DE102015007867A1

DE102015007867A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere für das Strangpressen

Info

Publication number: DE102015007867A1
Application number: DE102015007867.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kloppenborg; A. Erman Tekkaya
Original assignee: Ispt Gmbh&co KG; Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Ispt Gmbh&co KG; Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven, von Leichtbauwerkstoffen (18), insbesondere für das Strangpressen, bei dem eine Probe des Leichtbauwerkstoffes (18) in einen Rezipienten (1) einer Strangpressvorrichtung eingebracht und durch einen Stempel (2) derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff (18) plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung (24) des Rezipienten (1) gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung (24) entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten (1) die Scherkräfte (19) des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes (18) im Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) erfasst und anhand der geometrischen Abmessungen des Rezipienten (1) im Messbereich (4) in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes (18) umgerechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere für das Strangpressen, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 16.
Für die Herstellung von komplexen metallischen Leichtbauteilen etwa im Kraftfahrzeugbau wird häufig das sog. Strangpressen eingesetzt, mit dem vornehmlich Leichtbauwerkstoffe wirtschaftlich in vor allem prismatische Grundformen umgeformt werden können. Hierbei wird ein Leichtbauwerkstoff in einem Rezipienten durch einen Stempel und ggf. bei erhöhter Temperatur einer hohen Druckbelastung ausgesetzt, wodurch der Leichtbauwerkstoff plastisch wird und durch eine Strangpressmatrize in der gewünschten Querschnittsform aus dem Rezipienten austritt. Dies gilt grundsätzlich auch für andere Werkstoffe als Leichtbauwerkstoffe wie etwa Stahlwerkstoffe oder Werkstoffe zur Kunststoffextrusion, trotzdem soll im Weiteren vereinfachend von Leichtbauwerkstoffen gesprochen werden, auch wenn die beschriebenen Eigenschaften auch an anderen als Leichtbauwerkstoffen angewendet werden kann.
Der Fertigungsprozess des Strangpressens ist aufgrund des dreidimensionalen Werkstoffflusses in den eingesetzten Strangpresswerkzeugen komplex. Das Know-how zur prozesssicheren Fertigung von z. B. Aluminiumstrangpressprofilen liegt hauptsächlich in der Auslegung der Strangpresswerkzeuge und in der Definition der Prozessparameter während des Strangpressens. Derartiges Know-how liegt dabei vornehmlich aufgrund empirisch erlangten Wissens in den Strangpress- und Werkzeugbauunternehmen vor.
Die prozesssichere Fertigung von komplexen Profilquerschnitten in der industriellen Praxis setzt deshalb eine geeignete Methodenplanung voraus, um kosten- und zeitintensive Versuchspressungen zu reduzieren. Aufgrund der hohen Temperatur und besonders der hohen hydrostatischen Drücke innerhalb des geschlossenen Werkzeugaufbaus ist eine experimentelle Analyse der Einflussfaktoren auf den Strangpressprozess zur Erweiterung des Wissenstandes hinsichtlich Werkstofffluss, Spannungszustände und Temperaturentwicklung für die Prozesse nicht wirtschaftlich möglich. Auch die Anwendung analytischer Modelle zu Methodenplanung wurde in Untersuchungen zum konventionellen Strangpressen erprobt. Diese beschränkten sich meist aufgrund der auftretenden komplexen Randwertprobleme und der darin enthaltenen partiellen Differenzialgleichungen auf stark vereinfachte Modelle und Geometrien und ermöglichen deshalb meist nur eine qualitative Abschätzung [2]. Deshalb sind analytische Methoden in der industriellen Praxis nur begrenzt einsetzbar.
Für die quantitative Berechnung hat sich hingegen die numerische Modellierung mithilfe der Finite-Element-Methode (FEM) als eine geeignete Möglichkeit zur Methodenplanung erwiesen. Im Vergleich zur analytischen Modellierung ist FEM eine flexible Methode zur Beschreibung der komplexen thermischen, mechanischen sowie thermomechanisch gekoppelten Prozesse mit komplexen Randbedingungen [2].
Um die komplexen Strangpressprozesse aber auch realitätsnah abbilden zu können, ist eine geeignete Werkstoffmodellierung notwendig. Dabei wird innerhalb der verwendeten Fließbedingungen zwischen unterschiedlichen Approximations- bzw. Extrapolationsmodellen der Fließkurvenhüllfläche unterschieden. Die gängigsten Modelle für die Warmmassivumformung von Leichtmetallen sind die multiplikative Verknüpfung von multi-linearen oder Potenzfunktionen sowie eine sinushyperbolische Beschreibung.
Ein Approximationsansatz, der in der Literatur Verwendung für die Warmumformung findet, ist die Fließkurvenbeschreibung nach Hensel und Spittel [3, 4].
Darin ist die Abhängigkeit der Fließspannung k_f von der Temperatur ϑ, dem Umformgrad φ und der Umformgeschwindigkeit φ . beschrieben. Des weiteren sind σ₀ und m₁–m₄ Konstanten, die durch die experimentell aufgenommene Fließkurve ermittelt werden müssen. Bei dynamisch kristallisierenden Werkstoffen wird durch den letzten exponentiellen Term eine Fließspannungsabnahme bei hohen Umformgraden ermöglicht [2].
In der sinushyperbolischen Beschreibung nach Zener-Holomon [5] bzw. Sellar-Tegart [6] wird der Zusammenhang zwischen Fließspannung, Umformgeschwindigkeit und Temperatur durch einen analytischen Zusammenhang mit fünf Werkstoffkennwerten beschrieben. Darin sind α_sinh die Aktivierungsenergie, R die universelle Gaskonstante, A Reziproker Dehnratenfaktor und n der Verfestigungsexponent. Der Umformgrad ist hierin nicht berücksichtigt, da er bei der Warmumformung infolge von Rekristallisations- und Erholungsvorgängen während des Prozesses keinen entscheidenden Einfluss auf die Fließspannung hat.
