Gute Schmierung für das Hydroforming

Druck- und Schmiermedien haben auch wesentlichen Einfluss auf die Bauteilqualität I n der jüngsten Vergangenheit wird die Innenhochdruckumformung (IHU) als innovative Technologie bei der...

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Druck- und Schmiermedien haben auch wesentlichen Einfluss auf die BauteilqualitätIn der jüngsten Vergangenheit wird die Innenhochdruckumformung (IHU) als innovative Technologie bei der Automobilherstellung mehr und mehr eingesetzt. Anwendungsbeispiele hierfür sind: Strukturteile im Fahrzeugbau, Bestandteile von Armaturen, Karosserie, Fahrwerk und Spaceframe. Die IHU bietet eine Prozesskettenverkürzung gegenüber den klassischen Tiefziehprozessen. Es können weitaus komplexere Teile in deutlich weniger Arbeitsschritten gefertigt werden. Dadurch bieten sich erweiterte Möglichkeiten eines funktions- und gewichtsoptimierten Bauteilespektrums, welches mit den bisherigen Fertigungsmöglichkeiten nur schwer zu realisieren ist. Erfahrungen bekannter Hersteller haben gezeigt, dass das Bauteilgewicht um bis zu 50 % gesenkt, Schweißnahtlängen bis zu 50 % reduziert und das Crash-verhalten um bis zu 20 % verbessert werden kann. Gerade vor dem Hintergrund steigender Anforderungen an Leichtbau und Steifigkeit wird diese Technologie zunehmend Anwendung finden.Große und gleichmäßige Formänderung als ZielBeim IHU-Prozess handelt es sich um das Kernstück des Hydroforming-Verfahrens. Unter dem Hydroforming-Verfahren versteht man das Vorbiegen hohler Ausgangsteile einfacher Geometrie wie zum Beispiel Rohren in speziellen Biegemaschinen, den eigentlichen Innenhochdruck-Umformprozess, die Entfettung beziehungsweise Reinigung der Teile sowie den Korrosionsschutz der fertigen Werkstücke. Im eigentlichen Innenhochdruckumform-Prozess wird eine Flüssigkeit (Druck- oder Wirkmedium) in den durch ein Dichtsystem abgeschlossenen Innenraum eines zugeschnittenen Ausgangsteils, beispielsweise in ein Rohr, eingeleitet. Das Druckmedium wird entweder über ein externes Hochdruckaggregat oder durch Kompression infolge axial nachschiebender Stempel unter Druck gesetzt. Dadurch weitet sich das Ausgangsteil auf und legt sich an die zwei Werkzeughälften, das so genannte Formspeicherwerkzeug, an. Dabei wird die Kontur des Endteiles geformt. Während dieses Vorgangs bewegt sich der Innendruck zwischen 800 und 10 000 bar.Ziel des IHU-Prozesses ist die Realisierung möglichst großer Formänderungen bei annähernd gleichmäßiger Wandstärke. Das bedeutet, dass ein Nachfließen des Materials über das ganze Werkstück angestrebt wird.Zur näheren Betrachtung wird das IHU-Umformverfahren in einzelne Prozessschritte gegliedert:- Die freie Aufweitung: Hierbei erfolgt eine Vergrößerung der Oberfläche bei gleichzeitiger Reduzierung der Wanddicke. Der formbegrenzende Aufweithohlraum berührt an keiner Stelle das aufweitende Werkstück. Hierbei wird relativ wenig Druck benötigt. Als Versagensfall können Bersten, Rissbildung und Einschnürung auftreten.- Das Kalibrieren: Ist der endkonturnahe Zustand erreicht, wird der Innendruck auf Kalibrierdruck gesteigert (3- bis 5-facher Druck des zur Umformung benötigten Drucks). Es werden nur noch geringe Formänderungen zum Abbau der Eigenspannungen beziehungsweise zur Reduzierung der geometrischen Abweichungen durchgeführt. Der hauptsächliche Versagensfall, der sich beim Kalibrieren ergibt, ist das Bersten.