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Umformwerkzeuge

Hochfeste Werkstoffe und Simulation bringen neue Trends im Großwerkzeugbau

| Autor/ Redakteur: Lothar Handge / Dietmar Kuhn

Hochfeste Werkstoffe, Innovationen in Pressentechnik und höhere Produktanforderungen stellen neue Ansprüche an die Konstruktion und den Bau von Presswerkzeugen. Im 5. Workshop der VDI-Gesellschaft Produktionstechnik zur Blechumformung diskutierten Experten Erfahrungen und Trends bei der Konstruktion, Simulation und Reparaturen von Werkzeugen.

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Die Trends im Großwerkzeugbau werden heute im Wesentlichen von den neuen Werkstoffen und der Pressentechnik bestimmt; Konstruktion, Simulation und Flexibiliät der Werkzeuge bilden dabei die elementaren Grundlagen. Bild: Audi
Die Trends im Großwerkzeugbau werden heute im Wesentlichen von den neuen Werkstoffen und der Pressentechnik bestimmt; Konstruktion, Simulation und Flexibiliät der Werkzeuge bilden dabei die elementaren Grundlagen. Bild: Audi
( Archiv: Vogel Business Media )

Neue Werkstoffentwicklungen wie hochfeste Blechwerkstoffe und Innovationen, namentlich in der Pressentechnik sowie steigende Bauteilkomplexität stellen an Konstruktion und Bau von Stanzerei-Großwerkzeugen permanent neue Ansprüche. Diesen Anforderungen wird im Großwerkzeugbau mit innovativen Konzepten begegnet.

Unter der Moderation des Obmanns des VDI-Fachausschusses „Stanzerei-Großwerkzeuge“ Uwe Schröder von der Volkswagen AG, Wolfsburg, wurden aktuelle Ergebnisse zu Simulation, Konstruktion, Bau und Wartung von Werkzeugen und andere Themen vorgestellt.

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Ohne Normung geht natürlich auch im Werkzeugbau nichts. Ohne Simulation ebenfalls nicht, wie Prof. Dr.-Ing. Martin Rambke, FH Braunschweig/Wolfenbüttel, Institut für Produktionstechnik, betonte. Beides miteinander verbindet der Fachausschuss „Simulation im Werkzeugbau“, dessen Richtlinienarbeit einen Beitrag zur Standardisierung in der Umformsimulation leisten will.

Die wachsende Bedeutung der Simulationstechnik ergibt sich laut Prof. Rambke unter anderem aus der „in den letzten Jahrzehnten förmlich explodierten Modellvielfalt im Automobilbau“, die zu immer kleineren Losgrößen führt und mit immer mehr Umformwerkzeugen produziert werden.

Simulation wird für das Umformen immer wichtiger

Gleichzeitig habe der Einsatz hochfester Werkstoffe und neuer Technologien (Tailored Blanks, Innenhochdruckumformung oder Warmformvergüten) stark an Bedeutung gewonnen. Prof. Rambke: „Zur Optimierung der Bauteile und der zugehörigen Fertigungsprozesse ist die Umformsimulation mittlerweile ein unverzichtbares Werkzeug geworden“. Um die dabei erforderlichen hohen Genauigkeiten zu erreichen, müssen verschiedene Simulationen wie Umform- und Crashsimulationen miteinander gekoppelt werden.

Aus der Arbeit des Fachausschusses entstand die VDI-Richtlinie 3417 „Dokumentation der Simulation der Blechumformung“. Die Zielsetzung besteht in der Definition von Anforderungen des Anwenders bezüglich des Leistungsumfangs, in der einheitlichen und vergleichbaren Bewertung von Simulationsergebnissen zwischen internen und externen Nutzern und Auftraggebern sowie in einem effizienteren Ablauf von Simulationsprojekten.

VDI-Richtlinie gibt Empfehlungen für Umform-Simulationen

Prof. Rambke weiter: „Da die Simulationsparameter programmspezifisch sind und auf Erfahrungswissen des Anwenders basieren, wird von strikten Vorgaben abgesehen“. Vielmehr werden Empfehlungen gegeben, zum Beispiel für die Netzverfeinerung, die Anzahl der Integrationspunkte über der Blechdicke sowie die Werkzeuggeschwindigkeiten bei expliziten Programmen. Die VDI-Richtlinie 3417 ist beim VDI als Weißdruck verfügbar und wird mittlerweile bereits für die automatisierte Berichterstellung verwendet.

