Vom Stahlblock zum Gesenkschmiedewerkzeug

Hoch beanspruchte Schmiedewerkzeuge aus mehrlagigen Schalen-Schweißverbunden. Hoch beanspruchte Gesenkschmiedewerkzeuge werden heute aus mehrlagigen Schalen-Schweißverbunden hergestellt. Dabei werden...

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Hoch beanspruchte Schmiedewerkzeuge aus mehrlagigen Schalen-SchweißverbundenHoch beanspruchte Gesenkschmiedewerkzeuge werden heute aus mehrlagigen Schalen-Schweißverbunden hergestellt. Dabei werden auf einem passend ausgefrästen Block aus Werkzeugstahl mehrere Lagen unterschiedlicher Schweißwerkstoffe aufgebracht, anschließend wird die endgültige Kontur durch HSC-Fräsen oder Senkerodieren herausgearbeitet. ,,Unsere Gesenkschmieden in Ennepetal und Brand-Erbisdorf fertigen pro Jahr mehr als 12 Millionen Schmiedestücke, überwiegend Sicherheitsteile für den Fahrwerksbereich wie zum Beispiel Achsschenkel, Querlenker oder Radträger, die höchsten Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit genügen müssen", erzählt Bruno Weiler, Werkleiter der Carl Dan. Peddinghaus GmbH & Co. KG in Daun. Hier befindet sich neben der mechanischen Bearbeitung auch der zentrale Werkzeugbau, in dem rund 80 Mitarbeiter die zahlreichen Gesenke aus Warmarbeitsstahl herstellen, die für die Schmiedeteilproduktion benötigt werden. Darüber hinaus werden hier auch Gesenkwerkzeuge im Lohnauftrag für Fremdkunden hergestellt.Die Beanspruchung der Gesenke beim Schmieden kann ohne weiteres als extrem hoch bezeichnet werden: Die Schmiederohlinge haben Temperaturen bis über 1200 °C, und die Pressen drücken die Gesenke mit bis zu 80 MN (8000 t) über dem glühenden Stahl zusammen. Die mechanischen und thermischen Belastungen sind derart hoch, dass die formgebende Kontur der Gesenke meist schon nach rund 10 000 Einsatzzyklen so weit verschlissen ist, dass eine gründliche Instandsetzung erforderlich wird. Dazu müssen die Gesenke dann wieder nach Daun. Viele Formen durchlaufen im Verlauf ihres Lebenszyklus rund 20 bis 30 solcher Reparaturen, in manchen Fällen sind es auch schon mal mehr als 50. Dementsprechend hoch ist der Kostenanteil der Gesenkfertigung am Endpreis des Schmiedeteils. Insgesamt laufen pro Jahr rund 6000 Gesenke durch den Werkzeugbau. Daher ist es von großem Interesse für das Unternehmen, eine durchgehende Optimierung aller Prozesse bei der Herstellung und Instandhaltung dieser Werkzeuge sicherzustellen.Vom Monoblock zum Schweißverbundwerkstoff,,Heute realisieren wir einen großen Anteil unserer Gesenke als mehrlagigen Schalen-Schweißverbund, während wir Monoblockgesenke in der Regel nur bei kleineren Gesenkeinsätzen verwenden" verrät Andreas Leif, Leiter des Werkzeugbaus in Daun.Der Gesenkgrundkörper besteht hierbei aus einem höher angelassenen Warmarbeitsstahl mit einer Festigkeit von rund 1200 N/mm2 (Bild 1). In diesen Block wird zunächst eine Vertiefung eingebracht, die in etwa der gewünschten Gesenkgravur plus einer mindestens 10 bis 15 mm dicken ,,Schale" entspricht. Auf den Grundwerkstoff wird dann als erstes eine Zwischenlage mit einer Werkstofffestigkeit von etwa 1400 N/mm2 aufgebracht, darauf folgen weitere Lagen mit einer Werkstofffestigkeit von 1600 bis 1850 N/mm2 in einer Dicke, die genügend ,,Fleisch" für das Herausarbeiten der endgültigen Kontur durch Senkerodieren oder Fräsen lässt (Bild 2). Die Härte der Gesenke liegt im Schnitt zwischen 50 bis 55 HRC, fallweise erreicht man auch 57 HRC. An besonders hoch beanspruchten Stellen wird bei Bedarf noch örtlich mit hochwarmfesten Stelliten aufgepanzert.Ähnlich verfährt man auch mit den hereinkommenden verschlissenen Gesenken, deren Gravur ebenfalls schweißtechnisch neu aufgebaut wird. Das sei, so Leif, zwar aufwendiger als die früher angewandte Methode, die Teilungsebene abzuarbeiten und die Gravur ,,nachzusetzen", um anschließend zum Höhenausgleich in der Presse dann dünne Platten unter das Gesenk zu spannen. Unter dem Strich habe man mit dem jetzt praktizierten Verfahren jedoch Standmengenvorteile erzielen können, die den Aufwand rechtfertigen. Außerdem führe das Hantieren mit Unterlegplatten angesichts der heute von Schmiedeteilen geforderten extrem engen Abmessungstoleranzen im Bereich von wenigen Zehntel Millimeter zu schwer beherrschbaren Qualitätsrisiken: Eine Gesenkschmiede sei nun einmal kein feinmechanischer