Innenhochdruckumformwerkzeuge Werkzeugbau: Maßgeschneidert für jede Aufgabe

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Christian Karl Siebenwurst GmbH & Co. KG Modellbau & Formenbau

Bei Siebenwurst entstehen unter anderem große Innenhochdruckumformwerkzeuge für komplexe Automotive-Teile. Für den Automobilzulieferer Benteler bauen die Produktivitätsexperten derzeit ein Werkzeug für Achsträger, in dem drei unterschiedliche Komponenten umgeformt werden. Bei den Zylindern verlassen sie sich auf Sondermodelle ihres seit Jahrzehnten bewährten Partners AHP Merkle.

Siebenwurst hat einen guten Namen auch für komplexe Fertigungsaufgaben in der Automotive-Industrie. Neben Modellen entstehen am Standort Dietfurt im Altmühltal unter anderem Spritzgießwerkzeuge etwa für Stoßfänger, aber auch Umformwerkzeuge, Prägewerkzeuge und Werkzeuge für das Innenhochdruckumformen (IHU).

Mit dem Automoblizulieferer Benteler als Auftraggeber verbinden das Werkzeugbauunternehmen aus Dietfurt im Altmühltal bereits eine lange Partnerschaft und viele erfolgreiche gemeinsame Projekte. „Die Werkzeugauslegung kommt dabei in der Regel von Benteler“, erklärt Christian Stephan, Konstrukteur bei Siebenwurst. „Die Vorgaben sind bei den Projekten stets sehr konkret – die wissen genau, was sie benötigen. Da ist von vornherein klar, welcher Stahl verwendet wird oder wie groß die im Werkzeug eingesetzten Zylinder sein müssen.“

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Zwei Werkzeuge für Achsträger

Bei einem konkreten Projekt geht es um den Werkzeugsatz für Achsträger – gleichzeitig werden der linke und der rechte Längsträger sowie der Querträger in den Werkzeugen bearbeitet. Der Werkzeugsatz besteht zum einen aus einem Vorformwerkzeug, in dem die aus Rohren vorgeformten Teile für die Bearbeitung vorgeprägt werden. Das Herz der Bearbeitung ist indes das IHU-Werkzeug, in dem die Achsträger ihre endgültige Form bekommen und zugleich fertig bearbeitet werden.

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„Für uns ist dieses Projekt in mehrerlei Hinsicht eine Premiere“, erklärt Stephan. „Das aus Warmarbeitsstahl vorgeformte Rohr der Achsträgerkomponenten verfügt über eine relativ hohe Wandstärke, und der Druck, mit dem wir umformen, liegt etwa zweifach höher als sonst üblich.“ Zudem sollen im IHU-Werkzeug in das umgeformte Werkstück auch gleich definierte Öffnungen gestanzt werden.

Enge Zusammenarbeit mit Auftraggeber und Zulieferern

Benteler hatte auch bei diesem Werkzeug bereits umfassende Vorarbeiten geleistet und in der Werkzeugkonstruktion etwa das zu verwendende Material, aber auch die Spezifikationen der zu verbauenden Hydraulikzylinder berechnet und vorgegeben. Auch die Positionen für die späteren Öffnungen im Werkstück sind vorgegeben.

Die Konstrukteure bei Siebenwurst füllten diese Vorgaben mit Praxiswissen und konstruierten daraus Werkzeuge, die ihre Produktionsaufgaben präzise, schnell und prozesssicher umsetzen. Und die Konstrukteure bei AHP Merkle übernahmen den „Feinschliff“ und sorgten dafür, dass die Hydraulikzylinder auch in ihren Details auf Werkzeug und Anwendung hin optimiert sind.

In den Werkzeugen kommen Hydraulikzylinder für unterschiedlichste Aufgaben zum Einsatz. Das Spektrum reicht hier von den Zylindern, die die Rohrenden beim IHU-Vorgang sicher verschließen müssen, über die Zylinder zum Einbringen präziser Stanzöffnungen bis hin zu Zylindern für das Fixieren sowie das Anheben und Auswerfen der Werkstücke zur automatisierten robotergestützten Entnahme.

Zylinder sehr exakt nach dem tatsächlichen Bedarf fahren

„Bei Hydraulikzylindern verlassen wir uns seit Jahren auf Produkte von AHP Merkle“, betont Stephan. „Wir haben von Anfang an sehr gute Erfahrungen mit unseren Ansprechpartnern im Werk in Gottenheim, die Kommunikation ist hervorragend. Gerade auf Ebene der Konstruktionsabteilungen hat sich eine sehr enge und von gegenseitigem Verständnis geprägte Zusammenarbeit etabliert. Dazu kommt, dass auch die Qualität der Zylinder sehr gut ist – wir bekommen von unseren Auftraggebern durchwegs positive Rückmeldungen. Außerdem liefert AHP Merkle sehr termintreu – auch bei Sonderzylindern. Und letztendlich stimmt auch der Preis.“

Ins Vorformwerkzeug werden zunächst die Rohlinge eingelegt – das sind in einer Biegevorrichtung vorgeformte Rohre mit annähernd quadratischem Querschnitt. Das Vorformwerkzeug ist als Prägewerkzeug ausgeführt, in dem die Rohteile für Längs- und Querträger vorbearbeitet werden. Es formt die Konturen der Werkstücke beim Zusammenfahren grob aus.