Für die Anwendung der Modelle innerhalb der Werkstoffmodellierung ist eine Charakterisierung der Werkstofflegierungen hinsichtlich ihrer Materialkennwerte notwendig. Im Fall des Strangpressens müssen aufgrund der extremen Zustände bei der Umformung, wie hoher hydrostatischer Spannungszustand, hohe Temperatur, hohe Umformgrade und Umformgeschwindigkeiten, aufwändige Versuche zur Charakterisierung durch die Materialkennwerte durchgeführt werden.
Für die Nutzung der Modelle ist es daher erforderlich, Fließkurven unter möglichst realitätsnahen Bedingungen aufzunehmen und die Werkstoffkennwerte für die jeweiligen Modelle zu identifizieren.
Für die Aufnahme der Fließkurven werden bisher Versuchsstände verwendet, die die Zustandsgrößen, die im realen Prozess auftreten, halbwegs realitätsnah abbilden müssen. Im Fall des Schmiedens und des Strangpressen ist eine solche Fließkurvenaufnahme mit den bekannten Versuchsständen bisher aber fertigungstechnisch aufwändig und teuer.
Im Fall der Warmumformung von Leichtmetallen werden zur Aufnahme von Fließkurven üblicherweise Stauch- oder Torsionsversuche eingesetzt.
Diese Versuche haben folgende Eigenschaften und Nachteile:
Stauchversuch
Beim Stauchversuch wird eine zylindrische Probe z. B. induktiv erwärmt und dann über einen Stempel gestaucht. Über die Stauchkraft wird auf die Fließspannung geschlossen.

– Es können nur kleine Umformgrade erreicht werden,
– Es liegt kein hydrostatischer Druckspannungszustand vor,
– Das Formänderungsvermögen ist begrenzt.
– Reibung zwischen Stempel und Probe (Verfälschung des Ergebnisses)

Torsionsversuch
Hierbei wird eine zylindrische Torsionsprobe in Form einer runden Zugprobe erwärmt und durch Einspannungen an den Enden verdreht. Das Verdrehmoment und der Verdrehwinkel werden gemessen. Basierend hierauf wird die Fließspannung berechnet.

– Das Formänderungsvermögen ist begrenzt,
– Die Probenfertigung ist fertigungstechnisch aufwändig und dadurch teuer,
– Der Versuchsstand ist teuer (z. B. Gleeble).

Die Versuche inklusive der Ermittlung der Kennwerte für die gegeben Fließfunktionen gemäß der Gleichung 1 oder der Gleichung 2 sind aufgrund einer aufwendigen Probenfertigung, einer manuellen Ermittlung der Werkstoffkennwerte und der hohen Kosten für die Versuchsanlagen zeit- und kostenintensiv. Gleichzeitig werden vereinfachende Annahmen, wie z. B. ein begrenzter Umformgrad, keine Berücksichtigung des hydrostatischen Spannungszustandes und begrenzte Umformgeschwindigkeiten getroffen, um die Fließkurven überhaupt ermitteln zu können. Welchen Einfluss diese Vereinfachungen auf das Werkstoffverhalten im realen Prozess haben, konnte bisher nicht wissenschaftlich untersucht werden, da es bisher keine Prüfanlage gibt, mit der eine Charakterisierung unter den realen Bedingungen möglich ist. Innerhalb der Werkstoffmodellierung wird das Verhalten bei unbekannten Zuständen durch den jeweils verwendeten Extrapolationsansatz angenommen.
Im Rahmen der Veröffentlichung von Kloppenborg [1] wurden visioplastische Untersuchungen zum Werkstofffluss in Strangpresswerkzeugen vorgenommen. Hierbei wurde durch die Entwicklung eines speziellen Werkzeugkonzeptes die Möglichkeit geschaffen, den Werkstofffluss im Strangpresswerkzeug zu analysieren. Die Veröffentlichung zeigt, dass das Aluminium im Bereich des Rezipienten und des Werkzeugs haftet und entlang einer dünnen Randschicht geschert wird. Es liegt somit nachweislich eine Scherung des Werkstoffes in bekannten Teilen des Rezipienten und des Werkzeuges vor, die zur Charakterisierung bei hohem hydrostatischem Druck, hoher Temperatur und hohen Umformraten in der zu entwickelnden Prüfanlage genutzt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine insbesondere auch automatisierbare Charakterisierung von Leichtbauwerkstoffen unter produktionsnahen Bedingungen kostengünstig und zeiteffizient durchgeführt werden kann und die dazu dienen, die Werkstoffkennwerte für üblich eingesetzte Approximationsmodelle zu identifizieren und zu verifizieren.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches X jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven, von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere für das Strangpressen. Ein derartiges Verfahren wird dabei in erfindungsgemäßer Weise dadurch weiter gebildet, dass eine Probe des Leichtbauwerkstoffes in einen Rezipienten einer Strangpressvorrichtung eingebracht und durch einen Stempel derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung des Rezipienten gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten die Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten erfasst und anhand der geometrischen Abmessungen des Rezipienten im Messbereich in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes umgerechnet werden. Hierbei steht insbesondere die Erkenntnis im Vordergrund, dass der sich einstellende Stofffluss des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes innerhalb des Rezipienten beim Strangpressen dazu genutzt werden kann, um den eingesetzten Werkstoff bei hohem hydrostatischem Druck, ggf. hoher Temperatur und hohen Umformraten, also primär den beim Strangpressen vorliegenden Bedingungen zu charakterisieren und damit eine realitätsnahe Ausgangsbasis für die Berücksichtigung des Materialverhaltens in Simulationsverfahren zu ermitteln. Ergebnisse aus visioplastischen Untersuchungen [1] zeigen, dass z. B. Aluminium als typischer Leichtbauwerkstoff im Bereich des Rezipienten und des Werkzeugs haftet und entlang einer dünnen