Schmieden gekrümmter Bauteile Krumme Dinger mittels Freiformschmieden

Autor / Redakteur: Martin Wolfgarten, Paul Hibbe und Gerhard Hirt / Stéphane Itasse

Das Freiformschmieden dient vor allem zur Herstellung hoch belasteter Bauteile mit einfachen Grundgeometrien. Zum Erreichen der Endkontur sind oft ein großer Zerspanungsaufwand oder zusätzliche Umformschritte notwendig. Daher hat das Institut für Bildsame Formgebung ein Schmiedeverfahren entwickelt, das mit überlagerten Manipulatorbewegungen die direkte Fertigung komplexer Bauteile ermöglicht.

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Freiformschmiedeanlage am Institut für Bildsame Formgebung der RWTH Aachen, auf der die Versuche durchgeführt wurden.
Freiformschmiedeanlage am Institut für Bildsame Formgebung der RWTH Aachen, auf der die Versuche durchgeführt wurden.
(Bild: Martin Braun)

Freiformgeschmiedete Bauteile sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften unersetzlich für hoch belastete Anwendungsfälle. Dazu gehören der Schwermaschinenbau, zum Beispiel Kurbelwellen für Schiffsmotoren oder Generatorwellen, der Sondermaschinenbau, insbesondere für Bestandteile von Reaktoren und Kraftwerken, aber auch die Luft- und Raumfahrt in Form von geschmiedeten Aluminiumteilen.

Forscher fertigen gekrümmte und tordierte Bauteile mittels Freiformschmieden

Dabei ist das Freiformschmieden fast ausschließlich auf einfache, längsorientierte Grundgeometrien mit runden oder quadratischen Querschnitten beschränkt. Die eigentlich benötigten Endgeometrien werden anschließend durch die zerspanende Bearbeitung der Werkstücke oder gegebenenfalls zusätzliche Umformoperation, wie eine dem Schmieden nachfolgende Biegeoperation, eingestellt [1,2]. Die endkonturnahe Fertigung komplexer Bauteile ist mit dem klassischen Freiformschmieden nicht möglich.

Daher wird im Rahmen eines DFG-geförderten Forschungsprojektes am IBF der RWTH Aachen in Zusammenarbeit mit der Glama Maschinenbau GmbH ein neues Verfahrensprinzip entwickelt, welches die prozessintegrierte Fertigung gekrümmter und tordierter Bauteile durch Freiformschmieden ermöglicht.

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Beim herkömmlichen Freiformschmieden wird das Werkstück zwischen zwei Umformwerkzeugen, den Schmiedesätteln, umgeformt. Während der Umformung wird das Werkstück vom Schmiedemanipulator gehalten. Dieser positioniert das Werkstück zwischen den Schmiedesätteln und greift selbst nicht aktiv in die Umformung ein.

Anders beim neu entwickelten Verfahren. Hier beeinflusst der Manipulator den Stofffluss durch Bewegungen während des Schmiedehubes. Dies ist nur deshalb mit geringen Kräften möglich, weil das Material zwischen den Schmiedesätteln in einem plastischen Zustand ist.

Manipulator übernimmt beim Freiformschmieden zusätzliche Aufgabe

Infolgedessen kann bereits durch die Aufbringung geringer überlagerter Spannungen der Werkstofffluss zu der beabsichtigten Zielgeometrie gelenkt werden (Bild 2) [3].

Die Hauptherausforderung des Verfahrens besteht darin, dass der üblicherweise lediglich als Positionierungswerkzeug verwendete Manipulator nun in die Formgebung des Werkstücks eingreift. Dabei sind folgende Gruppen von Bauteilen abbildbar, die sich aufgrund der benötigten Manipulatorbewegung unterscheiden:

  • gekrümmte Bauteile und
  • tordierte Bauteile.

Durch die übliche Anwendung als Positionierungswerkzeug sind Schmiedemanipulatoren lediglich mit Punkt-zu-Punkt-Steuerungen ausgestattet, die keine Bewegung auf definierten Bahnen im Raum erlauben. Daher wurde zusammen mit der Herstellerfirma Glama für den Schmiederoboter am IBF ein kinematisches Konzept entwickelt, welches eine gekoppelte Bewegung der Manipulatorachsen zur Realisierung einer Bahnbewegung ermöglicht.

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