Optimierung der Messanordnung von Ultraschallprüfkopf und Prüfkörper erreicht, so dass eine kleinstmögliche empfindliche Zone des Schallkegels auf der Kontaktfläche zwischen innerem und äußerem Armierungsring erreicht werden konnte. Die Optimierung wurde am IAS mit Hilfe von Schallfeldsimulationsrechnungen durchgeführt und wurde anhand von Ultraschallmessungen an Schrumpfverbänden mit definierten Merkmalen am LFT verifiziert.

Einleitung

Unter Kaltmassivumformung versteht man das Umformen von metallischen, nichtblechförmigen Werkstoffen bei Raumtemperatur. Die dafür eingesetzten modular aufgebauten Werkzeugsysteme bestehen aus einem formgebenden Matrizenkern und einzelnen Armierungsringen, die beim Montagevorgang durch mechanisches Einpressen unter Vorspannung gesetzt werden. Dabei wird die radiale Vorspannung durch ein geometrisches Übermaß des Außendurchmessers der Matrize gegenüber dem Innendurchmesser des Schrumpfringes erzeugt. Die Qualität dieses Schrumpfverbandes wird durch Maß- und Formtoleranzen und durch den Montagevorgang erheblich beeinflusst [2]. Durch die signifikante Abhängigkeit der Werkzeuglebensdauer vom Vorspannungszustand ist die Notwendigkeit der Messung der Kontaktspannungsverteilung im vorgespannten Werkzeug gegeben. Daher wurde am LFT ein Ultraschallprüfstand entwickelt, mit dem die Möglichkeit besteht, die Verbindungsqualität von Schrumpfverbänden mit dem Impuls-Echo-Verfahren zu überprüfen [3]. Bild 1 zeigt den Aufbau des Tauchbeckens, in dem die Messungen erfolgen. Die Positionierung des Prüfkopfs und des Werkzeugs zueinander wird durch zwei translatorische und eine rotatorische Achse ermöglicht. Damit kann die gesamte Mantelfläche bzw. die Kontaktfuge zwischen Matrize und Armierung vom Schallfeld des Prüfkopfs erfasst und abgescannt werden.

Bild 1: Aufbau des Ultraschallprüfstandes, links, C-Bild der Kontaktfuge, rechts [3]

Im Mittelpunkt der Auswertung steht das reflektierte Ultraschallsignal aus der Kontaktfuge zwischen Werkzeugmatrize und Armierungsring. Bei der Darstellung des C-Bildes wird die Homogenität des Kontaktzustandes über den Umfang sichtbar. Bild 1 zeigt einen Ausschnitt eines C-Bildes eines in der Praxis eingesetzten Umformwerkzeuges. In den rot gefärbten Zonen wurden stärkere Reflexionen gemessen, was auf einen verminderten Kontaktzustand in diesen Bereichen schließen lässt. Dies hat einen inhomogenen Vorspannungszustand über den gesamten Umfang zur Folge, der sich negativ auf die Beanspruchung der formgebenden Matrize beim Umformprozess auswirkt.
Ziel eines am LFT laufenden Projektes ist es, die Homogenität bzw. die Höhe der vorherrschenden Kontaktspannung mit einer hohen Ortsauflösung zu bestimmen [4]. Durch die wie eine Linse wirkende rotationssymmetrische Geometrie der zu prüfenden Werkzeuge bzw. Prüfkörper kommt es zu einer starken Divergenz des Schallfeldes nach der Einkopplung und somit zu einem reduzierten Auflösungsvermögen in Umfangsrichtung. Der Schwerpunkt der vorgestellten Arbeit liegt in der Kompensation dieses Effekts durch geeignete Wahl des Prüfkopfs und der Wasservorlaufstrecke. Die Vorgehensweise der Optimierung, mit der eine kleinstmögliche empfindliche Zone auf der Kontaktfläche des Schrumpfverbandes eingestellt werden konnte, wird im Folgenden vorgestellt.