Randschicht geschert wird. Es liegt somit eine Scherung des Werkstoffes in bekannten Teilen des Rezipienten vor. Dieses Werkstoffverhalten vor allem im Randbereich der Innenwandung des Rezipienten kann nun dazu ausgenutzt werden, eine Kraftmessung der dort vorliegenden Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes unter den realen Umformverhältnissen beim Strangpressen durchzuführen und daraus dann unter Berücksichtigung der geometrischen Abmessungen des Rezipienten eine Scherspannung des Leichtbauwerkstoffes zu berechnen, die dann wieder in die Simulationsrechnung als Charakterisierung des Leichtbauwerkstoffes genutzt werden kann und die Genauigkeit der Simulation verbessert. Hierdurch wird das Problem gelöst, dass die alternativen Verfahren zur Ermittlung der Fließkurve derartiger Leichtbauwerkstoffe nicht die Zustände, die beim Strangpressprozess bei der Umformung der Werkstoffe vorherrschen, realitätsnah nachstellen können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können hingegen Leichtbauwerkstoffe unter hohem hydrostatischem Drücken, bei hohen Umformgraden und bei hohen Temperaturen, also bei produktionsnahen Bedingungen geprüft werden. Durch die verbesserte Fließkurvenaufnahme und damit verbundene Verbesserung der Werkstoffmodellierung wird eine Steigerung der Simulationsgenauigkeit erreicht. Zudem können die Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen mit geringem fertigungstechnischen Aufwand für die Probenfertigung und geringen Gesamtkosten ermittelt werden. Insbesondere bei sehr hohen Temperaturen begünstigt der hohe hydrostatische Druckspannungszustand die Fließkurvenaufnahme.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Scherkräfte des Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten durch eine Kraftmessung, insbesondere eine Kraftmessung in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung des Stempels ermittelt werden. Die Scherkräfte verlaufen im Wesentlichen parallel zur Wandung des Rezipienten und sind daher in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung des Stempels ausgerichtet. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die Kraftmessung durch mindestens eine im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnete Kraftmesseinrichtung vorgenommen werden. Derartige Kraftmessungen können z. B. über Kraftmessdosen, Drucksensoren oder Dehnungsmessstreifen realisiert werden, die im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnet sind oder mit diesem Bereich funktional in Verbindung stehen. Die Kraftmessung wird dabei genau dort vorgenommen, wo die Scherkräfte wirken und die Fließverhältnisse innerhalb des Leichtbauwerkstoffes derart homogen sind, dass repräsentative Messbedingungen herrschen. Dies sollte vorteilhaft in einem Bereich erfolgen, der weit genug von der Matrizenöffnung entfernt ist.
In weiterer Ausgestaltung können mehrere Durchgänge zur Ermittlung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes durchgeführt werden, wobei bei jedem Durchgang die Umformgeschwindigkeit des Leichtbauwerkstoffes im Scherbereich an der Innenwandung des Rezipienten variiert wird. Anhand der gemessenen Scherkräfte und der geometrischen Abmessungen des Rezipienten lässt sich für eine Prozessparameterkombination genau ein Stützpunkt der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes berechnen. Weitere Stützpunkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes lassen sich aus einer Variation der Umformgeschwindigkeit im Scherbereich gewinnen, die entweder durch eine veränderte Stempelgeschwindigkeit und/oder durch Variation der Querschnittsfläche des Rezipienten in Form eines einfach oder mehrfach hinsichtlich seiner Querschnittsabmessungen gestuften Rezipienten erreicht werden kann. Letzteres hat den Vorteil, dass in einem Versuch mehrere Stützpunkte der Fließkurve gleichzeitig bestimmt werden können, was die Effizienz des Verfahrens steigert. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die Variation der Querschnittsfläche des Rezipienten durch einen zwei- oder mehrfach gestuft ausgebildeten Innenquerschnitt des Rezipienten erreicht werden, wobei vorteilhaft eine Erfassung der Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich jeder der gestuft ausgebildeten Innenquerschnitte des Rezipienten erfolgt. Da in jedem abgestuften Querschnittsbereich des Rezipienten eine unterschiedliche Umformgeschwindigkeit des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes vorliegt, können mit nur einem Pressvorgang genau so viel Scherkräfte und damit Stützpunkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes bestimmt werden, wie Abstufungen des Rezipienten realisiert wurden, wenn an jeder der Abstufungen unabhängig voneinander eine entsprechende Kraftmessung durchgeführt wird.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes durch eine an oder in dem Rezipienten angeordnete Heizeinrichtung, insbesondere eine induktive Heizeinrichtung eingestellt wird. Insbesondere, wenn die temperierte Umformung des Leichtbauwerkstoffes und die Ermittlung der Fließspannung isotherm z. B. in einer ofenartigen Isolierung durchgeführt wird, lassen sich sehr definierte und für die spätere Simulation aussagekräftige Materialkennwerte bestimmen.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Temperatur des stranggepressten Profils und damit die Werkstofferwärmung während und/oder nach der Umformung gemessen wird und hieraus ebenfalls Rückschlüsse über das Umformverhalten des Leichtbauwerkstoffes gezogen werden können.
