Simulationstechnik für optimierte Schmiedeteile

Wenn es um anspruchsvolle Umformtechnik geht, dann nimmt das Schmieden seinen festen Platz ein. Komplexe und hoch belastbare Teile mit hohem Sicherheitsanspruch werden vor allem von der...

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Wenn es um anspruchsvolle Umformtechnik geht, dann nimmt das Schmieden seinen festen Platz ein. Komplexe und hoch belastbare Teile mit hohem Sicherheitsanspruch werden vor allem von der Fahrzeugindustrie verlangt. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bedienen sich die Schmiedeunternehmen heute der Simulationstechnik. Sie leistet dazu einen entscheidenden Beitrag.Die Wildauer Kurbelwelle GmbH gehört zu den mittelständischen Unternehmen der Stahl verarbeitenden Branche und gilt als moderner Kurbelwellenhersteller weltweit. Zum Unternehmen gehören als Produktionslinien eine Gesenkschmiede und eine moderne spanabhebende Bearbeitung zur Herstellung von einbaufertigen Kurbelwellen. Heute werden in der Gesenkschmiede unter anderem Kurbelwellen für die Weiterbearbeitung im eigenen Betrieb, hauptsächlich jedoch Schmiedeteile für Kunden im Dieselmotorenbau, der Eisenbahn-/Verkehrstechnik, im Maschinenbau, der Schiffstechnik, in der Erdölindustrie und im Bergbau/Energietechnik erzeugt.Der Umsatz von rund 26 Mio. DM im laufenden Geschäftsjahr geht zu 90% in diese Branchen. Die Schmiedeprodukte werden heute von Wildau aus nach Skandinavien, in die USA, nach Asien sowie in die meisten Länder der EU exportiert.Für die Herstellung der Produkte stehen in der Gesenkschmiede verschiedene Gegenschlaghämmer, je eine Vorwärm- und Wärmebehandlungsstrecke, Vorform- und Abgratpressen sowie die Adjustage mit den entsprechenden Mess- und Prüfeinrichtungen und den Bearbeitungsanlagen zur Verfügung.Die Schmiedeteile erreichen Gewichte von 80 bis 2500 kg bei einem Außendurchmesser bis etwa 1000 mm für rotationssymmetrische Teile oder einer Länge bis 4200 mm für Kurbelwellen und andere Längsteile. Der Anspruch der Schmiede besteht in komplexen Schmiedeteilen mit hoher Genauigkeit und geringen Aufmaßen. Die Klemmbacke für Liftanlagen der Firma Doppelmayer ist ein Produkt, das alle diese Attribute in sich vereinigt. Die Bedingungen, die an die Einsatzsicherheit dieses Produktes gestellt werden, fordern zusätzlich ein hohes Maß an Prozesssicherheit in der Herstellung. Hier bietet sich ein geradezu ideales Einsatzgebiet für die Simulation der Abläufe im Schmiedeprozess. Als erstes Einsatzgebiet für das Simulationsprogramm MSC-SuperForge wurde daher dieses Sicherheitsprodukt gewählt.MSC-SuperForge ist ein Computerwerkzeug für den Einsatz im Bereich der 3D-Simulation bei Schmiedebetrieben. Es ist zuverlässig in der Handhabung, einfach, aber präzise in den Ergebnissen. Innerhalb kürzester Zeit werden alle Prozessdetails geliefert, die den Umformpraktiker interessieren, um seine Prozesse zum Erfolg zu führen. Eine detaillierte Darstellung des Materialflusses im Gesenk (Unterfüllungen oder Faltenbildungen), Temperaturen, Umformgrade, Pressenkräfte und andere sind damit gewährleistet.Schritt für Schritt zu einem optimalen SchmiedeteilEine Schmiedesimulation mit MSC-SuperForge läuft in der Regel immer nach den folgenden Schritten ab:- Import der 3D-CAD-Geometrie der Werkzeuge und der Vorform im STL-Format,- Auswahl des verwendeten Aggregates aus der Aggregatdatenbank,- Auswahl des Werkstückmaterials aus der Materialdatenbank,- Definition der Reibverhältnisse im Ober- und Untergesenk,- Definition der Temperaturen und Temperaturübergangswerte für Werkstück und Werkzeug,- Zuordnung der importierten Geometriedaten, der Aggregatkinematik, der Reibwerte und Temperaturen zum Werkstück und den Werkzeugen,- Start der Analyse.Die Simulation des