Experimentelle Untersuchungen

Für die Optimierung des Messverfahrens wurden drei Schrumpfverbände mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einem Innendurchmesser von 40 mm gefertigt. Auf der Außenkontur des Innenrings wurden vor der Montage definierte Merkmale aufgebracht. Es wurden Innenringe mit Axial- und Umfangsrillen sowie ein Innenring mit Bohrungen unterschiedlicher Durchmesser gefertigt. Die Tiefe der eingeschliffenen Rillen beträgt in beiden Fällen 0,5 mm bei einem Rillenabstand von 2 mm. Die Bohrungen wurden ebenfalls in äquidistanten Abständen mit den Durchmessern 8 mm, 6 mm, 4 mm, 2 mm und 1 mm auf dem Innenring angebracht. Bild 2 zeigt die Schrumpfverbände mit den aufgebrachten Merkmalen der Innenringe vor und nach dem Fügevorgang.
Die Schrumpfverbände wurden thermisch gefügt, um eine reine Normalbeanspruchung der Rauheitsspitzen beim Fügevorgang zu gewährleisten sowie Reibeffekte durch mechanisches Einpressen zu vermeiden. Die Schrumpfverbände wurden anschließend im Tauchbecken mittels Ultraschall auf ihre Verbindungsqualität geprüft. Im Bild 3 ist eine Messanordnung exemplarisch dargestellt.

Bild 2: Schrumpfverbände als Prüfkörper für die Optimierung des Messverfahrens

Bild 3: Beispiel einer Messanordnung für PK 10 (Fokusabstand in Wasser: F = 135 mm)

Optimierung durch Schallfeldsimulation

Bei der Ultraschallprüfung der Schrumpfverbände ist eine anwendungsbezogene Anpassung der Messanordnung und des Ultraschallwandlers an die Geometrie des zu prüfenden Schrumpfverbandes und die Lage der Kontaktfuge erforderlich. Die Optimierung des Messverfahrens erfolgte durch Schallfeldsimulationsrechnungen [5], mit deren Hilfe die Auswahl eines geeigneten Prüfkopfs (aus zehn am LFT vorhandenen Prüfköpfen) sowie die Wahl der Wasservorlaufstrecke getroffen wurden. Tabelle 1 zeigt die Parameter der im Rahmen dieser Arbeit ausgewählten und verwendeten Prüfköpfe.

Prüfkopf
(PK)
Mittenfrequenz f Schwingerdurchmesser d Fokusabstand in
Wasser F
10 10,0 MHz 12,7 mm 135,0 mm
3 14,3 MHz 12,7 mm 161,4 mm
4 8,9 MHz 12,7 mm 80,8 mm
6 10,0 MHz 19,1 mm 52,3 mm
Tabelle 1: Ausgewählte und verwendete Prüfköpfe

Für die ausgewählten Prüfköpfe wurde durch Variation der Wasservorlaufstrecke die kleinste empfindliche Zone des Schallkegels auf der Kontaktfläche zwischen Innen- und Außenring gesucht. Die Simulationsrechnungen basieren auf einer Separationsmethode - einer separaten Berechnung der Wellenausbreitung in jeder einzelnen Schicht mit Hilfe von Green'schen Funktionen. Das Feld für den endlich ausgedehnten Wandler wird durch Superposition der Felder aller Punktquellen gewonnen. Das Schallfeld im Prüfkörper wird entsprechend den Prüfkopfparametern, der Probengeometrie und der Prüfanordnung berechnet. Aus der Variation der Parameter lässt sich eine bezüglich der Fokuslage optimierte Prüfanordnung bestimmen. Bei den Simulationsrechnungen wurde von der gemessenen Fokuslage in Wasser ausgegangen und entsprechend der vom Hersteller angegeben Werte für Schwingerdurchmesser und Mittenfrequenz sowie der in Wasser gemessenen Fokuslage die Linsenkrümmung bestimmt. Ein solches Vorgehen war erforderlich, um bei den Berechnungen den realen Daten des Prüfkopfs möglichst nahe zu kommen, insbesondere da sich zeigte, dass die vom Hersteller angegeben Fokusabstände von den aktuell gemessenen Fokuslagen erheblich abwichen. Die Bilder 4, 5 und 8 zeigen berechnete Schallfelder entsprechend den Parametern in Tabelle 1 für die bereits beschriebenen Schrumpfverbände. Dargestellt ist jeweils die Abwicklung des Schallfeldquerschnittes auf der Kontaktfläche (oben) und der Längsschnitt des Schallfeldes im Schrumpfverband in Ausbreitungsrichtung (unten), wobei sich die Oberfläche des Außenringes bei z = 0 befindet. Zur Verdeutlichung der Fokuslage wurde die Kontaktfläche im Längsschnitt nicht dargestellt.