Von besonderem Vorteil für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist es, wenn die Bestimmung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes automatisiert erfolgt. Hierdurch kann z. B. das Handling der Proben des Leichtbauwerkstoffes beim Einlegen in den Rezipienten und beim Entfernen von Pressresten aus dem Rezipienten vereinfacht werden, auch kann die gesamte Steuerung einer verfahrensgemäß gesteuerten Anlage und die Ermittlung und Auswertung der Messdaten automatisch durchgeführt werden.
Weiterhin ist es denkbar, dass unterschiedliche Querschnittsabmessungen des stranggepressten Profils verwendet werden, um den hydrostatischen Druckspannungszustand in dem umzuformenden Leichtbauwerkstoff zu variieren, indem z. B. abgestuften Profile gepresst und das Scherverhalten entsprechend erfasst werden.
Auch ist es denkbar, dass der Austritt des stranggepressten Profils aus dem Rezipienten variiert wird, indem das stranggepresste Profil an verschiedenen Positionen aus dem Rezipienten austritt. Auch hierdurch können ggf. die Fließverhältnisse innerhalb des Rezipienten beeinflusst und messtechnisch erfasst werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven, von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere für das Strangpressen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1. Eine derartige gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter gebildet, dass die Vorrichtung eine Strangpressvorrichtung mit einem Rezipienten und einer Matrizenöffnung aufweist, in die eine Probe des Leichtbauwerkstoffes eingebracht und durch einen zu dem Rezipienten relativ beweglichen Stempel derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung des Rezipienten gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten mindestens eine Messeinrichtung im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnet ist, mit der die Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten erfassbar sind. Durch die Anordnung mindestens einer Messeinrichtung im Bereich der Innenwandung des Rezipienten werden die Fließbedingungen und damit die Scherkräfte des Leichtbauwerkstoffes an den Innenwandungen des Rezipienten unmittelbar da erfasst, wo homogene Fließbedingungen vorliegen, und die erfolgt zudem bei den später im Produktionsbetrieb herrschenden Bedingungen wie Druck, Temperatur etc. und damit sehr realitätsnah. Dies erlaubt eine realitätsnahe Charakterisierung der Fließeigenschaften des Leichtbauwerkstoffes, die dann in die Simulation von auszulegenden Strangpressvorgängen eingeht und das reale Werkstoffverhalten des Leichtbauwerkstoffes sehr nahekommend beschreibbar macht.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn eine Auswerteeinrichtung funktional derart mit der Messeinrichtung verbunden ist, dass die erfassten Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes umrechenbar sind. Hierzu müssen neben den gemessenen Scherkräften des Leichtbauwerkstoffes im Bereich der Innenwandung des Rezipienten auch die geometrischen Gegebenheiten des Rezipienten im Bereich der Messwerterfassung berücksichtigt werden, um aus den Scherkräften eine Fließspannung zu berechnen und damit zumindest einen Punkt der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes zu bestimmen. Bei mehreren gleichzeitigen Messungen von Scherspannungen an unterschiedlichen Stellen des Rezipienten werden diese Messwerte ebenfalls parallel in der Auswerteeinrichtung verarbeitet.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Messeinrichtung die Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung des Stempels erfasst.
Es ist weiterhin denkbar, dass die Messeinrichtung eine Einrichtung zur lokalen Druckmessung im Bereich der auf die Innenwandung des Rezipienten einwirkenden Scherkräfte aufweist. Hierbei wird ausgenutzt, dass der Druck in dem plastisch fließenden Leichtbauwerkstoff im Bereich der Innenwandung des Rezipienten in allen Richtungen lokal gleich ist und gerade so groß, dass die Scherung des Leichtbauwerkstoffes stattfindet. An diesem Punkt, beispielsweise mit Hilfe einer Druckmessdose oder sonstiger Druckaufnehmer, gemessene Druckkräfte entsprechen hierbei den lokalen Scherkräften und können damit unmittelbar zur Bestimmung eines Punktes der Fließkurve genutzt werden.
Ebenfalls ist es denkbar, für die Messeinrichtung eine Einrichtung zur lokalen Dehnungsmessung zu nutzen, die Verformungen von im Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordneten Bauteilen misst. So könnte etwa in die Wandung des Rezipienten ein gezielt verformbares Bauteil eingebaut werden, dessen Verformung dann mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen erfasst und als Ausgangsbasis der Scherkraftbestimmung genutzt wird. Vorteilhaft hierbei wäre, dass die Dehnungsmessstreifen nicht im Inneren des Rezipienten angeordnet sein müssten und daher verschleißärmer angeordnet sind.