In diesem Werkzeug übernehmen Blockzylinder zum einen das Fixieren der Werkstücke, zum anderen bringen sie auch an einer Stelle eine Fläche ins Rohr ein. „Darüber hinaus steckt jede Menge Sensorik im Werkzeug und an den Zylindern – die Vorgänge werden akribisch überwacht und dokumentiert“, ergänzt Stephan. „So können die Zylinder sehr exakt nach dem tatsächlichen Bedarf gefahren werden.“

Hohe Ansprüche an Zylinder im IHU-Werkzeug

Die Zylinder im IHU-Werkzeug haben schon ein anderes Kaliber. Speziell jene, die während der Umformphase gegen den Innendruck im Werkstück arbeiten müssen. Bei den Längsträgern sind dies insgesamt vier Rundzylinder mit 360 Millimetern Durchmesser, beim Querträger reicht ein Zylinderdurchmesser von 250 Millimetern.

„Eine Herausforderung beim IHU-Prozess ist, dass die Rohrelemente beim Umformen kürzer werden“, erläutert Stephan. „Hier müssen die Zylinder, die die Rohre verschließen, sehr feinfühlig nachjustieren, so dass ein absolut dichter Abschluss während des gesamten Umformvorgangs gewährleistet ist.“

Bei jedem Zyklus schließen die Zylinder mit ihren Dichtdornen das Werkzeug ab. Beim Schließen wird über spezielle Kanäle das Werkstück befüllt – hier geht es zunächst um den Aufbau des Gasvolumens. Den Hochdruck selbst – dabei wird nur relativ wenig Volumen bewegt – baut ein Hochdruckaggregat anschließend in einem separaten Kreislauf durch eine Zuführung in den Dichtdornen auf. Die Wand des Werkstücks wird damit gegen die Formkontur gedrückt und ausgeformt, das Werkstück erhält seine Form.

Bestehende Produktionspressen nachhaltig nutzen

„Bei Benteler geht man bewusst – selbstverständlich innerhalb sicherer und prozessstabiler Parameter – an Grenzen, um nachhaltig den vorhandenen Maschinenpark zu nutzen“, erklärt Stefan. „Umso wichtiger ist, dass alle beteiligten Komponenten bereits im Vorfeld optimal aufeinander abgestimmt sind.“

Noch unter Hochdruck werden von weiteren Zylindern mittels Stanzstempeln zahlreiche Öffnungen in das Werkstück eingebracht. Deren Parameter kommen ebenfalls aus der Werkzeugauslegung bei Benteler. Sie sind exakt auf die Materialdicke und die Größe der zu schaffenden Öffnung abgestimmt. Die mit einem Druck von 100 bar betriebenen Sonderzylinder sind auf Wunsch von Benteler auf die sehr engen Bauräume im Werkzeug angepasst.

Absolut gleichzeitiger Stanzvorgang

„Dabei ist es wichtig, dass das Stanzen überall absolut gleichzeitig passiert“, betont Stephan. „Denn sobald der erste Stempel durch die Wandung dringt, bricht der Druck im Inneren des Werkzeugs schlagartig zusammen.“

All diese Zylinder fahren am Ende wieder in ihre Ausgangsposition, bevor sich das Werkzeug auf der Presse wieder öffnet. Dann kommt ein weiterer Satz an Zylindern zum Einsatz, die dafür sorgen, dass das Werkstück nach dem Ausformen auf der Presse kontrolliert und schonend entformt werden kann.

Die Zylinder der obere Werkzeughälfte drücken die Werkstücke aus der Form, die Auswerfer der unteren Hälfte heben die Teile an. „So erfolgt eine sichere Entformung, und die Greifer des automatisierten Teilehandlings können die Komponenten sicher fassen und abtransportieren“, erklärt Stephan. „Für absolute Synchronizität werden die Zylinder für jedes Nest dabei über einen separaten Kreislauf angesteuert.“

Optimale Zykluszeit für komplexe Bearbeitungsfolge

Mit diesen Werkzeugen erreicht Benteler in der Herstellung der Achsträger eine optimale Zykluszeit – man ist hier sehr schnell für die komplexe Bearbeitungsfolge. „Die Verantwortlichen für die Auslegung der Werkzeuge bei Benteler haben richtig viel Ahnung von ihrer Aufgabe und von Hydraulik“, erklärt Stephan. „Unsere Werkzeugkonstruktion kann an die Vorgaben direkt andocken. Und dabei, das alles möglichst optimal in Stahl und Eisen umzusetzen, unterstützen uns die Konstrukteure bei AHP Merkle.“

Beim IHU-Werkzeug werden insgesamt 25 Kernzüge separat über die Zylinder bewegt. Ein Großteil der Zylinder ist mit einer speziellen Verdrehsicherung ausgestattet, die die Prozesssicherheit in der Produktion weiter erhöht.

Gewachsene partnerschaftliche Zusammenarbeit

Dass Merkle bei Siebenwurst rund 98 Prozent der Hydraulikzylinder liefert, ist kein Zufall. Die gelebten Werte der familiengeführten Unternehmen passen exzellent zusammen. Neben der hohen Qualität, kurzen Lieferzeiten, den individuell konfigurierbaren Zylindern und der fairen Preisgestaltung ist die jahrzehntelange hervorragende, offene und vertrauensvolle Zusammenarbeit der Konstruktionsabteilungen sicher einer der Schlüssel für den gemeinsamen Erfolg.

„Hier ist es ein großer Vorteil, dass die Experten bei AHP Merkle uns dabei sehr effektiv unterstützen und die genauen Spezifikationen akribisch in den Zylindern umsetzen“, betont Stephan. „Unsere Konstruktionsabteilungen haben da einen sehr kurzen Draht zueinander, und wir sprechen, was die technischen Lösungen betrifft, die gleiche Sprache. So bekommen wir die idealen Hydraulikzylinder, maßgeschneidert für den jeweiligen Einsatzfall, schnell und in hoher Qualität. AHP Merkle ist für uns ein wertvoller Partner, der zu uns passt und der nachhaltig in unserem Zulieferernetzwerk zu unserem Unternehmenserfolg beiträgt.“

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