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Massivumformen

Stoffflussverhalten und Werkzeugverschleiß beim gratlosen Präzisionsschmieden

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Formgebung hat großen Einfluss auf Prozessparameter

Das IPH beschäftigt sich seit vielen Jahren mit dem gratlosen Präzisionsschmieden von komplexen nicht rotationssymmetrischen Schmiedeteilen, sogenannten Langteilen, und hat die Entwicklung dieser Verfahren maßgeblich geprägt. Trotz der genannten Vorteile werden gratlose Schmiedeverfahren bisher fast ausschließlich zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile, wie Kegelräder, industriell angewendet.

Bei Langteilen ist das Fließverhalten des Materials ungleich komplizierter, so dass Geometrieähnlichkeiten nur eingeschränkt zur Prozessauslegung für ein neues Teil herangezogen werden können. Darüber hinaus variieren die Geometrien von Langteilen enorm, wobei die Formgebung großen Einfluss auf Prozessparameter wie Spannungs- und Temperaturverteilung besitzt.

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Dies gestaltet eine direkte Übertragbarkeit von Prozesserkenntnissen zwischen verschiedenen Bauteilgeometrien schwierig. Aus diesen Gründen sind stets umfangreiche Simulationen bei der Prozessauslegung erforderlich.

Hohe mechanische Beanspruchung der Werkzeuge beim Präzisionsschmieden

In dem vor kurzem am IPH abgeschlossenen Forschungsprojekt „Innovative Maschinen- und Werkzeugtechnologien zum Präzisionsschmieden“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereiches (SFB) 489, wurde erstmals eine Zweizylinderkurbelwelle gratlos geschmiedet. Die vierstufige Prozessfolge bestand aus zwei Querfließpress-Schritten, einer mehrdirektionalen Umformung und einem abschließenden Präzisionsschmiedeschritt (Bild 4), [2]. An diesem Beispielbauteil konnte gezeigt werden, dass auch Langbauteile mit komplexer Geometrie und extremen Masseverteilungen über ihre Längsachse gratlos geschmiedet werden können.

Technische Herausforderung beim gratlosen Präzisionsschmieden sind oftmals auftretende hohe lokale Kontaktdrücke, Fließwege und -geschwindigkeiten mit entsprechenden Auswirkungen auf den Werkzeugverschleiß und die Standmenge.

Massivumformoperationen besser beschreiben

Um die Verhältnisse bei Massivumformoperationen besser beschreiben zu können, lassen sich sämtliche Arten der Formfüllung auf die drei Grundarten Breiten, Stauchen und Steigen zurückführen (Bild 5). Breiten ist gekennzeichnet durch primäres Verdrängen des Werkstoffes nach außen, quer zur Richtung der Werkzeugschließbewegung, mit langen Gleitwegen unter hohen Normaldrücken. Beim Stauchen wird die Ausgangshöhe des Werkstücks verringert, ohne große Gleitwege entlang der Werkzeugkontaktfläche. Der Stofffluss erfolgt dabei primär in Richtung der Werkzeugschließbewegung. Das Ausfüllen tiefer Gravuren im Werkzeug bei einer stellenweisen Vergrößerung der Ausgangshöhe wird als Steigen bezeichnet und weist lange Gleitwege und hohe Normaldrücke auf das Werkzeug auf. Beim Steigen fließt der Werkstoff entgegengesetzt zur Werkzeugschließbewegung.

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