In der Vergangenheit traten bei Vergleichen zwischen Simulation und Praxisversuchen immer wieder Abweichungen auf. Deshalb wurde das Thema „Benchmarkdaten für Validierungen“ allen anderen Untersuchungen vorangestellt. Ziel sollte es sein, so Prof. Rambke, „eine verbindliche Anleitung zur Durchführung von Benchmarks zu erstellen, mit der sich der Arbeitsaufwand verringern und der Abgleich neuer Softwareversionen vereinfachen lässt“. Die VDI Richtlinie 3418 (Durchführung von Benchmarks) befindet sich zurzeit in der Bearbeitung.

Die Autoform Engineering Deutschland GmbH, Dortmund, hat sich in den vergangenen Jahren mit ihren Softwareangeboten im Bereich „Umformsimulation von Blechbauteilen“ intensiv den Themenbereichen „Zeit“ und „Qualität“ gewidmet. Die neueste Entwicklung aus dem Hause Autoform dreht sich nunmehr um die dritte wichtige Planungskomponente einer Serienfertigung: die Kosten.

Eine systematische Bewertung der Bauteilstückkosten stellt laut Solution Manager Dr.-Ing. Jochen Hambrecht „den Planer vor die Aufgabe, die Materialkosten, Werkzeugkosten sowie Produktions- und Logistikkosten schon in einer frühen Phase möglichst genau und nachvollziehbar zu bewerten“.

Simulationssoftware berücksichtigt jetzt auch die Kosten

Insbesondere die ersten beiden Kostenarten erfordern eine anspruchsvolle technische Bewertung eines Bauteils sowie vertiefte methodische Kenntnisse des Umformprozesses. Dr. Hambrecht weiter: „Mit der Bidding & Planning Solution (BPS) stellen wir eine neue Software vor, die eine gesamtheitliche Kostenplanung von Karosserieteilen in den Fokus rückt“.

Dies ist aufgrund der vielfältigen Techniken, die aus der Methodenplanung, dem Werkzeugbau und dem Presswerk in eine Planung einfließen müssen, eine anspruchsvolle Aufgabe – insbesondere unter Berücksichtigung der für die Zielgruppe „Kostenplaner“ existierenden Anforderungen hinsichtlich der Programmbedienbarkeit und Produktivität eines solchen Software-Werkzeugs.

Das Nutzenpotenzial einer solchen Software, betonte Dr. Hambrecht, „ist erheblich und besteht in der systematischen Reduzierung der Bauteilstückkosten durch die systematische Ermittlung der optimalen Fertigungsfolge (Methode) für in der Planung befindliche Bauteile“.

Die Einbettung der Lösung in die Planungsprozesse der Automobil- und Automobilzulieferindustrie bietet als zusätzliche strategische Vorteile die Sicherstellung der Daten- und Methodendurchgängigkeit, Standardisierung von Planungsprozessen und völlige Kostentransparenz. Dr. Hambrecht abschließend: „Damit gelingt es dem Kostenplaner, in einer sehr frühen Phase bereits belastbare Konzepte und Zahlen zu liefern“.

Fügen von Muttern und Bolzen ist wirtschaftlicher als Aufschweißen

Eine in der Automobilindustrie gängige Praxis ist das Aufschweißen von Muttern und Bolzen. Doch dieser Prozess ist maschinell sehr aufwendig, hob Dipl.-Wirtschaftsing. (FH) Arndt Pohl, Leiter Vertrieb Inland der Profil Verbindungstechnik GmbH & Co. KG, Friedrichsdorf, hervor. Eine wirtschaftlichere Alternative biete die mechanische Fügetechnik: „Über die Integration des Fügevorganges ins Presswerkzeug lässt sich die Wertschöpfung im Presswerk erhöhen und die Wettbewerbsfähigkeit steigern“.

Dabei versorgen Sortier -und Fördergeräte die Stanzköpfe, die im Werkzeug zur Blechteilherstellung integriert sind, pneumatisch über Schläuche mit den benötigten Verbindungselementen. Mit jedem Pressenhub werden ein oder mehrere Verbindungselemente im Blechteil mechanisch verankert. Am Ende des Werkzeuges verlassen die fertigen Bauteile einbaufähig die Presse.

Als Vorteile der Profil-Technik nannte Pohl: „Durch die rein form- und kraftschlüssigen Verbindungen von Profil-Muttern und Bolzen ist anders als bei stoffschlüssigen Verbindungen- der Einsatz in unterschiedlichsten Werkstoffen problemlos möglich“. Dies gelte für Stahl bis 1500 MPa Zugfestigkeit ebenso wie für Aluminium, Magnesium, Sandwichblech oder mehrlagige Bleche.