Schmiedeprozesses erschließt Einsparungspotentiale bei den Kosten und sichert die Wettbewerbsposition durch die Reduzierung:- der Anzahl der Erprobungen und Versuchsschmiedungen,- des Materialeinsatzes in Erprobung und Serienproduktion,- des Ausschusses in der Serienproduktion,- der Entwicklungszeit bis hin zur Fertigung der ersten Gutteile,- der Stückgesamtkosten,bei gleichzeitiger Erhöhung:- der Vorhersage- und Planbarkeit der Entwicklung,- Termintreue und Flexibilität den Kunden gegenüber,- der Aggregatverfügbarkeit für die Produktion,- der Qualität des Endproduktes,- der Stabilität der Schmiedeprozesse,- der Wirtschaftlichkeit in Produktion und Entwicklung.Dringender Handlungsbedarf für den Einsatz der Simulation war auch aufgrund einer überhöhten Ausschußquote gegeben, da natürlich die Qualitätsansprüche an das Schmiedeteil und die daraus resultierenden Vorgaben auf einem signifikant höheren Niveau liegen.Die Klemmbacke ist bei Liftanlagen das Verbindungsstück zwischen dem umlaufenden Stahlseil und dem Sessel, auf dem die Skiläufer transportiert werden. Der Werkstoff ist 34CrNiMo6 und das schmiederohe Einzelprodukt hat ein Stückgewicht von 34,50 kg. Aufgrund der Komplexität dieses Schmiedestückes und der daher bedingten hohen Verformungsarbeit wird ein 400-kN-Gegenschlaghammer für den Schmiedeprozess eingesetzt.Die Ausgangssituation für die Simulation war geprägt durch nicht voll ausgebildete Teile, Risse im Gratnahtbereich und Schmiedefalten als die häufigsten Fehlerursachen.Da diese Simulation die Erstanwendung im Unternehmen war, wurde eine Projektgruppe gebildet, in der die Bereiche Gesenkbau, Arbeitsvorbereitung, Schmiede, Wärmebehandlung und Prüftechnik vertreten waren. Die Projektgruppe erhielt Unterstützung durch das Unternehmen Femutec, die eine erste Aufnahme der Schmiedeparameter und die Anpassung des Simulationsmodells vornahm. Um die erforderlichen Daten für die Anpassung des Modells zu erhalten, wurde eine Versuchsschmiedung durchgeführt, in der das Vormaterial für 15 Teile zum Einsatz kam.An kennzeichnenden Schritten im Produktionsprozess wurde je ein Teil zur späteren Vermessung und Analyse der Beschaffenheit ausgeschleust. Dies waren nach dem Vorschmieden ein Reckteil, nach der Verformung in der Vorgravur ein Vorformteil und ein Teil nach drei Schlägen im Gesenk. Des Weiteren erfolgten Temperaturaufnahmen direkt nach der Entzunderung, der Fertigstellung des Vorformteiles, beim Einlegen in die Gravur und beim Abgraten des fertigen Schmiedeteiles. Auch die Gesenktemperaturen fanden Eingang in diese Untersuchung. Die Arbeitsabläufe bei der Vor- und Fertigschmiedung wurden fotografisch für jeden Arbeitsschritt festgehalten und die Dauer der einzelnen Arbeitsläufe aufgenommen.Die CAD-Daten bilden die Grundlage der SimulationUm in den Simulationsprozess einsteigen zu können, mussten für das Vorformwerkzeug und das Gesenk die CAD-Daten aus dem Euklid-System an das Simulationsprogramm übergeben, die Werkstoffparameter definiert und die aus der Versuchsschmiedung gewonnen Daten eingebracht werden. Des Weiteren mussten die technischen Eckdaten der Anlagen in dem System Berücksichtigung finden. Der Herstellungsprozess der Klemmbacke besteht in der Schmiedung aus der Erzeugung eines Reckteiles, das daraufhin im Vorformgesenk eingesetzt wird. Das hierbei entstehende Vorformteil wird dann im eigentlichen Gesenk zum fertigen Schmiedeteil verformt. Eine erste Analyse des Ist-Zustandes mit Hilfe der Simulation ergab:- einen zu hohen Materialeinsatz,- eine ungünstige Massevorverteilung,- keine optimale Vorformung durch Freiformschmieden und- keine eindeutige Positionierung des Vorformteiles im Gesenk.Dieser Status quo ließ für den weiteren Verlauf des Projektes im Wesentlichen zwei Lösungsvarianten