Betrieb.Vor dem Aufbauen der Kontur durch Schweißen wird das Gesenk auf rund 450 °C vorgewärmt. Zudem arbeitet der Mitarbeiter unter Vollschutz. ,,Diese Arbeit ist äußerst hart, darüber hinaus kann der Mensch nicht so gleichmäßig arbeiten wie ein Automat" erläutert Leif. Deshalb habe man schon 1995 damit begonnen, die Möglichkeiten einer Automatisierung durch Einsatz von Robotern zu untersuchen. Auf diesem Gebiet sei man inzwischen weltweit führend. Da man hierbei mit fest aufgespanntem Gesenk auf einem Dreh-Kipptisch arbeite, könne man in Bereichen mit stärkerer Profilierung nicht konturnah schweißen, weil sonst das Schweißbad weglaufe. Deshalb müsse man zur Zeit solche Bereiche noch verfüllen und dann die Kontur spanend wieder herausarbeiten. Das sei natürlich weder unter Kosten- noch unter Zeitaspekten optimal. Man beschäftige sich jedoch bereits mit entsprechenden Lösungsmöglichkeiten: Sowohl die Software für die Roboterprogrammierung als auch die eingesetzte Prozesssensorik werde dann in der Lage sein, auch stark profilierte Gravurbereiche konturnah ,,abzuschweißen".Vom Senkerodieren zum HSC-Fräsen,,Bei der Bearbeitung gehen wir zur Zeit zügig vom Senkerodieren zum HSC-Fräsen über", sagt Dr.-Ing. Frank Bargel, Assistent der Werkleitung. Früher habe man Gesenke fast ausschließlich durch Senkerodieren hergestellt. Die benötigten Elektroden erzeugte man durch gießtechnisches Abformen von Modellen. Eine erste 3-Achs-HSC-Fräse habe man bereits 1996 gekauft, damals allerdings zunächst für das Herstellen von Elektroden (Bild 3). Im Jahr 1998 folgten dann weitere Investitionen. Heute verfüge man über fünf 3-Achs-HSC-Fräsen für die Bearbeitung von Stahl sowie über zwei 3-Achs-Anlagen für die Elektrodenherstellung, daneben auch noch über einige Bearbeitungszentren und Vertikal-Fräsmaschinen, die für die Blockvorbearbeitung eingesetzt werden. Inzwischen fertige man bereits rund 70 bis 75% aller Formen durch direktes Fräsen, während der Anteil des Senkerodierens nur noch bei 25% liege. Die benötigten NC-Programme erzeugt man mit Hilfe der Software Work NC auf der Grundlage von CAD-Geometriedaten im ProE-Format, die per Rechnerverbund von der Engineeringabteilung in Ennepetal herübergeholt werden. Die Fräsleistung wird zusätzlich durch das Programm NCSpeed erhöht, das den Vorschub je nach Eingriffsbedingungen verändert. Damit erreiche man bis zu 20% Zeitersparnis. Die NC-Programme verwaltet man mit Hilfe einer selbst erstellten Datenbanksoftware auf SQL-Basis, die auch über eine Schnittstelle zum SAP-System verfügt. ,,Entscheidender Schritt für die weitere Steigerung des Anteils gefräster Formen ist der Übergang von der 3- zur 5-Achs-Bearbeitung", verrät Bargel. Nur mit deren zusätzlichen Freiheitsgraden bei der Werkzeuganstellung könne man solche Gesenke, die tiefe und schmale ,,Taschen" mit steilen Seitenwänden und/oder engen Radien am Grund aufweisen, mit ausreichender Qualität bearbeiten. Bei drei Achsen würden die erforderlichen schlanken Werkzeuge zu stark ausgelenkt. Außerdem könne man nur mit fünf Achsen die an den Seitenflächen des Gesenks erforderliche Bearbeitung in einer Aufspannung durchführen. Nach längerer Suche habe man jetzt ein System gefunden, das die nötigen Abmessungen und Leistungen biete, um auch fünf Tonnen schwere Gesenke zu handhaben und wirtschaftlich zu bearbeiten. Zur Zeit nehme man gerade einen neu konzipierten Prototypen einer 5-Achsen-Fräse von Mikromat in Betrieb. Besonderheit des Systems sei, dass wegen der erforderlichen Schnittleistungen keine Motorspindel zum Einsatz komme, sondern ein Getriebe-Gabelkopf (Bild 4). Damit erreiche man an der Spindel ein Drehmoment von 800 Nm bei Drehzahlen bis zu 5000 min-1, womit sich insbesondere bei der Neuerstellung von Gesenken große Zerspanungsvolumina realisieren lassen.Im HSC-Fräsbereich soll in den nächsten Jahren die 5-Achs-Bearbeitung ebenfalls eingesetzt werden, womit dann der Anteil des HSC-Fräsens an der Gesenkfertigung auf rund 90 bis 95% steigen wird. Inwieweit der Einsatz von Parallelkinematiken hierbei eine entscheidende Rolle spielen wird, muss sich zeigen. Vollständig verdrängen könne man das Senkerodieren allerdings nicht, da es einen gewissen Prozentsatz an Gesenken mit so tiefen und engen Taschen gebe, dass man da mit dem Fräser nicht mehr ,,hinlangen" könne.