Zur Prüfung der Schrumpfverbände wurde entsprechend der Herstellervorgaben der Prüfkopf PK 10 angeschafft, der einen Fokusabstand in Wasser von 135 mm besitzt. Für diesen Prüfkopf ergibt sich nach der Faustregel S = 1/4 · F (vgl. Bild 3) eine Wasservorlaufstrecke von 15 mm bei einer Fokuslage von 30 mm in Stahl bei einer ebenen Einkoppelfläche.

Bild 4: Optimierung der Messanordnung für PK 10 durch Variation der Vorlaufstrecke

Für den Prüfkopf PK 10 wurde die Optimierung der Messanordnung durchgeführt. Bild 4a zeigt das berechnete Schallfeld für eine Vorlaufstrecke von 15 mm. Das Maximum des Längsschnittes liegt bei z = 30 mm auf der Kontaktfläche. Das auf Grund der konvexen Einkoppelfläche sehr divergente Schallfeld weist in horizontaler Richtung zwei relativ große Nebenstrukturen auf (Bild 4a). Die gewünschte Fokussierung erfolgt ausschließlich in vertikaler Richtung (senkrecht zur Krümmung). Dies zeigen die Abmessungen der 5 dB-Zone des Querschnittes, die in vertikaler Richtung 2,3 mm bis 2,6 mm betragen. In horizontaler Richtung hingegen treten durch die Divergenz des Schallfeldes drei empfindliche Zonen auf. Die Ausdehnung der 5 dB-Zone ist in diesem Fall größer als 15 mm. Die Schallfelder (Bild 4a bis Bild 4c) zeigen das Vorgehen bei der Optimierung der Messanordnung durch Änderung des Wasservorlaufs. Durch dessen Verlängerung wird das Schallfeld deutlich schmaler und die empfindliche Zone auf der Kontaktfläche in horizontaler Richtung wesentlich kleiner. Da eine Vergrößerung des Vorlaufs aus messtechnischen Gründen grundsätzlich jedoch nicht angestrebt wird, wurden die anderen vorhandenen Prüfköpfe auf ihre Eignung untersucht.

Bild 5 zeigt die Schallfelder optimierter Messanordnungen für die Prüfköpfe PK 3, PK 4 und PK 6. PK 4 (F = 81 mm, Bild 5c) wurde aus den vorhandenen Prüfköpfen ausgewählt, da er bei noch relativ kleinem Vorlauf (V = 35 mm) die kleinste empfindliche Zone in horizontaler sowie vertikaler Richtung besitzt. Die Bilder 5a und 5b zeigen Beispiele für kleine Abmessungen der empfindlichen Zone in nur einer Richtung (Bild 5a, vertikal und Bild 5b, horizontal). PK 3 fokussiert entsprechend der Faustregel bei einem Vorlauf von 45 mm in vertikaler Richtung auf die Kontaktfläche (Bild 5a). Dieser Prüfkopf verhält sich ähnlich wie PK 10, die empfindliche Zone auf der Verbindungsfläche ist jedoch etwas kleiner. Das im Bild 5b dargestellte Schallfeld für PK 6 weist bei z = 10 mm die geringsten Abmessungen in vertikaler Richtung auf (vertikaler Fokus), siehe Bild 5d, während das Schallfeld auf der Kontaktfläche bei z = 30 mm die geringsten Abmessungen in horizontaler Richtung besitzt (horizontaler Fokus). Da dieser Prüfkopf sehr stark fokussiert und sich der Fokus in vertikaler Richtung bereits weit vor der Kontaktfläche befindet, ergibt sich auf Grund der Divergenz des Schallfeldes nach dem Fokuspunkt eine sehr große 5 dB-Zone in vertikaler Richtung (> 15 mm).

