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Präzisionsschmieden

Gratloses Endformen von Bauteilen mit ausgeprägter Längsachse

| Autor/ Redakteur: Kathrin Telkamp und Malte Stonis / Dietmar Kuhn

Zur Verbesserung des gratlosen Präzisionsschmiedens gibt es verschiedene Aspekte der Umformung und der zugehörigen Prozesskette. Ein Schwerpunkt ist die Untersuchung des Einflusses des verwendeten Verfahrens auf Festigkeit und Zähigkeit eines gratlos geschmiedeten Bauteils, die am Institut für Integrierte Produktion (IPH) in Hannover durchgeführt wird.

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Bild 1: Ein neues Präzisionsschmiedeverfahren kann Langteile gratlos endformen; das reduziert die Einsatzmasse im Vergleich zum Schmieden mit Grat.
Bild 1: Ein neues Präzisionsschmiedeverfahren kann Langteile gratlos endformen; das reduziert die Einsatzmasse im Vergleich zum Schmieden mit Grat.
( Archiv: Vogel Business Media )

Die technischen Anforderungen an Gesenkschmiedeteile wachsen stetig. Außer der zunehmenden Komplexität der Bauteile rückt der Aspekt des Leichtbaus immer mehr in den Vordergrund. Vor allem vor dem Hintergrund knapper werdender Rohstoffe und steigender Preise stehen diesen Anforderungen Kostenfaktoren wie eine Reduzierung des Abfalls sowie zusätzliche Energieeinsparungen während der Produktion gegenüber.

Durch ein am IPH entwickeltes Präzisionsschmiedeverfahren können Bauteile mit ausgeprägter Längsachse (Langteile) gratlos endgeformt werden. Dadurch wird eine Reduzierung der Einsatzmasse gegenüber dem konventionellen Schmieden mit Grat erreicht. Durch die Herstellung einbaufertiger Funktionsflächen mit Toleranzen von IT 10 bis IT 8 verkürzt sich die Prozesskette nicht nur durch den Wegfall des Abgratprozesses. Abhängig von der Bauteilgeometrie lässt sich auch ein Arbeitsgang beim Fertigbearbeiten des Bauteils einsparen (Bild 1).

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Diesen Vorteilen steht allerdings ein erhöhter Aufwand bei der Auslegung der Prozesse und der Fertigung der Werkzeuge entgegen. Neben hohen Werkzeuggenauigkeiten sind reproduzierbare Zwischenformen mit engen Masse- beziehungsweise Volumentoleranzen sowie eine endkonturnahe Massevorverteilung und Querschnittsvorbildung zwingende Voraussetzungen.

Der Prozess zum gratlosen Präzisionsschmieden von Langteilen beginnt daher mit einer Vorformung zur Massevorverteilung (beispielsweise Walzen, Spalten oder gesenkgebundene Verfahren). Danach erfolgt eine ein- oder mehrstufige Zwischenformung zur Querschnittsvorbildung, der sich die gratlose Endformung anschließt. Nachteile von gewalzten oder gespalteten Vorformen sind die für die Prozesskette zusätzlich zur Schmiedeanlage benötigten Vorformaggregate.

Aufgrund des höheren Rüstaufwands und der gegebenenfalls notwendigen starren Verkettung der einzelnen Prozessschritte können diese Prozesse die Flexibilität der gesamten Kette wesentlich herabsetzen. Durch gesenkgebundene Vorformverfahren, die neben der Endformung ebenfalls im Hauptaggregat durchgeführt werden können, sind keine zusätzlichenAggregate erforderlich.

Prinzip der mehrdirektionalen Vorformung

Am IPH entwickelte gesenkgebundene Vorformverfahren basieren auf einer Kombination von vertikaler und horizontaler Umformung in einem Arbeitshub. Es findet zunächst eine Masseverteilung durch horizontales Stauchen statt. Anschließend erfolgt im selben Arbeitshub eine Querschnittsvorbildung durch vertikales Verdrängen. Dieser Ablauf wird durch eine Umlenkung der vertikalen Pressenkraft über Keile auf horizontal wirkende Schieber ermöglicht.

