Pressentechnik Spezialpresse für Motorventile vereint bewährte Techniken

Lasco Umformtechnik hat eine neue Doppelpresse entwickelt, die die Technik der elektro-ölhydraulischen Pressen und der Spindelpressen in einem Aggregat vereint. Mit dem neuen Verfahren sollen bekannte Schwierigkeiten bei der Produktion von Motorventilen vermieden werden. Hydraulische Pressen mit variabler Pressgeschwindigkeit bieten sich als Alternative für die Fließproduktion an.

Anbieter zum Thema

Franke GmbH

G+K Umformtechnik GmbH

trivid GmbH

LASCO Umformtechnik GmbH

Klassische Hürden der etablierten Prozesse sind Einschränkungen in der maximal möglichen Fließ- und damit Pressgeschwindigkeit sowie die Druckberührzeit, welche direkten Einfluss auf die Werkzeugstandzeiten hat. Insbesondere die Kombination des Fließpressens und des Fertigschmiedens auf einer zwangsläufig angepassten Presse bergen ein hohes Risiko für die Verfahrenssicherheit.

Vor der näheren Betrachtung des neu konzipierten Fließpressverfahrens sollen in einem ersten Schritt die bisher hauptsächlich angewendeten Verfahren betrachtet werden.

Elektrostauchen und Fertigpressen

Das Elektrostauchen zur Herstellung der Vorform ist prinzipiell ein vorteilhaftes Verfahren. Speziell bei der Verarbeitung exotischer Werkstoffe bieten die Regelungsmöglichkeiten für Heizstrom, Stauchkraft, Stauchgeschwindigkeit und Knicklänge die Möglichkeit, den Prozess genau zu steuern. Es ist zudem keine separate Erwärmungsanlage nötig und das Werkstück ist weitgehend zunderfrei (Bild 1).

Die konduktive Erwärmung (Widerstandserwärmung) ist wirtschaftlich günstig, das System ist sofort betriebsbereit. Die induktive Vorwärmung der Ambossplatte verhindert, dass sich insbesondere beim Anlaufbetrieb eine ringförmige Markierung auf der Ventiloberfläche abzeichnet. Beim Fertigpressen zeigt die Praxis eine deutlich kürzere Berührzeit bei der Anwendung von Spindelpressen als bei Exzenterpressen.

Ein zweites gebräuchliches Verfahren ist das Fließpressen nach induktiver Erwärmung und das anschließende Fertigpressen in zwei gleichzeitig belegten Gesenken auf Exzenterpressen mit vergrößertem Hub und Drehzahlreduzierung. Dabei sind die Fließgeschwindigkeit und die relativ lange Berührzeit beim Fertigformen kritische Faktoren. Nach Aussagen von Ventilherstellern liegt die kritische Fließgeschwindigkeit bei hochlegierten Materialien für Auslassventile bei zirka 1,5 m/s. Bedingt durch das Flächenverhältnis des Ausgangsmaterials zum Schaft darf die mittlere Pressgeschwindigkeit nur zirka 0,094 m/s betragen. Unter Berücksichtigung dieser

Überlegungen ergibt sich aus der dargestellten Berechnung aber bereits eine Pressgeschwindigkeit von 0,1768 m/s. Fügt man der benötigten Zeit zum Durchfahren des Winkels noch die Zeit für das Entspannen des gedehnten Pressengestells hinzu, so ergibt sich eine Berührzeit zwischen Fließpressdorn und Werkstück von zirka 0,2 s.

Fließpressen und Fertigpressen mit dem Fuji-Valve-Verfahren

Auch hier erfolgt der Fließpressvorgang nach induktiver Erwärmung. Das Fertigpressen wird nach dem so genannten Fuji-Valve-Verfahren realisiert: in zwei beziehungsweise vier gleichzeitig belegten Gesenken auf Spindelpressen. Dieses Verfahren bedingt wegen der kritischen Fließgeschwindigkeit eine stark reduzierte Pressgeschwindigkeit. Nimmt man die angesprochenen Berechnungen als tendenziell richtig an, zeigt das Energie-Geschwindigkeits-Diagramm durch die verfahrensbedingt überdimensionierten Spindelpressen eine hohe Kraft- und Energieverschwendung (Bild 2). Die durch die reduzierte Pressgeschwindigkeit erhöhte Berührzeit ist ein weiterer Nachteil.

Eine Option dieses Verfahrens ist, dass die eingesetzten Spindelpressen die Fließpress- und Fertigschmiedeoperation in zwei Hüben getrennt voneinander mit verschiedenen Geschwindigkeiten ausführen. Damit gestalten sich die Parameter Fließgeschwindigkeit und Berührzeit und somit auch die Standzeit der Fertigschmiedewerkzeuge günstiger.