Bild 5: Optimierung der Messanordnung für verschiedene Prüfköpfe: a) invertikaler Richtung, b) in horizontaler Richtung, c) in beiden Richtungen

Bild 6 zeigt die Abwicklung der C-Bilder der Kontaktfuge für einen entsprechend der Faustformel ausgewählten Prüfkopf PK 3 (siehe auch Bild 5a) und den auf Basis der Optimierungsrechnungen vorgeschlagenen Prüfkopf PK 4. In Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen (Bild 5a und Bild 5c) werden mit PK 4 die besten Ergebnisse bezüglich der Auflösung der Axial- und Umfangsrillen sowie der Bohrungen erzielt. Die schlechte Abbildung der Umfangslinien durch PK 3 erscheint verwunderlich, da das Schallfeld dieses Prüfkopfs eine extrem schmale Zone in vertikaler Richtung besitzt. Auch weitere Messungen zeigten, dass bei schlechter horizontaler Fokussierung trotz einer sehr guten vertikalen Fokussierung die Umfangsrillen nur schlecht abgebildet werden können. Es ist zu vermuten, dass die außermittig reflektierten Signale der Nebenstrukturen eine gleich große oder sogar größere Amplitude als das Signal aus der Mitte besitzen. Dies führt zu Laufzeit- und damit verbundenen Abbildungsfehlern. Es konnte experimentell für PK 4 nachgewiesen werden, dass bei einem Vorlauf von 5 mm, bei dem die Rechnung zwei empfindliche Zonen in horizontaler Richtung auf der Kontaktfläche ergibt, die Umfangsrillen schlechter abgebildet werden, als bei einem Vorlauf von 35 mm, bei dem nur eine empfindliche Zone auf der Kontaktfläche auftritt (Bild 7). Dieses Ergebnis ist besonders herauszustellen, da eine Verbesserung der Auflösung der Umfangslinien (d.h. in vertikaler Richtung) erzielt wird, obwohl die empfindliche Zone in vertikaler Richtung größere Abmessungen besitzt.

Bild 6: Vergleich der Ultraschallmessergebnisse für PK 3 und PK 4
Bild 7: Vergleich der Messergebnisse für PK4: Vorlauf 5 mm und Vorlauf 35 mm

Zur fortführenden Optimierung des Messverfahrens wurde ein weiterer Schrumpfverband mit einem Außendurchmesser von da = 200 mm und einem Innendurchmesser von di = 150 mm gefertigt. Bei diesem Schrumpfverband wurde wiederum die Außenfläche des Innenrings in äquidistanten Abständen mit Bohrungen versehen (Durchmesser: 8 mm, 6 mm, 4 mm, 2 mm, 1 mm). Die durchgeführte Optimierung der Messanordnung bzw. die Auswahl eines geeigneten Prüfkopfs erfolgte wiederum auf Basis von Simulationsrechnungen am IAS.

Das Bild 8a zeigt den Quer- und den Längsschnitt des Schallfeldes für den Prüfkopf PK 10. Eine kleinstmögliche empfindliche Zone auf der Kontaktfläche konnte durch die Auswahl von PK 4 und einer Optimierung der Messanordnung erreicht werden, für die die Schallfelder im Bild 8b bzw. Bild 8c dargestellt sind.