Hinzu käme eine hohe Prozesssicherheit, einfach zu handhabende prozessbegleitende Qualitätsprüfungen sowie enge Lagetoleranzen der Verbindungselemente im Blechteil: „Die im Werkzeugbau realisierbaren Toleranzen erlauben die Halbierung der Toleranzfeldgrenzen wie sie üblicherweise bei stoffschlüssigen Verbindungen machbar sind“, so Pohl.

Profil-Fügetechnik auch für crashrelevante Teile geeignet

Dank der hohen statischen und dynamischen Belastbarkeit sei die Technologie auch für crashrelevante Teile verwendbar. Vorteilhaft sei zudem der Entfall prozessbedingter Umwelteinflüsse und Abfallstoffe. Außerdem gebe es keine Funktionsbeeinträchtigung oder Beschädigung von Komponenten, beispielsweise durch Schweißspritzer, Lunker, Poren oder Gefügeveränderungen.

Pohls Ausblick: „Bei Anwendungen in hochfestem Stahl lassen sich Prozesskosten von rund 30% im Vergleich zu nachgeschalteten thermischen Fügeprozessen einsparen, wenn die Verbindungselemente im Herstellwerkzeug integriert werden“.

Für die Auslegung von Lochoperationen ist es wichtig zu wissen, bis zu welchem Winkel zwischen Stößelbewegung und Blechoberfläche geschnitten werden kann und ab wann der Einsatz von teuren Schiebern notwendig wird. Bisher gibt es auf diesem Gebiet, insbesondere bei hochfesten Stahlwerkstoffen, nur ungefähre Erfahrungswerte aus der Praxis.

Neues Versuchswerkzeug für die Auslegung von Lochoperationen

Dipl.-Ing. Stefan Wöstmann aus der Anwendungstechnik der Thyssen Krupp Steel AG in Dortmund hatte eine Lösung parat: „Mit Hilfe eines neu konzipierten Versuchswerkzeuges sind Dauerversuche mit 100000 Hüben für die Schneidwinkel 10° und 15° durchgeführt worden. Hierbei sind Werkstoffe von einer weichen Tiefziehgüte DX56 bis hin zum TRIP-Stahl (HCT700T) untersucht worden“.

Bewertet wurden das Verschleißverhalten der Lochstempel sowie die Gratbildung am gestanzten Loch für unterschiedliche Blechwerkstoffe. Außer den Schneidkräften wurde auch die Auslenkung des Lochstempels beim Auftreffen auf die Blechoberfläche analysiert.

Als Fazit fasste Wöstmann zusammen, „dass bei einer Blechdicke von 1,0 mm und einer Schräge von 15° bei hochfesten Stählen bis zur Festigkeit eines HCT690T ausreichende Standzeiten mit über 100000 Hüben beim Lochen erzielt wurden“. Mit zunehmender Blechdicke komme es zu einer deutlichen Erhöhung der Schneidkräfte, so dass beim DP-Stahl (HCT600X) und einer Blechdicke von 2,0 mm bereits bei einer 10° Schräge ein kritischer Werkzeugverschleiß erreicht wird.

Die Unterschiede zwischen den eingesetzten Lochstempeldurchmessern 5 mm, 10 mm und 15 mm seien hinsichtlich Werkzeugverschleiß und Gratbildung gering. Bei Festigkeiten über 800 MPa sei anhand der Kraft- und Auslenkungskurven ein erkennbar höherer Werkzeugverschleiß als beim HCT700T zu erwarten. Wöstmann weiter: „Die hochfesten Werkstoffe neigen im Vergleich zum weichen Tiefziehstahl auch bei fortschreitendem Werkzeugverschleiß nur zu einer geringen Gratbildung.“

TU Graz erforscht Schneiden höchstfester Stähle

Mit Forschungsarbeiten zum Schneiden höchstfester Stähle befasste sich das Institut für Werkzeugtechnik und spanlose Produktion der TU Graz in Österreich. Oberingenieur Dipl.-Ing. Robert Veit erläuterte: „Das Ziel des Projektes war die Optimierung der Standzeit von Beschnittwerkzeugen für Güten mit einem Festigkeitsniveau größer 1 200 MPa, um eine höhere Anzahl von Bauteilen ohne Nacharbeit der Werkzeuge zu erzielen.“

Das Projekt basiert auf der Untersuchung realer Bauteil- und Werkzeuggeometrien. Dazu wurden zunächst charakteristische Bereiche analysiert und der Einfluss wirkender Kräfte auf das Schnittwerkzeug untersucht. In den Untersuchungen wurden unterschiedliche Werkzeugstähle (unter anderem 1.2379, K340 und PM-Stähle) betrachtet, um optimale Werkzeugstähle für die jeweilige Anwendung (je nach Festigkeitsniveau) des zu schneidenden Werkstoffes ermitteln zu können.