Von besonderem Vorteil für die Wirtschaftlichkeit der Nutzung der Vorrichtung ist es, wenn die Querschnittsabmessungen des Rezipienten entlang der Richtung der Relativbewegung des Stempels zwei oder mehrfach gestuft ausgebildet sind. Hierdurch bilden sich in jedem der abgestuften Bereiche des Rezipienten unterschiedliche Umformgeschwindigkeiten, was dazu genutzt werden kann gleichzeitig mehrere Punkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes zu bestimmen. Insbesondere, wenn in jedem der gestuft ausgebildeten Querschnittsbereiche des Rezipienten jeweils eine eigene Messeinrichtung zur Erfassung der Scherkräfte des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes in diesem Bereich der Innenwandung des Rezipienten angeordnet ist, messen diese mehreren Messeinrichtungen gleichzeitig eine entsprechende Anzahl von Scherkräften, die aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Bedingungen der gestuft ausgebildeten Querschnittsbereiche in unterschiedliche Punkte der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes umgerechnet werden können. Damit wird mit nur einem Pressvorgang eine ggf. schon ausreichende Charakterisierung des Umformverhaltens des Leichtbauwerkstoffes möglich, was besonders wirtschaftlich ist.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Vorrichtung eine Heizeinrichtung, insbesondere eine induktive Heizeinrichtung aufweist, die die Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes beeinflusst. Hierdurch kann der Einfluss der Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes genau eingestellt werden, was sich zum einen auf die Genauigkeit der Charakterisierung des Umformverhaltens des Leichtbauwerkstoffes positiv auswirkt. Zum anderen kann die Heizeinrichtung auch gezielt dazu genutzt werden, dass Fließverhalten des Leichtbauwerkstoffes bei verschiedenen, für die Praxis relevanten oder interessanten Temperaturen zu ermitteln. Hierzu kann auch beitragen, dass die Vorrichtung durch eine ofenartige Kapselung oder dgl. thermisch isoliert ausgebildet ist, wodurch das Temperaturverhalten sehr konstant berücksichtigt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Vorrichtung eine Messeinrichtung aufweist, mit der die Temperatur des stranggepressten Profils und damit die Werkstofferwärmung während und/oder nach der Umformung messbar ist. Hierdurch wird neben der Ermittlung des Fließverhaltens innerhalb des Rezipienten auch möglich, das Werkstoffverhalten des stranggepressten Profils in die Charakterisierung mit einzubeziehen, z. B. Temperaturveränderungen beim oder nach dem Austritt aus dem Rezipienten zu erfassen.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Vorrichtung automatisierte Einrichtungen, insbesondere Einrichtungen zum Speichern und zum Handling der Proben des Leichtbauwerkstoffes und/oder des stranggepressten Profils aufweist, so dass die Bestimmung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes automatisiert erfolgt. Hierdurch können z. B. alle Funktionen der Vorrichtung im Zusammenhang mit der Durchführung des Verfahrens weitgehend ohne menschlichen Eingriff vorgenommen werden.
Ebenfalls ist es denkbar, die Querschnittsform des Rezipienten nicht rund auszubilden, um das Fließverhalten des Leichtbauwerkstoffes weiter variieren und erfassen zu können.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
1 – eine sehr stark prinziphaft ausgebildeten Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Gesamtansicht,
2 – einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung gemäß 1 mit einer detaillierten Darstellung der im Bereich des Rezipienten angeordneten Funktionsbauteile,
3 – einen vergrößerten Ausschnitt einer Variation der Vorrichtung gemäß 1 mit einem abgestuft ausgebildeten Rezipienten und zwei Messbereichen.
In der 1 ist in einer sehr stark prinziphaft ausgebildeten Darstellung der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Gesamtansicht zu erkennen. Hierbei ist ein Rezipient 1 in einem Säulengestell aus einer oberen Traverse 6, einer unteren Traverse 7 und Säulen 11 auf einer in Verstellrichtung 23 beweglich angeordneten mittleren Traverse 13 senkrecht in Verstellrichtung 23 verfahrbar angeordnet und wirkt wie beim Strangpressen grundsätzlich bekannt mit einem an der oberen Traverse 6 ortsfest angeordneten Stempel 2 zusammen, der in den Rezipienten 1 oberseitig eintritt. Der Stempel 2 ist an der oberen Traverse 6 über eine Kraftmessdose 8 befestigt, so dass die Presskraft des Stempels 2 beim Verfahren des Rezipienten 1 in Verstellrichtung 23 der mittleren Traverse 13 messbar ist.
Der Rezipient 1 weist, wie in 2 in einer vergrößerten Ausschnittsdarstellung noch besser erkennbar, eine hier zylindrische Bohrung zur Aufnahme einer ebenfalls runden Probe des Leichtbauwerkstoffes 18 auf, die oberseitig durch den Stempel 2 abgedichtet verschlossen ist und unterseitig eine Matrize 3 mit einer Austrittsöffnung 24 aufweist, durch die der Leichtbauwerkstoff 18 wie beim Strangpressen bekannt unter Einfluss der Druckkraft F des Stempels 2 hindurch gedrückt und dabei plastisch umgeformt wird. Das sich dabei an der Matrizenöffnung 24 bildende Strangpressprofil 15 tritt aus der unterseitigen Ausfallöffnung 14 in Richtung auf einen Auffangbehälter 12 aus.
Um den Rezipienten 1 herum ist eine hier kastenförmige Isolierung 9 angeordnet, die den Rezipienten 1 thermisch isoliert und deren Inneres mit einer nur angedeuteten Heizung 10 temperiert werden kann.
Der Aufnahmeraum des Rezipienten 1 für die Probe des Leichtbauwerkstoffes 18 ist in hier nur schematisch angedeuteter Weise mit zwei Dehnscheiben 20 ausgerüstet, die sich horizontal um den Aufnahmeraum des Rezipienten 1 herum nach außen erstrecken und als Beispiel für die praktische Durchführung einer Kraftmessung der Scherkräfte 19 im Bereich der Innenwandung 4 des Rezipienten 1 angeführt werden sollen. Die Dehnscheiben 20 werden bei der plastischen Verformung des Leichtbauwerkstoffes 18 aufgrund der Druckwirkung des Stempels 2 ebenfalls radial gedehnt und verändern dabei geringfügig ihren Außendurchmesser, der außerhalb des Rezipienten 1 liegt. Hierdurch können z. B. über nicht dargestellte Dehnungsmessstreifen diese Dehnungen erfasst und mittels Signalleitungen 17 an eine nur schematisch dargestellte Auswerteeinrichtung 5 weiter gegeben werden. Alternativ zu dieser nur grob geschilderten Möglichkeit der Erfassung der Scherkräfte 19 im Bereich der Innenwandung 4 des Rezipienten 1 können aber auch innerhalb der Wandung des Rezipienten 1 angeordnete, hier nicht weiter dargestellte Kraft- oder Druckmesseinrichtung verwendet werden, die die entlang der Innenwandungen des Rezipienten 1 bei der plastischen Umformung des Leichtbauwerkstoffes 18 auftretenden Scherkräfte 19 erfassen können.
