Entwicklung einer variablen halbwarmen Schmiedeprozesskette

Halbwarm geschmiedete Werkstücke weisen im Vergleich zu warm geschmiedeten Vorteile auf, wie z. B. bessere Oberflächenqualitäten, geringere Randentkohlung und engere Toleranzen. Das geometrische Spektrum halbwarm geschmiedeter Werkstücke ist bislang begrenzt. Durch das Querkeilwalzen kann dieses Spektrum um zylindrische Langteile erweitert und zusätzliches Potential z. B. in Form von Materialeinsparung und kurzen Taktzeiten genutzt werden. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Auslegung von Querkeilwalzprozessen entwickelt und ein Parameterfenster zum halbwarmen Querkeilwalzen abgeleitet. Die entwickelte Methode beinhaltet FEM-Simulationen und experimentelle Untersuchungen mit einem geometrisch kleinskalierten Walzprozess. Für die experimentellen Untersuchungen wird ein Querkeilwalzapparat entwickelt, der in eine hydraulische Presse integriert werden kann und die Montage unterschiedlicher Keilwerkzeuge in Flachbackenbauart erlaubt. Die Ergebnisse der FEM-Simulationen und kleinskalierten Untersuchungen werden auf einen zum Vorformen dienenden industriellen Querkeilwalzprozess innerhalb einer Schmiedeprozesskette zur Herstellung eines Zweipunkt-Lenkers übertragen.

Massivumformung, Querkeilwalzen, halbwarm, Kleinskalierung, Prozessauslegung

Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung eines halbwarmen Querkeilwalzprozesses mit einer Querschnittsflächenreduktion. Der Artikel enthält Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse (FEA), experimentelle Studien mit einem verkleinerten Werkstück und der Anpassung an die industriellen Werkstücke in Originalgröße. In den Simulationen wurden Werkzeuge mit Profilierung an der Seite verwendet. Die Downsizing-Methode wird erklärt und der Unterschied zwischen FEM, verkleinert und ursprünglich großen Werkstücken mit dem Fokus auf Umformkräfte, Temperaturverteilung und Defekte werden vorgestellt.

Halbwarmmassivumformung, Querkeilwalzen

Eine geeignete Technologie zur Vorformung hochbelasteter Schmiedeteile stellt das Querkeilwalzen dar. Mit einem neuartigen Modul zum Querkeilwalzen mit Flachbacken können aufwandsarm Untersuchungen durchgeführt werden. Um die bestehende geometrische Limitierung halbwarm geschmiedeter Stahlbauteile zu erweitern, wurde das Querkeilwalzen bei Temperaturen zwischen 650 °C und 950 °C erforscht. Zusätzlich wird durch erste Untersuchungen mit Aluminium die Nutzungsmöglichkeit des Moduls beschrieben.

Halbwarmumformung, Querkeilwalzen

Halbwarm geschmiedete Teile haben Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Warmschmiedeteilen: Engere Toleranzen, reduzierte Oberflächenrauheit, kein Zunder und eine reduzierte Randentkohlung. Jedoch ist das geometrische Spektrum der halbwarm geschmiedeten Teile durch hohe Fließspannungen beschränkt. Um diese geometrischen Einschränkung zu überwinden, wurden im Siebten Rahmenprogramm der EU im Forschungsprojekt "DeVaPro - Entwicklung einer Variable Warm Schmieden Prozesskette" neue Walz- und Schmiedeverfahren entwickelt. Im Mittelpunkt stand die Entwicklung der halbwarmen Vorformoperationen mittels Querkeilwalzen, gefolgt von einem Wiedererwärmen und halbwarmen Fertigschmieden in herkömmlichen Gesenken. In diesem Artikel werden die Ergebnisse der ersten experimentellen Tests und die Ergebnisse der Anwendung des halbwarmen Querkeilwalzens gezeigt.

Schrumpfungskorrektur, FEM

Querkeilwalzen ist ein Verfahren, mit dem zylindrische Bauteile ohne Schmiermittel gratlos umgeformt werden können. Vor dem Hintergrund steigender Materialkosten rückt dieses Verfahren zunehmend in den Fokus vieler Schmiedeunternehmen – jedoch verhindern die hohen Investitionskosten für Werkzeuge und Maschinen meistens die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Mit Flachbackenwerkzeugen und entsprechenden Walzmaschinen können Werkzeugkosten eingespart werden und das Verfahren wird somit auch für Kleinserien interessant. Darüber hinaus zeigen Untersuchungen des IPH, dass das QKW auch im Halbwarmtemperaturbereich anwendbar ist.

