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Gesenkschmieden

Gesenkkonstruktion erlaubt Schmieden von Hinterschnitten

| Autor/ Redakteur: Jonathan Ross und andere / Stéphane Itasse

Schmiedeteile bieten hervorragende Eigenschaften, zum Beispiel für den Leichtbau, Hinterschnitte mussten jedoch bisher spanend eingebracht werden. Um diesen Prozessschritt einzusparen, haben Forscher ein neuartiges Schmiedegesenk entwickelt.

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Montiertes Gesenk für das Schmieden von Hinterschnitten: Dieses neuartige Werkzeug haben Forscher am IPH entwickelt.
Montiertes Gesenk für das Schmieden von Hinterschnitten: Dieses neuartige Werkzeug haben Forscher am IPH entwickelt.
(Bild: IPH)

Das konventionelle Gesenkschmieden bietet nicht die Möglichkeit, Hinterschnitte in ein Werkstück einzubringen, da sie die Entnahme des Werkstücks verhindern. Um dennoch Schmiedeteile mit Hinterschnitten herstellen zu können, ist ein mehrdirektional wirkendes Werkzeug nötig. Damit können zur Pressenbewegungsrichtung orthogonal versetzte Bewegungen in einem Umformprozess realisiert werden, sodass ein Hinterschnitt beim Zufahren ausgeformt wird. Dabei bringt die Umformpresse hohe Kräfte auf, um die beiden Gesenkhälften verschlossen zu halten. Beim anschließenden Öffnen der Presse wird das Werkzeug durch Federelemente wieder in den Ausgangszustand zurückversetzt, damit die Werkstücke entnommen werden können.

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Als Beispielbauteil wurde ein Stahlkolben betrachtet, in den Hinterschnitte eingebracht werden sollen, um das Einbringen der Kolbenbolzenbohrung zu erleichtern. Die mehrdirektionale Umformstufe ist dabei die letzte einer mehrstufigen Stadienfolge eines Schmiedeprozesses. Die Kraftumlenkung auf die seitlichen Umformstempel erfolgt über Keile, bei denen sich ein Keilwinkel von 45° bewährt hat, um die Reibverluste gering zu halten. Der Stahlkolben hat einen Durchmesser von 105 mm bei einer Höhe von 67 mm und einem Gewicht von 2,5 kg. Die zwei Hinterschnitte mit einem Durchmesser von 25 mm werden 10 mm tief eingebracht.

Schmiedewerkzeuge mittels FEM-Simulationen ausgelegt

Die Funktion des Werkzeugs mit kraftgepaartem Gesenkverschluss ist in Bild 2 skizziert. Im Initialzustand ist das Werkzeug geöffnet, wobei Ober- und Untergesenk sowie die Keile des Oberwerkzeugs und der Stempel keinen Kontakt haben. Das Werkstück kann eingelegt werden. Durch die Pressenbewegung werden Ober- und Untergesenk geschlossen und anschließend die Federelemente komprimiert. Sobald die Keile von Oberwerkzeug und Stempeln in Kontakt kommen, wird das Werkstück durch den einfahrenden Stempel umgeformt. Im Verlauf der Umformung werden die Federn weiter komprimiert und übertragen die nötige Kraft, um das Öffnen des Gesenks zu verhindern. Nach dem Abschluss der Umformung fährt die Presse auf und die Stempel fahren aus dem Untergesenk aus, sodass sich das Werkzeug wieder im Initialzustand befindet und das umgeformte Werkstück entnommen werden kann.

Die Auslegung der Werkzeuge erfolgte anhand von Prozessdaten, die nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) simuliert wurden. Anhand der Simulationen konnten für die Umformung Stempelkräfte von bis zu 600 kN bestimmt werden, wobei sich die Stempel um bis zu 15 mm bewegen. Aus diesem Eindringen der Stempel resultiert ein Anstieg des Drucks im Bauteil, sodass am Ende der Umformung 3000 kN Schließkraft auf das Obergesenk wirken müssen, damit ein ungewolltes Öffnen verhindert wird. Die Herausforderung besteht darin, dass bei wirkender Verschlusskraft eine weitere Pressenbewegung möglich ist, um die Umformstempel eindrücken zu können. Zum Aufbringen der Verschlusskraft wurde je eine kraft- und eine formgepaarte Lösung entwickelt.

Die Konstruktionsskizze des Werkzeugs ist in Bild 3 dargestellt. In einer Recherche wurden unterschiedliche Federelemente verglichen, um mit möglichst geringem Bauraum in das Werkzeug eingepasst zu werden. Dabei stellten sich Tellerfedern als am besten heraus, um bei einer Schließkraft von bis zu 3000 kN 15 mm Verfahrweg zu ermöglichen. Die Federelemente wurden als Schaltung mehrerer unterschiedlicher Tellerfedern ausgeführt, um bei einer konstanten Pressengeschwindigkeit den Schließkraft-Weg-Verlauf wie in der FEM-Simulation ermittelt für das Obergesenk aufbringen zu können. Durch diese Federschaltung ist es möglich, den Bauraum und die Kosten des Werkzeugs zu verringern.

Formgepaarter Verschluss für das Schmiedegesenk spart Platz

Aufgrund der hohen erforderlichen Schließkräfte benötigt das Tellerfederpaket in der kraftgepaarten Verschlussvariante mehr als die Hälfte des Bauraums. Daher wurde für eine zweite Werkzeugvariante ein starrer, formgepaarter Verschluss des mehrdirektionalen Schmiedewerkzeugs entwickelt. Die Umformung in diesem Werkzeug unterscheidet sich lediglich im Prinzip zur Aufbringung der Verschlusskraft. Das Obergesenk ist mit Zähnen versehen, die beim Zufahren der Presse an Gegenzähnen, die mit dem Untergesenk verbunden sind, vorbeifahren. Sobald das Obergesenk aufliegt, sorgt eine Kulissenführung für eine Rotationsbewegung des Obergesenks, sodass die Zähne – und damit das Obergesenk – durch die Formpaarung mit Untergesenk und Gegenzähnen an der Bewegung in Pressenrichtung gehindert werden. Während sich die Position des Obergesenks nicht ändert, erlaubt die Kulissenführung das weitere Zufahren der Presse, bis die Stempel in das Werkstück eindringen und die Umformung beginnt.

Der Vorteil des formgepaarten Verschlusses ist, dass eine kleinere Umformpresse verwendet werden kann, da die Pressenenergie nicht zur Aufrechterhaltung der Verschlusskraft benötigt wird. Allerdings erschweren die Gegenzähne auf Grund ihrer Anordnung das Einlegen und Entnehmen der Werkstücke. Zusätzlich werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Verzahnung gestellt, um das Schließen zu ermöglichen beziehungsweise eine Kollision und damit eine Zerstörung der Mechanik zur verhindern. Daher wurde für die geplanten Schmiedeversuche die formgepaarte Verschlussvariante realisiert.

* Jonathan Ross und Marc Kalweit sind Projektingenieure am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) in 30419 Hannover, Dr. Jan Langner ist Abteilungsleiter Prozesstechnik, Dr. Malte Stonis Koordinierender Geschäftsführer und Prof. Bernd-Arno Behrens Geschäftsführender Gesellschafter

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