Hierbei macht sich die Erfindung die Erkenntnis zu Nutze, dass der einstellende Stofffluss des Leichtbauwerkstoffes 18 beim Strangpressen genutzt werden kann, um den eingesetzten Werkstoff bei hohem hydrostatischem Druck, hoher Temperatur und hohen Umformraten hinsichtlich seiner Umformeigenschaften und insbesondere hinsichtlich seiner Fließkurve zu charakterisieren. Ergebnisse aus visioplastischen Untersuchungen [1] zeigen, dass z. B. Aluminium als einer der wichtigsten Leichtbauwerkstoffe 18 im Bereich der Innenwandung des Rezipienten 1 und des Stempels 2 haftet und entlang einer dünnen Randschicht geschert wird (vergrößerter Detailausschnitt in 2). Es liegt somit eine Scherung des Leichtbauwerkstoffes 18 entlang der Innenwandung des Rezipienten 1 vor. Die Umformung des Leichtbauwerkstoffes 18 ist besonders in von der Matrizenöffnung 24 entfernt liegenden Bereichen des Rezipienten 1 homogen über den Querschnitt des Rezipienten 1, so dass durch eine Kraftmessung in diesem Bereich die Kräfte τ für die Scherung des Leichtbauwerkstoffes 18 gemessen werden können. Anhand der Scherkräfte 19 und den geometrischen Abmessungen des Rezipienten 1 in diesem Bereich lässt sich daraus die Fließspannung zumindest in einzelnen Punkten der Fließkurve des Leichtbauwerkstoffes 18 berechnen.
Die Innovation der Vorrichtung besteht darin, die vorstehend beschriebene Erkenntnis zum Scherverhalten des Leichtbauwerkstoffes 18 im Randbereich des Rezipienten 1 zu nutzen, um durch eine gezielte Messung der Scherkräfte 19 des Leichtbauwerkstoffes 18 Rückschlüsse auf das Werkstoffverhalten des Leichtbauwerkstoffes 18 bei der Umformung zu erlangen. Dies ist gemäß der Erfindung erstmals unter realitätsnahen Zuständen des Strangpressens möglich.
Hierzu werden die Messwerte als axiale Kraft F_axial im Rezipienten 1 gemessen, diese entsprechen der Scherkraft 19 entlang der Rezipienteninnenwand.
Die Axialkraft F_axial infolge der Scherung entlang der Innenwandung des Rezipienten 1 lässt sich dabei idealisiert berechnen aus F_axial = τ_max·2·π·r·h
Daraus resultiert die Fließspannung k_f (Annahme von Mises Fließkriterium) zu k_f = √3·τ_max·2·π·r·h
Darin sind r der mittlere Radius der Randschicht, h die Höhe des Messbereichs, τ_max die Schubfließgrenze des Werkstoffes, k_f die Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes 18. Der hohe hydrostatische Druck erhöht das Formänderungsvermögen des Leichtbauwerkstoffes 18, wodurch im Vergleich zu klassischen Versuchen höhere Umformgrade, insbesondere bei hohen Temperaturen, erreicht werden können.
Unterschiedliche Umformgeschwindigkeiten des Leichtbauwerkstoffes 18 lassen sich entweder durch Variation der Geschwindigkeit der Verstellung des Stempels 2 oder durch eine Variation der Querschnittsfläche des Rezipienten 1 erreichen.
Anhand der gemessenen Scherkräfte 19 und der geometrischen Abmessungen des Rezipienten 1 lässt sich für eine Prozessparameterkombination ein Stützpunkt der Fließkurve berechnen. Weitere Stützpunkte resultieren aus einer Variation der Umformgeschwindigkeit im Scherbereich, die entweder durch eine veränderte Stempelgeschwindigkeit und/oder durch einen einfach oder mehrfach abgesetzten Rezipienten 1 erreicht werden kann, wie er in 3 dargestellt ist. Letzteres hat den Vorteil, dass in einem Versuch mehrere Stützpunkte der Fließkurve gleichzeitig bestimmt werden könnten, was die Effizienz der Vorrichtung insgesamt steigert. Gemäß 3 sind hier zwei verschiedene Messbereiche 4 in dem Rezipienten 1 in Verstellrichtung 23 des Stempels 2 versetzt zueinander angeordnet, wobei die Querschnittsabmessungen des Rezipienten 1 in jedem der Messbereiche 4 unterschiedlich ist und sich dadurch die Umformgeschwindigkeit und damit die dort lokal herrschenden Scherkräfte τ₁ und τ₂ ändern.
Die derart ermittelten Fließkurven dienen dabei z. B. als Verifikationsgrößen für eine numerische Simulation von Strangpressvorgängen für entsprechende Leichtbauwerkstoffe 18. Durch diese Methodik wird sichergestellt, dass die ermittelten Werkstoffkennwerte und der verwendete Approximationsansatz geeignet sind, einen realen Strangpressprozess mit guter Genauigkeit abzubilden. Anwender derartiger Simulationen, die eine Charakterisierung der von ihnen zu verarbeitenden Leichtbauwerkstoffe 18 benötigen, erhalten durch dieses Vorgehen direkt an einem Strangpressprozess verifizierte Werkstoffkennwerte. Das Risiko einer fehlerhaften Kennwertermittlung wird durch diese Entwicklung erheblich reduziert.