Die Ergebnisse der Ultraschallmessungen mit PK 4 (Bild 9) zeigen entsprechend der Simulationsergebnisse (Bild 8) eine wesentlich bessere Auflösung der Bohrungen als die Messungen nach Faustregel mit PK 10. Eine geringfügige Veränderung des Vorlaufs bei PK 4 (Bild 8b und Bild 8c) verringert die Abmessungen der empfindlichen Zone in horizontaler Richtung um ca. 20%. Dadurch wird nochmals eine Verbesserung der Auflösung erzielt, mit der sogar die 1 mm-Bohrung nachgewiesen werden kann. Das verdeutlicht noch einmal die Notwendigkeit, die Krümmung der konvexen Einkoppelfläche auszugleichen und in beiden Richtungen eine möglichst kleine empfindliche Zone der Schalldruckverteilung im Fokus anzustreben.

Bild 8: Optimierung der Messanordnung für großen Schrumpfverband (da = 200 mm)
Bild 9: Ultraschallmessergebnisse für die Optimierung der Messanordnung des großen Schrumpfverbandes (da = 200 mm), dargestellt sind die C-Bilder der Kontaktfuge

Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde mit Hilfe von Schallfeldsimulationen ein Messverfahren zur Bewertung der Montagequalität armierter Werkzeugsysteme optimiert. Durch eine geeignete Auswahl von Ultraschallprüfköpfen sowie der simulationsbasierten Optimierung der Messanordnung von Ultraschallprüfkopf und rotationssymmetrischem Prüfkörper, ist es gelungen, eine kleinstmögliche empfindliche Zone des Schallkegels auf der Kontaktfläche zwischen Innen- und Außenring von Schrumpfverbänden einzustellen. Konkretes Ziel der Arbeit war es, die horizontale Divergenz des Schallfeldes, die durch die konvexe Einkoppelfläche verursacht wird, durch eine optimale Einstellung der Wasservorlaufstrecke auszugleichen. Die Ergebnisse der Simulationsrechnungen am IAS (TU Dresden) konnten anhand von Ultraschallmessungen an Schrumpfverbänden mit definierten Merkmalen am LFT (Universität Erlangen-Nürnberg) verifiziert werden.
Weiterführende Optimierungsaufgaben ermöglichen den flexiblen Einsatz des hochauflösenden Messverfahrens auf Umformwerkzeuge mit variierter Geometrie des Innenund des Außenrings. Ein weiteres Potenzial zur Optimierung des Messverfahrens bieten problemspezifisch angepasste Ultraschallwandler, deren Abmessungen und Linsenkrümmung der Divergenz des Schallfeldes im Prüfkörper entgegenwirken.

Literatur

  1. Engel, U.: Beanspruchung und Beanspruchbarkeit von Werkzeugen der Massivumformung. Bamberg: Meisenbach, 1996
  2. Pfestorf, M.; Engel, U.; Hänsel, M.: Ultraschallprüfung des Vorspannungszustandes armierter Fließpresswerkzeuge. Umformtechnik 28 (1994) 3, S. 135-139
  3. Putz, A.: Entwicklung eines Versuchsaufbaus zur Erfassung der Kontaktspannungen von Werkzeugarmierungen mittels Ultraschall. Diplomarbeit am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Universität Erlangen-Nürnberg, Nr. 07/2000
  4. Putz, A.; Engel, U.; Geiger, M.: Ultrasonic Measurement of the Real Contact Area between Die and Ring in Prestressed Cold Forging Tools. Proceedings of the 3rd JSTP International Seminar on Precision Forging (ISPF), Aichi Koseinenkin Kaikan, Nagoya, Japan, 2004, pp. 105-108
  5. Kühnicke, E.: Elastische Wellen in geschichteten Festkörpersystemen, Bonn: TIMUG Wissenschaftliche Vereinigung, 2001

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