In einer ersten Stufe wurde die Wechselwirkung zwischen Kräften und wichtigen geometrischen Parametern wie Schneidspalt, Schneidenradius sowie Spalt zwischen Niederhalter und Matrize bestimmt. Daraus ließen sich die Kräfte, die auf den Stempel wirken, bestimmen.

Wechselwirkung zwischen Kräften und geometrischen Parametern analysiert

Weiterhin wurde der Abrasionsmechanismus analysiert, der für die Lebensdauer des Beschnittwerkzeuges verantwortlich ist. Außerdem fanden metallurgische Analysen in Abhängigkeit der Einsatzdauer des Beschnittwerkzeuges statt, um die Abrasion in Abhängigkeit der Hubzahlen beurteilen zu können. Weiterhin wurden auch die Schnittkanten beschnittener Bauteile analysiert, um ein Kriterium für den Zeitpunkt der Werkzeugsinstandsetzung formulieren zu können.

In einer zweiten Stufe wurde der Prozess mit Hilfe der FEM (Finite Elemente Methohde) simuliert. Die Simulationsergebnisse flossen in die Konstruktion eines Testwerkzeuges ein. Dazu Veit: „Dieses Testwerkzeug beinhaltet die Optimierungen auf Basis der durchgeführten Analysen und weist eine flexible Bauweise auf, um nachträglich Änderungen durchführen zu können“. Mit diesem Testwerkzeug wurden umfangreiche Standzeituntersuchungen durchgeführt, aus denen ein Konstruktionskatalog inklusive Empfehlungen für die Auslegung von Beschnittwerkzeugen abgeleitet wurde.

Verschleißschutz von Umformwerkzeugen mit neuen Techniken

Als Verschleißschutzlösungen bieten sich für Umformwerkzeuge verschiedene Verfahren an. Während aber die modernen Verfahren wie PVD, CVD oder Laser basierte Techniken immer leistungsfähiger werden und an Bedeutung gewinnen, gerät das weit verbreitete Hartverchromen vor allem aus Umweltschutzgründen unter Druck.

Als umweltfreundliche Alternative bietet die Oerlikon Balzers VST GmbH & Co. KG, Schopfheim, außer anderen Verfahren die Pulse Plasma Diffusion (PPD) an, betonte Markus Salathé: „Wir wollen PPD in den nächsten zehn Jahren als Standard setzen“.

Vorteile im Vergleich zum Hartverchromen habe das PPD-Verfahren unter anderem bei der Standzeit und der Instandhaltung: Salathé: „Nach 150000 bis 200000 Teilen muss die Chromschicht runter und eine neue drauf – das spart man sich bei PPD.“ Dazu käme eine bessere Eignung für höherfeste Feinbleche sowie Vorteile bei kleinen Ziehradien und tiefen Zügen. Außerdem seien bei PPD während des Modellanlaufes noch Korrekturen möglich.

Auch im Vergleich zum herkömmlichen Plasmanitrieren reklamiert Salathé Vorteile für die PPD-Behandlung: „Das bisher erforderliche Glühen in vorgeheizten Luftumwälzöfen entfällt und vermeidet damit den doppelten Thermostress der Werkzeuge“. Statt einer kritischen Erhöhung der Guss-Eigenspannungen ergebe sich ein vorteilhafter Abbau um bis zu 60%.

Außerdem vermeide das Verfahren eine Verzunderung der Funktionsflächen, die schädliche Korngrenzen-Oxidation der Funktionsflächen und ermögliche eine verbesserte Nitrierwirkung für höhere Druck- und Scherfestigkeit. Dazu kämen gleichmäßiger verteilte, dickere Verbindungsschichten für höhere Verschleißbeständigkeit und verbessertes Gleit- Notlaufverhalten. Außerdem hob Salathé die „erheblich kürzeren Fertigungszeiten zur Vermeidung bzw. Minimierung des Freiplanungsaufwandes und eine höhere Maßbeständigkeit“ hervor.

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