- Das Aufweitstauchen: Hierbei werden deutlich größere Formänderungen bei reduzierten Blechdickenschwächungen durch Nachschieben des Werkstoffs erzeugt. Dies wird durch Axialzylinder in Kombination mit dem Innenhochdruck bewirkt. Reibung entsteht durch Werkzeugkontakt und lange Schiebewege. Bei zu langen Axialwegen beziehungsweise zu hoher Axialkraftbelastung kann Faltenbildung als Versagensfall auftreten.Kriterien für die Auslegung eines sicheren ProzessesDurch entsprechende Steuerung des Umformverfahrens mit Parametern wie Kontaktnormalspannung, Temperatur, Oberflächenvergrößerung und weiteren kann der Prozess produktionssicher ausgelegt werden. Daneben nehmen das Ausgangsteil mit den Parametern Werkstoff, mechanische und geometrische Eigenschaften, das Werkzeug mit den Parametern Werkstoff, Oberfläche sowie den mechanischen und geometrischen Eigenschaften und der Schmierstoff mit den Parametern Scherfestigkeit, Druck- und Temperaturbeständigkeit Einfluss auf den Umformprozess. Alle Faktoren zusammen bilden ein tribologisches System, das aufeinander abgestimmt sein muss, um die Verfahrensgrenze und die Prozesssicherheit zu optimieren. Generell sind neben der Primärhydraulik, die über hydraulische Zylinder zur Positionierung und Einrichtung von Stempeln, Niederhaltern und Werkzeugen notwendig ist (hier werden in der Regel Hydrauliköle HLP- oder HLPD-Öle eingesetzt), beim IHU zwei Schmierstoffsysteme vorhanden:- das Druckmedium (sekundäre Hydraulik) und- die gezielte Zusatzschmierung (Außenschmierung).Ein geeignetes Druckmedium muss folgende Anforderungen erfüllen:- guter Korrosionsschutz für Werkstück, Werkzeug und Maschine- optimales Schaumverhalten- hohe Kompressibilität- gute Dichtungsverträglichkeit- gute Filtrierbarkeit- Kompatibilität von Hydraulikmedium und Umformschmierstoff- Stabilität gegenüber Verkeimung, hohe Standzeit- gutes Demulgierverhalten bei FremdöleintragAls Druckmedium werden in der Regel wassergemischte Produkte eingesetzt. Hierbei wird zwischen zwei-phasigen (Öl-in-Wasser) Hydroform-Emulsionen und einphasigen, wässrigen Hydroform-Lösungen unterschieden.Emulsionen sind in der Regel Mineral- oder Syntheseöle, die in Wasser emulgiert werden. Als Emulgator dienen Verbindungen, die aus einem wasserabweisenden und einem wasseranziehenden Teil bestehen; es handelt sich also um eine Mischung nicht löslicher Stoffe. Zur Erzielung bestimmter Eigenschaften werden Zusätze wie Additive, EP-Zusätze oder ähnliche zugefügt. Hierbei handelt es sich um ein 2-Phasen-System (Öl-in-Wasser-Gemisch). Die Ölphase erschließt die Möglichkeit, eine breite Palette von öllöslichen Additiven ins Produkt zu integrieren.Lösungen dagegen sind mineralölfreie wasserlösliche Kühlschmierstoffe, die mit Wasser gemischt eine stabile Einheit bilden. Es handelt sich um ein einphasiges System auf wässriger Basis. Dadurch ergibt sich eine bessere Filtrierbarkeit. Der Öleintrag ist deutlich erschwert, da keine Emulgatoren zum Einbinden einer Ölphase vorliegen.Es stellt sich nun die Frage welche Vorteile Lösungen beziehungsweise Emulsionen bieten oder wann diese eingesetzt werden?Der größte Vorteil von Emulsionen im Vergleich zu Lösungen besteht in einer höheren Schmierleistung und einer Verringerung des Pumpenverschleißes durch öllösliche EP-Additive. Lösungen zeichnen sich durch ein besseres Demulgierverhalten aus, was ein besseres Abtrennen von Fremdölen ermöglicht. Daher sind Lösungen für eine Zusatzbefettung besser geeignet und zeigen eine bessere Filtrierbarkeit. Dadurch können höhere Standzeiten erreicht werden. Viele Pumpenhersteller fordern bei komplexen Systemen eine Filterfeinheit unter 5 µ, die nur mit Lösungen erreicht werden kann. Für die Außenschmierung gelten vor allem folgende Anforderungen:- gute Schmiereigenschaften.- Die Umformeigenschaften müssen auch bei hohen Flächenpressungen erhalten bleiben.- Der metallische Kontakt von Werkstück und Werkzeug muss verhindert werden, um Kaltverschweißungen und vorzeitigen Werkzeugverschleiß zu vermeiden.