Durch unterschiedliche Schiebergeometrien kann eine Vielzahl verschiedener Vorformgeometrien hergestellt werden, die in Masseverteilung und Querschnittsvorbildung der angestrebten Endgeometrie entsprechen. Dadurch eignet sich das Verfahren besonders gut für anschließende Gratlosschmiedeprozesse.

Das Werkzeugkonzept der Endformung, das Präzisionsschmieden, basiert auf einer zeitlichen Trennung der Vorgänge Gesenk schließen und Umformen. Nach dem umformfreien Schließen von Ober- und Untergesenk dringen Umformstempel in die Gravur ein. Die zur Formfüllung erforderliche Relativbewegung zwischen Stempel und Gravur wird in der Regel durch die Entkopplung der Bewegung der Gesenkhälften von der Maschinenbewegung mittels Federelementen erreicht, die zugleich die Gesenkschließkräfte bereitstellen.

Bild 2 zeigt schematisch das beschriebene Werkzeugkonzept der Endformung, mit dem auf einem einfach wirkenden Aggregat eine zweifache vertikale Umformung realisiert werden kann.

Im industriellen Umfeld ist bisher überwiegend das gratlose Schmieden von rotationssymmetrischen Bauteilen etabliert. Da in Abhängigkeit von der Geometrie lediglich partielle Bereiche des Bauteils zur Krafteinleitung durch die Stempel nutzbar sind, ist die Umsetzung des Verfahrens für Langteile ungleich komplexer und aufgrund von bisher nur wenigen Praxiserfahrungen stärker risikobehaftet. Um eine industrielle Anwendung zu erreichen und das Bauteilspektrum zu erweitern, werden am IPH die einzelnen Bereiche der Schmiedeprozesskette in Forschungsvorhaben untersucht.

Erweiterung des Bauteilspektrums

Aktuell werden am IPH im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs der DFG – Deutsche Forschungsgemeinschaft e. V. die Maschinen- und Werkzeugtechnologie zum gratlosen Präzisionsschmieden von Langteilen am Beispiel von Kurbelwellen weiterentwickelt. Über verschiedene Entwicklungsstufen mit steigender Komplexität wurden bisher, aufbauend auf einer Elementarzelle, verschiedene Konzepte zum gratlosen Präzisionsschmieden einer Kurbelwelle entwickelt.

Die bisherigen Studien wurden mit der Abschmiedung einer Einzylinderkurbelwelle sowie dem Bau eines Modellwerkzeugs zum mehrdirektionalen Schmieden einer Dreizylinderkurbelwelle abgeschlossen. Im Mittelpunkt der weiteren Untersuchungen steht die Entwicklung der Werkzeuge und Stadienfolge zum gratarmen Schmieden einer Zweizylinderkurbelwelle. Durch die Erstellung eines Simulationsmodells zur Abbildung eines mehrdirektional wirkenden Werkzeugs für das Schmieden von Langteilen wird eine schnellere Auslegung dieser komplexen Werkzeuge ermöglicht.

Im Gegensatz zu Kurbelwellen gestaltet sich die Prozesskette zur Herstellung von Bauteilen mit Durchbrüchen, wie bei einem Pleuel, weniger komplex. Das Verfahren des gratlosen Präzisionsschmiedens wurde an solchen Bauteilen am IPH verifiziert. Aber auch hier besteht noch Entwicklungspotenzial, beispielsweise hinsichtlich einer weiteren Verkürzung der Prozesskette. Üblicherweise wird das Material in den Durchbrüchen in einem dem Umformen nachgelagerten Lochprozess entfernt.

Ein am IPH entwickeltes optimiertes Warmlochverfahren könnte in Zukunft genutzt werden, um das Lochen in den Umformschritt der gratlosen Endformung zu integrieren. Der Oberstempel dringt nach dem umformfreien Schließen der Gravur in den Gravurhohlraum ein und formt das Werkstück um. Der Unterstempel ist mit einem Freischaltmechanismus gekoppelt. Nach vollständiger Formfüllung fährt der Oberstempel weiter abwärts und der Innendruck in der Gravur erhöht sich.