zu, die in der Simulation weiterverfolgt wurden.Variante 1: Einfassung des Vorformwerkzeuges, um eine symetrische Verteilung des Vormaterials und damit ein definiertes Einlegen des Vorformteils in die Schmiedegravur zu gewährleisten.Variante 2: Zusätzliches Lochen des Vorschmiedeteils, um das überschüssige Material aus der Mitte zu entfernen. Insgesamt wurden acht Simulationsläufe vorgenommen, wobei immer der gesamte Herstellungsprozess simulierbar war. In der ersten Simulation erfolgt eine Änderung des Vorformunterteiles unter Beibehaltung des Reckteiles. Die Simulation wurde schon bald abgebrochen, da bereits nach dem Vorformen erkennbar war, dass das Schmiedestück fehlerhaft wird. Aus den Ergebnissen wurde eine zusätzliche Änderung des Vorformoberteiles und eine andere Positionierung des Reckteiles abgeleitet. Es zeigte sich in der Simulation eine bessere Ausformung nach dem Vordrücken, die Problemstelle an der Spitze wurde jedoch noch nicht ausreichend genug abgedeckt. Daraufhin formte man das Reckteil im mittleren Bereich länger aus, so dass das Reckteil insgesamt länger wurde und sich besser einlegen ließ.Der Problembereich konnte beseitigt werden. Die Abdeckung der Spitze ist gewährleistet. Nun tat sich im Bereich des Hakens ein neues Feld auf. Der Hakenbereich füllte sich erst nach sieben Schlägen, wobei der Rest des Schmiedeteils bereits nach zwei bis drei Schlägen gefüllt war. Dies erforderte eine komplette Neukonzeption des Reckteiles und eine weitere Adaption des Unterteiles vom Vorformgesenk im Hakenbereich.Die Gesenkadaptionen wurden im CAD-System Euklid vorgenommen und die neuen Daten an das Simulationsprogramm übergeben. Dieser Weg hat den Vorteil, dass bei der endgültigen Festlegung der Gravur auch gleich die benötigten Daten für die Umsetzung ins Gesenk vorhanden sind.In mehreren Schritten zur Ausformung im GesenkDie inzwischen vierte Simulation zeigte zwar, das die Form bereits beim fünften Schlag gefüllt war, jedoch ergab sich nun die Gefahr einer Faltenbildung an der Spitze. Der Grund lag in einem zu kurzen Reckteil. Die Simulation wurde abgebrochen und das Reckteil nochmals geändert. Als Ergebnis resultierte ein Materialüberschuss im Bereich des Lochspiegels, wobei das Schmiedeteil aber bereits nach fünf Schlägen fertig und maßhaltig war. Diese Situation führte zu einer völligen Überarbeitung des Vorformwerkzeuges. Die wesentliche Maßnahme war die höhere Einfassung beim Vorformuntergesenk.In der nachfolgenden Simulation stellte sich heraus, dass zwar die Ausformung besser als in allen vorhergehenden Versuchen war, sich die Vorformgesenke jedoch nicht weit genug zusammenfahren ließen aufgrund des Materialüberschusses. Der nächste Schritt beinhaltete die Auslochung des Vorformteiles. Nach fünf Schlägen war das Schmiedeteil wiederum fertig und vollständig auf Maß. Der Lochspiegel füllte sich aber trotzdem wieder fast ganz. Es wurde eine Materialreduzierung beim Vormaterial vorgenommen und das Reckteil nochmals neu gestaltet. Die letzte Simulation zeigte nun eine günstige Masseverteilung, da die Vorform weiter zusammengedrückt werden kann. Auch die Anzahl der Schläge musste nicht mehr erhöht werden. Das Schmiedeteil war bereits nach dem Anschlagen nahezu voll ausgefüllt. Die Erkenntnisse aus der Simulation haben dazu geführt, dass das Vorformgesenk völlig neu konstruiert wurde, damit ein endformnahes Vorformteil in diesem Prozessschritt entsteht und eine eindeutige Positionierung dieses Vorformteiles im Fertiggesenk möglich ist.Im Anschluss an die Computersimulation wurden die gewonnen Erkenntnisse im Gesenkbau in die Praxis umgesetzt. Dieser Schritt forderte keinen hohen Aufwand mehr, da alle Daten für die Gravurbearbeitung bereits durch die Simulation vorhanden waren.