Schmieden Geringere Kontaktzeit senkt Werkzeugverschleiß beim Schmieden

Die Herstellung von Langteilen wie Kurbelwellen erfolgt meist in mehreren Umformschritten und mit überschüssigem Materialeinsatz. Mittels mehrdirektionaler Umformung können diese Schmiede­bauteile effizienter hergestellt werden. Im Folgenden werden die Ergebnisse der Untersuchungen der Einflüsse einer querkeil­gewalzten Vorform auf den Werkzeugverschleiß an dem mehrdirektionalen Schmiedegesenk dargestellt.

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IPH Institut für integrierte Produktion Hannover gGmbH

Ein hoher Materialüberschuss bei der Herstellung von komplexen Formen wie einer Kurbelwelle ist zwecks Formfüllung und Prozesssicherheit noch immer gängige Praxis in der Schmiedeindustrie. Dies führt durch die Miterwärmung und das spätere Abtrennen des Gratanteils zu erhöhten Material-, Prozess- und Energiekosten. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen Unternehmen zukünftig effizienter mit ihren Ressourcen umgehen. Am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH in Hannover wurde zur Effizienzsteigerung eine vierstufige Stadienfolge zur Herstellung einer präzisionsgeschmiedeten, gratlosen Zweizylinder-Kurbelwelle erforscht (Bild 2).

Querkeilwalzen und mehrdirektionales Schmieden sollen kombiniert werden

Die Verfahrensschritte dieser Stadienfolge sind Querkeilwalzen, Querfließpressen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden. Mittels Querkeilwalzen erfolgen lokale Querschnittsänderungen, indem der Werkstoff längs der Rotationsachse des Werkstückes verdrängt wird. Im zweiten Schritt werden die dadurch entstandenen Bereiche mit größerem Volumen je Längsabschnitt quer zur Achse verschoben. Im dritten Schritt wird die Zwischenform in einem mehrdirektionalen Werkzeug aus mehreren Richtungen für den letzten Schritt vorgeschmiedet, in dem die finale Geometrie erzeugt wird.

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Eine weitere Verkürzung der Prozesskette auf drei Schritte durch Weglassen des Querfließpressens würde zusätzlich Zeit und Kosten sparen. Deswegen wird am IPH derzeit im Rahmen eines DFG-Forschungsprojekts die direkte Kombination der zwei Verfahren Querkeilwalzen und mehrdirektionales Schmieden untersucht (siehe Fachbeitrag Kurbelwellen lassen sich gratlos herstellen).

Die Verkürzung der Stadienfolge führt zu einer höheren Belastung der Werkzeuge, da der Umformgrad in der mehrdirektionalen Schmiedestufe ohne den Querfließpressprozess steigt. Es wird erwartet, dass die daraus resultierenden höheren Fließwege signifikante Auswirkungen auf den Werkzeugverschleiß und damit die Standmengen der Werkzeuge besitzen. Erkenntnisse über die Belastungen auf einzelne formgebende Werkzeuge in der Entwicklungsphase tragen daher zur Berechnung der Lebensdauer und damit zur Wirtschaftlichkeitsrechnung dieses Verfahrens bei.

Simulative Verschleißuntersuchungen an mehrdirektionalen Schmiedegesenken

Beim mehrdirektionalen Schmieden findet die Umformung zeitgleich aus mehreren Wirkrichtungen statt. Das Bauteil wird während der Umformung durch den linken und rechten Schieber gestaucht. Der mittlere Schieber bewegt sich zeitgleich lateral dazu und versetzt auf diese Weise das mittlere Hublager der Kurbelwellenvorform. Nachdem die Schieber ihre Endposition erreicht haben, fährt der Stempel in die Kavität des linken Schiebers hinein und formt den Flansch. Die Begrenzungen verhindern eine zu große Ausdehnung der Kurbelwangenvorformen, wodurch ein späteres Fertigschmieden einfacher zu realisieren sein wird.

Zur Berechnung des Werkzeugverschleißes wurde das in Bild 2 unten dargestellte Simulationsmodell verwendet. Die Untersuchungen fanden mithilfe der FEM-Software Forge NXT statt. Zur systematischen Untersuchung des Werkzeugverschleißes in Abhängigkeit von der querkeilgewalzten Vorformgeometrie wurden an der Vorform die Parameter Schulterwinkel a und Querschnittsflächenreduktion s variiert. Die Querschnittsflächenreduktion beschreibt prozentual, um wie viel der Querschnitt des zylindrischen Stangenabschnitts für die späteren Lagerstellen verringert wird. Ein kleiner Wert von zum Beispiel 30 % führt zu einem länglichen Bauteil (Bild 3 oben). Eine Querschnittsflächenreduktion von 60 % stellt je nach Prozess und Werkstoff ein fertigungstechnisches Maximum dar und führt zu einer kürzeren Vorform gleichen Volumens (Bild 3 unten). Der Schulterwinkel a beschreibt, in welchem Winkel die Bereiche mit der ursprünglichen Querschnittsfläche zu den querschnittsflächenreduzierten Bereichen abgesetzt sind. Die Variation des Schulterwinkels erfolgt üblicherweise ab 30° und kann maximal 90° betragen. Zusätzlich zur Variation der Vorformgeometrie wurde während der mehrdirektionalen Umformung der Lagerversatz in mehreren Schritten von 3 bis 6 mm variiert. Diese Werte führen zu einer Parameterfeldgrenze bezüglich Gratentstehung am unteren Ende der Kurbelwange, welche in einem anderen Bereich des Projektes untersucht wurde. Konstante Prozessparameter waren unter anderem der Werkstoff (42CrMo4 beziehungsweise 1.7225), die Umformtemperatur (1250 °C), die Umformgeschwindigkeit (20 mm/s) und der Reibkoeffizient (m = 0,08).

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