Halbwarmumformung, Prozesskette, Querkeilwalzen

Engere Toleranzen, reduzierte Oberflächenrauheit, kein Zunder und eine reduzierte Randentkohlung können durch Halbwarmumformung realisiert werden. Jedoch ist das geometrische Spektrum der halbwarm geschmiedeten Bauteile aufgrund hoher Fließspannungen begrenzt. Um diese Einschränkung zu überwinden werden innovative, halbwarme Querkeilwalz- und Schmiedeprozesse im Projekt entwickelt und in diesem Paper präsentiert. Um die Wirkung niedriger Temperaturen auf die Prozessparameter, z. B. Kraft, Gesenkverschleiß und Materialeigenschaften im Vergleich zur Warmumformung zu untersuchen wurden Finite-Elemente-Simulationen und experimentelle Tests mit verkleinerten Modellgeometrien durchgeführt. In diesem Beitrag wird der neue halbwarme Querkeilwalzprozess erläutert und die Ergebnisse der Querkeilwalz-Versuche (z. B. Werkstückeigenschaften), FE-Simulationen der Umformkräfte und Materialanalyse gezeigt. Die Ergebnisse dieser Analysen ermöglichen industrielle Anwendung von halbwarmen Querkeilwalzprozessen zum ersten Mal.

Halbwarmumformung, Prozesskette, Querkeilwalzen

In der Schmiedeindustrie ist das Querkeilwalzen ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Vorformen mit einer äußerst effizienten Materialausnutzung. Um das Auftreten von Materialfehlern während der Umformung zu verhindern, wird die Keilgeometrie der Werkzeuge an die angegebene Vorform eingepasst. Heute wird Querkeilwalzen innerhalb des warmen Temperaturbereichs durchgeführt. Um das halbwarme Querkeilwalzen zu analysieren entwickelten die Wissenschaftler am IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gemeinnützige GmbH ein Teststand für Querkeilwalzexperimente.

Halbwarmumformung, Prozesskette, Querkeilwalzen

Querkeilwalzen wird heute im warmen Temperaturbereich angewendet. Um dieses Verfahren auch bei halbwarmen Bauteiltemperaturen praktisch zu untersuchen, wurde am IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover ein Teststand für Querkeilwalzversuche entwickelt. Der entwickelte Versuchsstand erlaubt die praktische Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Werkstück- und Werkzeugtemperaturen, sowie Werkzeuggeometrien und Walzgeschwindigkeiten auf das Umformergebnis. Die Ergebnisse der praktischen Walzversuche liefern zukünftig Erkenntnisse zur bedarfsgerechten Gestaltung von Walzkeilgeometrien, Umformgeschwindigkeiten sowie Werkzeugtemperaturen im halbwarmen und warmen Temperaturbereich des Querkeilwalzens. Im Rahmen des Projektes DeVaPro leistet der Versuchsstand einen wichtigen Beitrag zur individuellen Umsetzung einer vollständigen schmiedetechnischen Prozesskette im halbwarmen Temperaturbereich.

Halbwarmumformung, Prozesskette, Querkeilwalzen

Halbwarm geschmiedete Teile haben Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Warmschmiedeteilen: Engere Toleranzen, reduzierte Oberflächenrauheit, kein Zunder und eine reduzierte Randentkohlung. Jedoch ist das geometrische Spektrum der Halbwarmschmiedeteile durch hohe Fließspannungen beschränkt. Um diese geometrischen Begrenzung zu überwinden werden neue Walz- und Schmiedeverfahren in dem europäischen Forschungsprojekt "DeVaPro - Entwicklung einer variablen Halbwarm-Schmiede- Prozesskette" entwickelt. Im Mittelpunkt steht die Gestaltung einer halbwarmen Vorformoperation durch Querkeilwalzen, gefolgt von einer Zwischenerwärmung und einem halbwarmen Fertigformen in herkömmlichen Gesenken. Um eine Vorstellung von der Wirkung der niedrigeren Temperaturen auf die Prozessparameter, z. B. Kraft, Gesenkverschleiß und Mikrostruktur im Gegensatz zu Warmschmiedeverfahren zu erhalten, werden FE-Simulationen und experimentelle Tests mit einem Modell durchgeführt. In diesem Beitrag werden der neue halbwarme Querkeilwalzprozess vorgestellt und die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen z. B. die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur dargestellt.

Halbwarmumformung, Prozesskette, Querkeilwalzen

Im Projekt "DeVaPro - Entwicklung einer variablen Warmumformungsprozesskette" wird ein neuer Walz- und Schmiedeprozesse entwickelt, um die geometrische Begrenzung der Halbwarmmassivumformung zu überwinden. Das Ziel des Projektes ist es, eine Prozesskette im halbwarmen Tempaturbereich zu entwickeln. Diese soll eine Auswahl der besten Vorformtechnologie beinhalten, um die gewünschte Massenverteilung vor der Halbwarmumformung zu erhalten. Die Technologie wird an die spezifischen Anforderungen der Halbwarmumformung angepasst. Ein Querkeilwalzvorgang und eine induktive Wiedererwärmung wird entwickelt. Eine Spurstange und ein Pleuel dienen als Musterteile.

Halbwarmumformung, Prozesskette, Querkeilwalzen