Die Aufnahme der Fließkurven durch die Prüfanlage und die Bestimmung der Kennwerte entsprechend des Approximationsansatzes haben immer den gleichen Ablauf:

– Definition der Prozessparameter für den Versuch
– Einlegen der zylindrischen Probe des Leichtbauwerkstoffes 18
– Durchführen der Strangpressumformung
– Auswertung der Ergebnisse
– Ermittlung der Kennwerte für eine vorgegebene Approximationsfunktion
– Nutzung der Kennwerte im Simulationsmodell
– Simulation und Verifikation anhand der Versuche.

Um den Einfluss der Temperatur auf das Werkstoffverhalten für entsprechende Leichtbauwerkstoffe 18 zu charakterisieren, werden der Rezipient 1 und der Stempel 2 von der äußeren Umgebung gekapselt, z. B. von einer thermisch wirksamen ofenartigen Isolierung 9 umgeben. Durch eine Integration einer z. B. induktiven Heizung 10 wird eine isotherme Charakterisierung der Leichtbauwerkstoffe 18 gewährleistet. Der hohe hydrostatische Druck erhöht das Formänderungsvermögen der Leichtbauwerkstoffe 18, wodurch im Vergleich zu klassischen Versuchen höhere Umformgrade, insbesondere bei hohen Temperaturen, erreicht werden können. Eine Überwachung der Temperatur im Bereich der Matrizenöffnung 24 kann beispielsweise mit einem Thermoelement 16 erfolgen, das im Rezipienten 1 bis in die Nähe der Matrizenöffnung 24 vorgeschoben werden kann.
Alternative Prüfanlagen können aktuell nicht die Zustände, die im Strangpressprozess bei der Umformung der Leichtbauwerkstoffe 18 vorherrschen, realitätsnah nachstellen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Leichtbauwerkstoffe 18 unter hohem hydrostatischem Drücken, bei hohen Umformgraden und bei hohen Temperaturen geprüft werden. Durch die verbesserte Fließkurvenaufnahme und damit verbundene Verbesserung der Werkstoffmodellierung wird eine Steigerung der Simulationsgenauigkeit erreicht.
Die Erfindung kann dazu dienen, Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen 18 mit geringem fertigungstechnischen Aufwand für die Probenfertigung und geringen Gesamtkosten zu ermitteln. Insbesondere bei sehr hohen Temperaturen begünstigt der hohe hydrostatische Druckspannungszustand die Fließkurvenaufnahme. Die Proben für die Versuche müssen nicht fertigungstechnisch aufwändig gefertigt werden und können in einem Magazin der Vorrichtung zugeführt werden. Die Vorrichtung lässt sich relativ einfach automatisieren, so dass eine automatisierte Auswertung der Ergebnisse möglich ist. Auch eine Umsetzung als telemetrischer Versuch ist dadurch möglich.
Sowohl durch die vereinfachte Probenfertigung als auch durch die Möglichkeit einer automatisierten Versuchsdurchführung können im Vergleich zu konventionell eingesetzten Vorrichtungen und Verfahren wie z. B. den Torsions- oder dem Stauchversuch erhebliche Kosten eingespart werden. Auch die Kosten der Vorrichtung selbst sind im Vergleich zu einem Torsionsversuchsstand (Gleeble) günstig. Vorsichtig geschätzt kann mit 1/4 der üblichen Kosten zur Fließkurvenaufnahme und Kennwertermittlung gerechnet werden.
Bezugszeichenliste

1: Rezipient
2: Stempel
3: Matrize
4: Scherkraftmessung Innenwandung Rezipient
5: Auswerteeinrichtung
6: obere Traverse
7: untere Traverse
8: Kraftmessdose
9: Isolierung
10: Heizelement
11: Ständer
12: Auffangbehälter Profil
13: mittlere Traverse
14: Ausfallöffnung Profil
15: Profil
16: Thermoelement
17: Signalleitungen
18: Leichtbauwerkstoff
19: Scherkräfte in der Randschicht
20: Dehnscheiben
21: erster Querschnittsbereich Rezipient
22: zweiter Querschnittsbereich Rezipient
23: Verstellbewegung mittlere Traverse
24: Matrizenöffnung

Referenzen

[1] – Kloppenborg, T. (2012): Analyse- und Optimierungsmethoden für das Verbundstrangpressen. Dr.-Ing.-Dissertation, Shaker Verlag, Institut für Umformtechnik und Leichtbau, Technische Universität Dortmund, 2012, ISBN 978-3-8440-1384-9.
[2] – Schikorra, M. (2006): Modellierung und simulationsgestützte Analyse des Verbundstrangpressens. Dr.-Ing.-Dissertation, Shaker Verlag, Institut für Umformtechnik und Leichtbau, Technische Universität Dortmund, 2006, ISBN 3-8322-5506-0.
[3] – Spittel, T.; Spittel, M. (1981): Ver- und Entfestigung bei der Warmumformung. Freiberger Forschungshefte B. 235 VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1981.
[4] – Hensel, A.; Spittel, T. (1986): Kraft- und Arbeitsbedarf bildsamer Formgebungsverfahren. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1986.
[5] – Zener, C., Hollomon, J. H (1944): Effect of Strain Rate Upon Plastic Flow of Steel. J. Appl. Phys., vol. 15, 22., 1944
[6] – Sellars, C. M, Tegart, W. JM, 1972. Hot Workability. International Metallurgical Reviews, vol. 17, 1–24.