Es bleiben aber folgende Nachteile: Bei Doppelbelegungen müssen zwei Rohlinge zur gleichen Zeit mit absolut gleicher Temperatur verfügbar sein. Fertig gepresste Ventile fallen nur bei jedem zweiten Pressenhub an. Beim Fließpressvorgang arbeitet die Presse weit unter ihren Möglichkeiten. Die Fließpresswerkzeuge haben eine begrenzte Lebensdauer.

Ein weiteres Verfahren, das stufenweise Anstauchen und Fertigpressen auf mechanischen Stauchmaschinen ohne Erwärmung, alternativ mit partieller Erwärmung, wird heute in der Praxis nur noch sehr selten angewendet.

Das neue Aggregat greift die Verfahrenspraxis bei der Fertigung von Motorventilen auf, die sich typisch in zwei Arbeitsgänge gliedert: Vorformen durch Elektrostauchen oder Fließpressen und Fertigpressen auf einer Presse. Die Nachteile der bisher angewendeten Verfahren können durch die Anwendung einer hydraulischen Presse zum Fließpressen und einer Spindelpresse zum Fertigpressen der Ventilteller vermieden werden.

Der erste Entwurf, den Lasco erstellte, sah eine hydraulische Presse mit zwei Stößeln und zwei Pressstationen vor, die wegen der abwechselnden Belegung ausreichend Zeit für Gesenkpflege bietet. Der wegen des räumlichen Abstandes der Fließpressen und der Fertigpresse unvermeidliche Temperaturabfall der fließgepressten Rohlinge konnte durch Kombination der Pressen in einem Gestell vermieden werden.

Die derzeitige Entwicklungsstufe ist eine hydraulische Presse, die in Tisch und Stößel mit zwei mittenversetzten Drehtischen ausgerüstet ist, um sowohl die Temperaturbelastung der Fließpressdorne als auch der Fließpressgesenke zu reduzieren. Durch die Integration beider Prozessschritte in einer Werkzeugmaschine ergeben sich deutliche Vorteile in der Verfahrenssicherheit.

Vorteile des neuen Verfahrens

In abgestimmter Taktfolge zwischen Induktionserwärmung und Pressensystem fällt jeweils ein auf korrekte Schmiedetemperatur geprüfter Rohling direkt in das erste des mit vier Gesenken bestückten unteren Drehtisches. Nach der ersten Vierteldrehung (90°) erfolgt die Fließpressoperation, nach der zweiten das Ausheben und der Transfer in das Fertigpressgesenk, nach der dritten die Gesenkpflege und nach der vierten wiederholt sich der beschriebene Vorgang. Zur Erhöhung der Standzeit wird durch synchrone Drehung des Drehtisches am Stößel jede Fließpressoperation mit einem anderen Dorn ausgeführt. Das fertiggeschmiedete Ventil wird durch einen weiteren Transferarm auf die Abführrutsche abgelegt.

Zwangsläufig ergeben sich bei konstanten Rohlingsabmessungen, bedingt durch den Verschleiß der Fließpressdüsen, unterschiedliche Schaftlängen. Das für die folgende mechanische Bearbeitung erforderliche Ablängen des überflüssigen Schaftes kann durch einen Regelkreis vermieden werden. Nach dem Fertigpressen des Ventils wird die Gesamtlänge gemessen und der Hub der hydraulischen Fließpresse so beeinflusst, dass die Schaftlänge gleich bleibt und das überschüssige Materialvolumen in der Kopf- beziehungsweise Tellerdicke aufgefangen wird.

Bedingt durch die relativ lange Druckberührzeit und die dadurch folgende kurze Werkzeugstandzeit bei hydraulischen Pressen, sollten zum Fertigschmieden der Ventilteller Spindelpressen eingesetzt werden. Der Schlag einer Spindelpresse ist vergleichbar mit einem hochfrequenten Schwingungsvorgang, die Druckberührzeit liegt nach Berechnungen und Erfahrungen bei etwa 50 bis 60 ms. Die erreichten Gesenkstandzeiten beim Ausschmieden von Ventiltellern betragen nach Kundenaussagen 200000 bis 300000 Stück unter Verwendung von Hartmetall-Gesenkeinsätzen.

Franz Suttan ist technischer Vertriebsassistent der Geschäftsführung der Lasco Umformtechnik GmbH in 96450 Coburg, Tel. (09561) 642-0, lasco@lasco.de

(ID:218931)