- Ein Abwaschen der Zusatzbefettung im Prozess muss verhindert werden, somit ist ein gutes Demulgierverhalten gegenüber dem Druckmedium notwendig.- Bei demulgierender Abstimmung der Zusatzbefettung mit dem Druckmedium kann ein Schmierstoffeintrag gut abgeskimmt werden.- Eine Kompatibilität mit Folgeprozessen wie Entfettung und Lackierung muss gewährleistet sein.Eine Außenschmierung ist vor allem dann notwendig, wenn mit zunehmender Aufweitung sich das Werkstück an das Formspeicherwerkzeug anlegt, wodurch es zu Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug kommt. Eine besonders effiziente Schmierung wird erforderlich, wenn beim anschließenden Kalibrieren enge Radien auftreten. Beim Aufweitstauchen hat der Schmierstoff eine entscheidende Rolle, wenn lange axiale Schiebewege oder eine hohe Werkstoffumlenkung vorgesehen ist. Bei der Auswahl des Schmierstoffs sind vor allem auch die hohen Flächenpressungen zu berücksichtigen.So bietet Zeller + Gmelin praktisch eine breite Palette an Zusatzbefettungsmitteln, die auf die einzelnen Prozessbedingungen speziell zugeschnitten sind. Die Aufbringung der Außenschmierstoffe kann bereits vor dem Vorformen der Werkstücke (zum Beispiel beim Rohrbiegen) oder unmittelbar vor dem IHU-Prozess erfolgen. Der Schmierstoff wird entweder manuell mit einem Pinsel beziehungsweise mit einer Walze aufgebracht oder aufgesprüht.Da in den meisten Fällen auf eine Zusatzbefettung nicht verzichtet werden kann, werden als Druckmedium zunehmend Lösungen verwendet. Die Zusatzbefettung muss daher in Bezug auf Einmisch- und Demulgierverhalten aufeinander abgestimmt sein. Auch das Öl der Primärhydraulik sollte mit dem Druckmedium kompatibel sein.Der hier genannte Schmierstoffhersteller offeriert deshalb ein Schmierstoffkonzept, das aufgrund abgestimmter Einzelkomponenten kundenspezifische Lösungen bietet. An das Gesamtschmierstoffsystemsystem werden dabei folgende Anforderungen gestellt:- Die Prozesse müssen sicher beherrscht werden, Senkung der Ausfallzeiten, Verlängerung der Standzeiten von Werkzeugen und Pressen- Arbeitssicherheit und Umweltschutzrichtlinien nehmen an Bedeutung zu- problemlose Applikation durch Sprühsysteme- Entfernbarkeit durch wässrig-alkalische Waschsysteme- frei von Festschmierstoffen- lösemittelfreiBei einer Schmierstoffauswahl muss daher auf die gesamten Prozesskriterien eingegangen werden.Trends und Entwicklungen in der Hydroforming-PraxisIn der Automobilindustrie werden neue Konzepte zur Leichtbauweise von Karosserien entwickelt. Die Anwendung von modernen Fertigungsverfahren wie das Innenhochdruckumformen geht einher mit dem Einsatz von ,,leichten" Rohstoffen, wie Aluminium und Magnesium. Diese Materialien haben den Nachteil, dass sie erst bei höheren Temperaturen ein ausreichendes Umformverhalten haben - Temperaturen um 250 ° Celsius sind die Regel. Bei diesen hohen Temperaturen kommen speziell entwickelte Hochtemperaturmedien zum Einsatz, da herkömmliche Druckmedien auf Mineralölbasis nur bis 180 ° C eingesetzt werden können. Ein Hochtemperaturmedium muss vor allem spezielle Anforderungen wie Raucharmut und eine extreme Alterungsstabilität erfüllen. Zeller+Gmelin bietet speziell für diesen Einsatzzweck ein Hochtemperaturmedium unter der Bezeichnung Multidraw HT 42 an.Derzeit laufen Versuche mit einem neuentwickelten Produkt als Druckmedium, welches gleichzeitig zur Außenschmierung dient. Die Versuche verlaufen derzeit sehr vielversprechend, was in der Praxis bedeutet, daß eine Kompatibilität von Druckmedium und Außenschmierstoff automatisch gegeben ist und somit ein kontinuierlicher Fremdöleintrag durch die Zusatzbefettung ausgeschlossen wird. Die rasante Entwicklung der IHU erfordert einen regen Erfahrungsaustausch unter allen Prozessbeteiligten.