Claims

Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven von Leichtbauwerkstoffen (18), insbesondere für das Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Probe des Leichtbauwerkstoffes (18) in einen Rezipienten (1) einer Strangpressvorrichtung eingebracht und durch einen Stempel (2) derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff (18) plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung (24) des Rezipienten (1) gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung (24) entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten (1) die Scherkräfte (19) des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes (18) im Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) erfasst und anhand der geometrischen Abmessungen des Rezipienten (1) im Messbereich (4) in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes (18) umgerechnet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Umformung des Leichtbauwerkstoffes (18) unter produktionsähnlichen Bedingungen vorgenommen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherkräfte (19) des Leichtbauwerkstoffes (18) im Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) durch eine Kraftmessung, insbesondere durch eine Kraftmessung in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung (23) des Stempels (2) ermittelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessung (4) durch mindestens eine im Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) angeordnete Kraftmesseinrichtung (20) vorgenommen wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Durchgänge zur Ermittlung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes (18) durchgeführt wird, wobei bei jedem Durchgang die Umformgeschwindigkeit des Leichtbauwerkstoffes (18) im Scherbereich an der Innenwandung des Rezipienten (1) variiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Umformgeschwindigkeit bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes (18) durch Variation der Relativgeschwindigkeit des Stempels (2) hervorgerufen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Umformgeschwindigkeit bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes (18) durch Variation der Querschnittsfläche des Rezipienten (1) erreicht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Querschnittsfläche des Rezipienten (1) durch einen zwei- oder mehrfach gestuft ausgebildeten Innenquerschnitt des Rezipienten (1) erreicht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Scherkräfte (19) des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes (18) im Bereich jeder der gestuft ausgebildeten Innenquerschnitte des Rezipienten (1) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes (18) durch eine an oder in dem Rezipienten (1) angeordnete Heizeinrichtung (10), insbesondere eine induktive Heizeinrichtung (10) eingestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die temperierte Umformung des Leichtbauwerkstoffes (18) und die Ermittlung der Fließspannung isotherm, insbesondere in einer ofenartigen Umhüllung durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des stranggepressten Profils (15) und damit die Werkstofferwärmung während und/oder nach der Umformung gemessen wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes (18) automatisiert erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Querschnittsabmessungen des stranggepressten Profils (15) verwendet werden, um den hydrostatischen Druckspannungszustand in dem umzuformenden Leichtbauwerkstoff (18) zu variieren.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt des stranggepressten Profils (15) variiert wird, indem das stranggepresste Profil (15) an verschiedenen Positionen aus dem Rezipienten (1) austritt.
Vorrichtung zur Ermittlung charakteristischer Materialkennwerte, insbesondere von Fließkurven, von Leichtbauwerkstoffen (18), insbesondere für das Strangpressen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Strangpressvorrichtung mit einem Rezipienten (1) und einer Matrizenöffnung (24) aufweist, in die eine Probe des Leichtbauwerkstoffes (18) eingebracht und durch einen zu dem Rezipienten (1) relativ beweglichen Stempel (2) derart unter Druck gesetzt wird, dass der Leichtbauwerkstoff (18) plastisch verformt und aus der Matrizenöffnung (24) des Rezipienten (1) gepresst wird, wobei in einem von der Matrizenöffnung (24) entfernt angeordneten Bereich des Rezipienten (1) mindestens eine Messeinrichtung (20) im Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) angeordnet ist, mit der die Scherkräfte (19) des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes (18) im Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) erfassbar sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung (5) funktional derart mit der Messeinrichtung (20) verbunden ist, dass die erfassten Scherkräfte (19) des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes (18) im Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) in eine Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes (18) umrechenbar sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (20) die Scherkräfte (19) des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes (18) in axialer Richtung parallel zur Relativbewegung (23) des Stempels (2) erfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (20) eine Einrichtung zur lokalen Druckmessung im Bereich der auf die Innenwandung des Rezipienten (1) einwirkenden Scherkräfte (19) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (20) eine Einrichtung zur lokalen Dehnungsmessung aufweist, die Verformungen von im Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) angeordneten Bauteilen misst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsabmessungen des Rezipienten (1) entlang der Richtung der Relativbewegung des Stempels (2) zwei oder mehrfach gestuft (21, 22) ausgebildet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der gestuft ausgebildeten Querschnittsbereiche (21, 22) des Rezipienten (1) jeweils eine eigene Messeinrichtung (20) zur Erfassung der Scherkräfte (19) des plastisch fließenden Leichtbauwerkstoffes (18) in diesem Bereich der Innenwandung des Rezipienten (1) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Heizeinrichtung (10), insbesondere eine induktive Heizeinrichtung (10) aufweist, die die Temperatur bei der Umformung des Leichtbauwerkstoffes (18) beeinflusst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch eine Kapselung (9) oder dgl. thermisch isoliert ist, insbesondere eine ofenartige Umhüllung aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Messeinrichtung (16) aufweist, mit der die Temperatur des stranggepressten Profils (15) und damit die Werkstofferwärmung während und/oder nach der Umformung messbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung automatisierte Einrichtungen, insbesondere Einrichtungen zum Speichern und zum Handling der Proben des Leichtbauwerkstoffes (18) und/oder des stranggepressten Profils (15) aufweist, so dass die Bestimmung der Fließspannung des Leichtbauwerkstoffes (18) automatisiert erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung (8) zur Messung der Presskraft (F) des Stempels (2) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung (23) des Stempels (2) zum Rezipienten (1) entweder durch eine Bewegung des Rezipienten (1) oder eine Bewegung des Stempels (2) erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform des Rezipienten (1) nicht rund ausgebildet ist.