Durch eine Schwingungsbeeinflussung des Umformprozesses lassen sich die Umformkräfte und/oder die Reibungskräfte reduzieren sowie eine Beeinflussung der Werkstückeigenschaften erzielen. Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, eindeutig nachzuweisen, aufgrund welcher Mechanismen sich diese Effekte ergeben. Es existieren lediglich Hypothesen wie „Spannungsüberlagerungseffekt", „Energieanhebung der Versetzungen", „Thermischer Effekt" oder „Grenzflächeneffekt".

Werkstoff- und Reibungsmodell
Ziel des ersten Bearbeitungsabschnitts im SFB ist die Aufstellung eines Werkstoffmodells, das das Werkstoffverhalten bei Umformung unter Ultraschallbeeinflussung beschreibt. Sodann sollen Grundlagenuntersuchungen zu einem Reibungsmodell führen, das die Reibung in der Wirkfuge zwischen Umformgut und Umformwerkzeug bei schwingungsbeeinflußter Umformung metallischer Werkstoffe beschreibt.

Diese beiden Gesetze, das Materialgesetz und das Reibungsgesetz, können dann in ein Finite-Elemente-Prozeßsimulationsprogramm implementiert werden. Dieses erscheint zur Beschreibung von ultraschallbeeinflußten Umformprozessen erforderlich, da diese auf der Basis der elementaren Theorie der Umformtechnik nur sehr begrenzt beschreibbar sind.

Die Grundlagenuntersuchungen werden daher begleitet durch die Entwicklung eines speziell an die Gegebenheiten bei der Ultraschallbeeinflussung von Umformvorgängen angepaßten FEM-Prozeßsimulationsprogramms.

Sensorik und Diagnose
Zur Beschreibung ultraschallbeeinflußter Umformverfahren, wie Drahtzug, Rohrzug, Fließpressen usw., ist es erforderlich, das gesamte Schwingungssystem vom Generator über den Schallwandler, der die vom Generator erzeugte elektrische Schwingung in mechanische Schwingung wandelt, bis hin zum schwingenden Werkzeug bzw. Umformgut zu analysieren. Dabei kommt der Entwicklung neuer Sensorik- und Diagnosesystemen eine wesentliche Bedeutung zu.

Da die im Energiefluß des Schalls liegenden Systembauteile, insbesondere ihre Fügestellen, die Ultraschallenergie dämpfen, ist die Energieübertragungskette vom Schallwandler bis zum Umformwerkzeug bzw. Umformgut hinsichtlich der Minimierung von Energieverlusten zu optimieren. Dies soll mit Hilfe FEM-unterstützter Systemverhaltensvorhersage und begleitender experimenteller Untersuchungen erfolgen.

Arbeitsplatzsicherheit
Letztlich müssen zur Bestimmung der Sicherheit der Arbeitsplätze und der Festlegung der erforderlichen Schutzmaßnahmen beim ultraschallbeeinflußten Umformen metallischer Werkstoffe die Auswirkungen des von den Werkzeugmaschinen abgegebenen Ultraschalls auf den menschlichen Organismus untersucht werden. Die Festlegung von Grenzwerten für den maximal zulässigen Ultraschall-Lärm am Arbeitsplatz und eventuell erforderliche Schutzvorrichtungen sollen sich aus diesen Untersuchungen ergeben.

Das Innovationspotential der Schwingungsüberlagerung auf Umformprozesse wird nicht nur in der Optimierung und Entwicklung neuer Verfahren sowie neuer Maschinen- bzw. Anlagen- und Werkzeugtechnik gesehen, sondern auch in der gezielten Beeinflussung von Werkstückeigenschaften und in der Optimierung tribologischer Systeme.

Sprecher:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Siegert, Institut für Umformtechnik

Geschäftsstelle:
Dr.-Ing. Volker Schmidt, Institut für Umformtechnik, Holzgartenstraße 17, 70174 Stuttgart
Tel: 0711/121-3804
Fax: 0711/121-3839

Universität Stuttgart:

• Institut A für Mechanik (IAM)
• Institut für Werkzeugmaschinen (IfW)
• Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen (ISD)
• Institut für Biomedizinische Technik (BMT)
• Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW)
• Staatliche Materialprüfungsanstalt (MPA)
• Institut für Umformtechnik (IFU)
• Institut für Technische Optik (ITO)

Katharinenhospital Stuttgart, Hals-Nasen-Ohren-Klinik