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.

Für die Krümmung von Bauteilen bewegt sich die Roboterzange während des Schmiedehubs auf einer Kreisbahn um die Schmiedesättel, wobei der Rotationsmittelpunkt zwischen den Schmiedesätteln liegt [4]. Durch die Kombination mehrerer Umformschritte entsteht so ein kontinuierlich gekrümmtes Bauteil mit einer kreisförmigen Geometrie, wobei die resultierende Geometrie insbesondere durch den Krümmungsradius charakterisiert ist.

Gekrümmte Bauteile aus Aluminium und aus Stahl geschmiedet

Die Untersuchungen hatten zum Ziel, einerseits die grundsätzliche Anwendbarkeit des Verfahrens nachzuweisen und andererseits die Prozessgrenze für die Schmiedeanlage am IBF zu ermitteln. Dazu wurden numerische und experimentelle Untersuchungen mit Aluminium im kalten Zustand sowie heißem Stahl durchgeführt. In einem ersten Schritt wurde mit Aluminium bei Raumtemperatur untersucht, welcher minimale Krümmungsradius realisiert werden kann. Dazu wurde Reinaluminium der Güte 99.8 mit einer Höhenabnahme εh = 30 % und einem Bissverhältnis sB/h0 = 1,0 geschmiedet. Das Bauteil wurde mit dem anlagenseitig maximal verfügbaren Biegewinkel von 20° pro Hub in insgesamt 15 Hüben gekrümmt (Bild 3). Dabei wurde ein Krümmungsradius von 257 mm erreicht, der als untere Anlagengrenze für die Anwendung dieses Verfahrens angesehen werden kann. Die so erreichte Endgeometrie demonstriert das Potenzial dieses Verfahrens auch zum Schmieden beispielsweise von Ringsegmenten.

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Da freiformgeschmiedete Produkte zum überwiegenden Teil aus Stahl gefertigt werden, wurde das Verfahren im Anschluss auf die Warmumformung von Stahl übertragen. Hier besteht die besondere Herausforderung in der höheren Festigkeit von Stahl im Vergleich zu Aluminium sowie der Abkühlung der Werkstücke während der Schmiedung, was eine möglichst schnelle Prozessführung erfordert. Hierzu wurden unter anderem Werkstücke aus Vergütungsstahl mit einer Ausgangsgeometrie von 85 mm × 85 mm × 850 mm mit einem Biegewinkel von 10° pro Hub bei einem Bissverhältnis sB/h0=1 und einer Höhenabnahme von εh=30 % geschmiedet. Um die Reproduzierbarkeit des Verfahrens zu untersuchen, wurde der Versuch insgesamt vier Mal wiederholt und die resultierende Endgeometrie ausgewertet (Bild 4).

Gekrümmte Schmiedebauteile mit reproduzierbaren Ergebnissen erzeugt

Ein optischer Vergleich der Endgeometrien verdeutlicht, dass bei diesen Versuchen sehr ähnliche Krümmungen reproduzierbar erzielt werden konnten. Es konnte gezeigt werden, dass ein herkömmlicher Schmiederoboter durch eine neue Prozessstrategie genutzt werden kann, um aus Stahl Werkstücke mit einer signifikanten Krümmung zu erzeugen.

Eine weitere Verfahrensvariante, die im Rahmen der Untersuchungen entwickelt wurde, ist die Torsion von Bauteilen. Hierbei wird das Bauteil entlang seiner Längsachse während der Schmiedehübe kontinuierlich verdreht, sodass durch die Kombination mehrerer Umformschritte ein tordiertes Bauteil entsteht [5]. Potenzielle Anwendungsgebiete für dieses Verfahren sind zum Beispiel die Erzeugung von Vorformen für Turbinenschaufeln. Im Hinblick auf die Prozesskinematik wird bei diesem Verfahren die Zangendrehachse während des Schmiedehubs kontinuierlich um einen definierten Betrag verdreht.

Auch sehr homogene Torsionen mittels Freiformschmieden erzielbar

Bild 5 zeigt ein Bauteil aus Aluminium, welches inkrementell in 18 Hüben um insgesamt 370° tordiert wurde. Eine Auswertung der erreichten Bauteilgeometrie verdeutlicht, dass mit diesem Verfahren eine sehr homogene Torsion erreicht werden kann, da die durchschnittliche Abweichung zu einer ideal verteilten homogenen Torsion lediglich 3,7° beträgt.

Die hier dargestellten Untersuchungen zeigen, dass es durch die Überlagerung von Spannungen in der Umformzone während eines Schmiedehubs möglich ist, prozessintegriert die Herstellung komplexer Schmiedeteile zu ermöglichen. Durch die Umsetzung des neuen Verfahrensansatzes entsteht das Potenzial zur Erschließung neuer und flexibler Fertigungsketten für die Herstellung komplexer Bauteile in der Massivumformung. Neben der Umsetzung für das Freiformschmieden zur Fertigung gekrümmter Großbauteile bietet das Verfahren ebenfalls Potenzial für die Vorformherstellung beim Gesenkschmieden, da durch die Kombination der Verfahrensvarianten zum Beispiel eine Massenvorverteilung der Ausgangswerkstücke realisiert werden kann. Durch die Anwendung eines neuen Prozesskonzeptes kann so ein traditionelles Umformverfahren ohne signifikante Investitionskosten deutlich flexibilisiert werden.

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Literatur

  • [1] Dürr, Oliver (2007): Beitrag zur Qualitätsverbesserung beim Freiformschmieden von Langprodukten und gekrümmten Formteilen, RWTH Aachen, Institut für Bildsame Formgebung, Dissertation
  • [2] Ziegelmayer, Oliver, et al. (2004): Untersuchung zur Herstellung flächig gekrümmter Bauteile durch den Einsatz der Robotertechnik beim Freiformschmieden, in: Mat.-Wiss. u. Werkstofftech., Vol. 35, S. 447-453
  • [3] Wolfgarten, Martin; Rosenstock, Dirk; Freitag, Jan; Hirt, Gerhard (2015): Experimental and Numerical Investigation on Controlling the Material Flow in Open-die Forging through Superimposed Manipulator Displacements, in: Key Engineering Materials, Vols. 651-653, S. 272-277
  • [4] Wolfgarten, Martin; Hirt, Gerhard (2016): New method for the manufacturing of curved workpieces by open-die forging, in: CIRP Annals Manufacturing Technology 65, Vol. 1, S. 285-288
  • [5] Wolfgarten, Martin; Rosenstock, Dirk; Hirt, Gerhard (2016): Freiformschmieden gekrümmter Bauteile durch überlagerte Manipulatorbewegungen, in: Aachener Stahlkolloquium: Ideen Form geben (Kongressband), S. 133-142

* Martin Wolfgarten und Paul Hibbe sind wissenschaftliche Mitarbeiter, Prof. Gerhard Hirt ist Lehrstuhlinhaber am Institut für Bildsame Formgebung der RWTH Aachen in 52056 Aachen

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