Mechanismen zur Steuerung einer variablen Gratbahn und deren Einfluss auf die verschleiß- und volumenschwankungsabhängige Formfüllung beim Gesenkschmieden

Die am häufigsten verwendete Methode zum Umformen von Schmiedebauteilen in der Warmmassivumformung ist das gratbehaftete Gesenkschmieden. Dabei wird ein Materialüberschuss über die Gratbahn verdrängt und bildet den Grat. Die Gratbahn, welche üblicherweise unveränderlich ist, hat entscheidenden Einfluss auf den Stofffluss im Gesenk und damit auf die Formfüllung, die Materialausnutzung und weitere Prozesseigenschaften.

In dieser Arbeit wurde eine variable Gratbahn entwickelt, welche im Umformprozess in vertikaler Richtung veränderlich ist. Sie kann dazu genutzt werden den Stofffluss während des Umformprozesses zu verändern. Dadurch ist es möglich mehr Material im Gesenk zu halten und die Formfüllung zu verbessern. In experimentellen Versuchen wurde eine maximale Verbesserung der Steighöhe des Materials bei einem Versuchsbauteil von 4,6 mm bzw. 17,2 % erreicht. Zudem wurde der Einfluss verschiedener Parameter, wie der Werkstücktemperatur, der Freischaltkraft oder der Höhe der variablen Gratbahn evaluiert.

Zur Anwendung einer variablen Gratbahn auf andere Schmiedebauteile wurde eine Richtlinie auf Basis von FEM-Simulationen gestaltet. Die Richtlinie zeigt eine Empfehlung für ein Vorgehen zur Gestaltung einer variablen Gratbahn für verschiedene Schmiedebauteile zur Verbesserung der Formfüllung auf.

Massivumformung, Finite-Elemente-Methode (FEM), Gratbahn, Stofffluss, Werkzeuggestaltung

Das verbreitetste Verfahren in der Massivumformung ist das Gesenkschmieden mit Grat. Dabei wird mithilfe eines Materialüberschusses sichergestellt, dass die Form vollständig gefüllt wird. Das überschüssige Material entweicht über die Gratbahn, die somit großen Einfluss auf die Formfüllung hat. Üblicherweise werden Form und Abmessungen der Gratbahn während der Gesenkherstellung festgelegt und können während des Schmiedeprozesses nicht mehr verändert werden. Durch den Einsatz einer variablen Gratbahn, die während des Schmiedeprozesses aktiv gesteuert werden kann, ist es möglich, den Materialfluss zu verändert und die Formfüllung zu verbessern. In diesem Beitrag wird eine variable Gratbahn für den Einsatz in der Warmmassivumformung beschrieben und der Einfluss eines solchen Systems auf die Formfüllung ermittelt. Als Vergleichsgegenstand wird ein konventioneller Schmiedeprozess mit einer festen Gratbahn herangezogen. Des Weiteren werden die Ergebnisse experimenteller Versuche mit den Ergebnissen der korrespondierenden FEM-Simulationen verglichen. Zudem wird untersucht, welchen Einfluss die Ausgangstemperatur des Rohlings hat. Die experimentellen Schmiedeversuche haben gezeigt, dass die variable Gratbahn den Materialfluss erheblich beeinflusst – umso mehr, je höher der Gratanteil ist. Die variable Gratbahn ist als 2 mm hohe Sperre konstruiert. Ihr Einsatz führt zu Steighöhenunterschieden von bis zu 4,5 mm – das entspricht 16,6 % der Bauteilhöhe im Vergleich zu konventionell geschmiedeten Bauteilen. Wird die Schmiedetemperatur von 1200 °C auf 1000 °C reduziert, sinkt der Einfluss der variablen Gratbahn: Die durchschnittlichen Steighöhenunterschiede liegen dabei rund 0,5 mm (etwa 3 %) niedriger.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Das meist verbreitetste Verfahren der Massivumformung ist Gesenkschmieden mit Grat. Ein Ziel der Industrie ist es diesen Grat zu reduzieren. Bei geometrisch komplizierten Teilen wie Kurbelwellen kann die Gratreduzierung durch gratloses Vorformen und gratreduziertes Fertigschmieden erreicht werden. Eine entsprechende Prozessauslegung ist jedoch deutlich komplizierter und es können Fehler wie unzureichende Formfüllung auftreten. Eine bewegliche, gesteuerte Gratbahn ermöglicht eine Veränderung des Materialflusses und eine verbesserte Formfüllung. In dieser Veröffentlichung wird das gratlose Vorformen für Kurbelwellen unter Einsatz einer gesteuerten Gratbahn beschrieben.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Unterschiedliche Rohteilabmessungen oder ein fortgeschrittener Gesenkverschleiß vergrößern die Gefahr herstellungsbedingter geometrischer Schwankungen von Schmiedeteilen. Dies kann zu Ausschuss führen. Meist werden diese Schwankungen durch eine erhöhte Einsatzmasse kompensiert und somit eine geringere Materialeffizienz in Kauf genommen. In einem Forschungsprojekt wurde untersucht, wie durch den Einsatz einer beweglichen Gratbahn im Schmiedewerkzeug der Stofffluss beeinflusst und somit die Qualität der Schmiedebauteile verbessert werden kann.

Schmieden, Werkzeugkonstruktion, Stofffluss, FEM, Gratbahn

Schmiedeteile haben geometrische Schwankungen, bedingt beispielsweise durch den Gesenkverschleiß. Die Untersuchung von Kompensationsmöglichkeiten durch eine per FEM-Simulation gesteuerte Gratbahn wies nach, wie weit der Stofffluss sich im Moment der Umformung variieren lässt. Dies eröffnet Potential, das Schmiedeergebnis weiter zu verbessern.

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