Wenn die auftretende Kraft auf den Unterstempel den voreingestellten Wert des Freischaltmechanismus übersteigt, gibt dieser den Unterstempel schlagartig nach unten frei. Der Oberstempel bewegt sich dann zusammen mit dem Unterstempel abwärts, wodurch der sich zwischen den Stempeln befindliche Spiegel aus dem Schmiedestück gelocht wird.

Schmiedeverfahren und Bauteileigenschaften

Um generelle Aussagen über die Unterschiede zwischen den Verfahren des gratfreien und des gratbehafteten Schmiedens treffen zu können, erfolgen aktuell am IPH Vergleichsuntersuchungen von Bauteilen, die durch diese beiden Verfahren hergestellt werden. Von besonderem Interesse sind das entstehende Materialgefüge und der Faserverlauf (Bild 3).

Dieser entsteht, wenn nichtmetallische Einschlüsse im Stahl beim Schmieden mit umgeformt werden und sich zu einer zeiligen Struktur parallel zur Hauptumformrichtung ordnen. Die Ausbildung von Faserverlauf und Gefüge in einem geschmiedeten Bauteil ist ausschlaggebend für dessen statische und dynamische Festigkeit.

Gratlos geschmiedete Bauteile können genau wie konventionell geschmiedete Bauteile durch eine definierte Rohteilausrichtung im Gesenk den Faserverlauf mit dem Hauptkraftlinienfluss unter Belastung in Übereinstimmung bringen. Im Gegensatz zu gratlos geschmiedeten Bauteilen verlaufen bei konventionell geschmiedeten Teilen diese Fasern nicht nur durch das Werkstück sondern auch durch den Grat, und werden beim Abgratprozess durchtrennt.

Die festigkeitsfördernden Auswirkungen eines nicht unterbrochenen Faserverlaufes sind bekannt. Es gibt bislang keine quantifizierten Aussagen hinsichtlich des geänderten Bauteilverhaltens durch eine Herstellung mit einem gratlosen Schmiedeverfahren. Daher werden Untersuchungen durchgeführt, um die herstellungsbedingten Unterschiede der statischen und dynamischen Bauteileigenschaften zwischen konventionell und gratlos geschmiedeten Bauteilen zu bewerten.

Die gewählten Probengeometrien sind einfache Bauteile mit langteiltypischen Charakteristika. Diese werden in einer bis auf das Werkzeugkonzept identischen Prozesskette konventionell mit Grat und gratlos geschmiedet. Außer statischen Bauteileigenschaften wie Zugfestigkeit und Härte sind die dynamischen Eigenschaften wie Kerbschlag- und Dauerschwingfestigkeit von besonderem Interesse. Die unterschiedliche Ausbildung von Eigenschaften wird mit den Charakteristika der Fertigungsverfahren in Relation gebracht und bewertet.

Die quantifizierte Ermittlung von Bauteileigenschaften gratlos geschmiedeter Bauteile soll zukünftig eine verfahrensabhängige Auslegung von Bauteilen ermöglichen (Bild 4). Bislang erfolgt eine Geometrieanpassung der Gesenke für das gratlose Präzisionsschmieden nur aufgrund der prozessbedingten Unterschiede wie fehlende Gratbahn und unterschiedliche Bewegungsabläufe. Bei einer verfahrensabhängigen Auslegung kann die herstellungsbedingte Lage der Fasern im Teil bereits während der Entwicklung des Bauteils berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann eine optimale Materialausnutzung erreicht werden.

Dipl.-Ing. Kathrin Telkamp und Dipl.-Ing. Malte Stonis sind Projektingenieure am IPH - Institut für integrierte Produktion Hannover gemeinnützige GmbH, Kontakt: Dipl.-Ing. Kathrin Telkamp, Tel. (0511) 27976-373, telkamp@iph-hannover.de

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