Ressourceneffiziente Schmiedeprozesskette für komplizierte Hochleistungsbauteile

Gratreduziertes Schmieden ist eine vielversprechende Alternative für komplizierte Hochleistungsschmiedeteile. Mittels einer neuartigen Prozesskette wurde die Möglichkeit geschaffen, den Gratanteil solcher komplizierter Schmiedeteile signifikant zu senken. So kann die Wettbewerbsfähigkeit von Schmiedeunternehmen gesteigert und deren Produktionskosten gesenkt werden. Die Europäische Union fördert ein Forschungsprojekt, in dem die Verbesserung von Kurbelwellen-Stadienfolgen durch gratreduziertes Schmieden erreicht werden soll. Um die Vorhersage von Schmiedeparametern in Simulationen zukünftiger Prozessauslegungen zu verbessern, wird eine bestehende Stadienfolge simuliert und mit dem industriellen Schmiedeprozess verglichen. Zusätzlich wurde eine Variation der Simulationsparameter verwendet, um deren Einfluss auf die Ergebnisse des Schmiedeprozesses zu ermitteln.

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Gratreduziertes Schmieden ist eine vielversprechende Alternative für das Schmieden von komplizierten Hochleistungsbauteilen. Die Anwendung von gratlosen Vorformenoperationen ist ein möglicher Ansatz, eine Gratreduktion zu erreichen. Die Vermeidung von Grat beim Vorformen durch komplett umschlossene Gesenke ist die Hauptherausforderung beim Gratlosschmieden, vor allem, wenn die Trennfuge der Gesenke in der Mitte der Schmiedeteile liegt. Um ein gratloses Vorformen zu ermöglichen, wurde ein Schließmechanismus entwickelt, der ohne Federn funktioniert.

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Beim Schmieden geometrisch komplizierter Teile wie Kurbelwellen ist ein Überschuss an Material (Grat) notwendig, um Teile guter Qualität erzeugen zu können. Die Materialausnutzung liegt zwischen 60 % und 80 %. Jedoch machen die Materialkosten beim Schmieden bis zu 50 % der gesamten Produktionskosten aus. Durch Verringerung des Gratanteils können die Materialverbrauch und die Produktionskosten in Schmiedeprozessen beträchtlich verringert werden. Für die Reduktion des Gratanteils einer Kurbelwelle, war die Entwicklung einer neuen Schmiedeabfolge notwendig. Diese Entwicklung wurde für eine industrielle Zweizylinder-Kurbelwelle durchgeführt, basierend auf Finite-Elemente-Analyse (FEA) Simulationen. Die neue Stadienfolge besteht aus drei gratlosen Vorformoperationen, einer induktive Wiedererwärmung gefolgt von einem mehrdirektionalen Schmieden und Fertigschmieden. Durch diese Stadienfolge wurde der Gratanteil von 54 % auf 10 % gesenkt. Aufgrund der hohen Gratreduktion kann von nun an Material und Energie gespart werden, wodurch die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens zunimmt.

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Je komplizierter eine Schmiedegeometrie ist, desto mehr Grat ist notwendig, um Formfüllung und ein fehlerfreies Schmiedeteil zu erreichen. Die meisten kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) schmieden viele unterschiedliche Teile in kleinen und mittleren Losgrößen und können nicht den hohen Aufwand betreiben, um effizientere Schmiedeverfahren zu entwickeln. Im Paper wird die Entwicklung einer ressourceneffizienten Schmiedeprozesskette für Kurbelwellen dargestellt. Die Stadienfolge besteht aus gratlosen Vorformschritten und einem gratreduzierten Fertigschmiedeschritt. Die Werkzeuge wurden entwickelt, um auf industriell genutzten, schnellen mechanischen Pressen zu funktionieren. Die letzte der vier gratlosen Vorformschritte ist eine mehrdirektionale Ausformung der Kurbelwangen und Versetzen der Lagerstellen. Um die Schmiedekräfte auf einem niedrigen Niveau zu halten und ein stabiles Schmiedeverfahren zu ermöglichen wurde eine Zwischenerwärmung mittels Induktion der Vorformteile vor dem mehrdirektionalen Schmieden entwickelt. Die Kurbelwellen wurden erfolgreich mit einem reduzierten Gratanteil von weniger als 10% geschmiedet.

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In der modernen Wirtschaft sind die effiziente Nutzung von Ressourcen sowie die Optimierung von Prozessen und Kostenmanagement wesentliche Wettbewerbsfaktoren. In der Metallindustrie nimmt der Wettbewerbsdruck ständig zu, und die Umsetzung der Wettbewerbsfaktoren ist wichtig, um im Geschäft zu bleiben. Die steigenden Preise für Energie und Stahl, zwingen die Hersteller dazu, diese Kostenfaktoren zu reduzieren. Mit Forschungsaktivitäten sind auch KMUs in der Lage, ihre Qualität zu verbessern, beispielsweise durch Verwendung von Warmschmiede-Prozessen. Um die Kosten auf einem niedrigen Niveau zu halten ist eine Reduzierung des verwendeten Materials notwendig. Aufgrund dieser Zielsetzung wurden in diesem Forschungsprojekt gratlose Vorformoperationen für eine Zweizylinder-Kurbelwelle entwickelt. Allerdings bedeutet dies sehr lange Simulations- und Entwicklungszeiten für die Gestaltung der Vorform-Gesenke. Ferner wird für komplexe Vorformwerkzeuge ein hochqualifizierter Werkzeugstahl benötigt.

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Beim Projekt REForCh geht es um die Materialeinsparung von wertvollen Materialien beim Umformvorgang von komplexen Bauteilen, wie z. B. Kurbelwellen. In dem EU-Projekt soll der Gratanteil einer Kurbelwelle reduziert werden. Konventionell hergestellt beträgt der Gratanteil 54 %, dieser soll auf mindestens 15 % reduziert werden. Dies soll primär erfolgen durch die Nutzung eines mehrdirektionalen Schmiedeschritts als Vorformoperation.

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Die Materialkosten machen bis zu 50 % der gesamten Produktionskosten aus. Durch Verminderung des Gratanteils lassen sich der Materialverbrauch und somit die Produktionskosten in Schmiedeprozessen verringern. Für komplizierte Schmiedeteile ist die Entwicklung einer neuen Stadienfolge notwendig, um einen gratreduzierten Schmiedeprozess zu erzielen. Diese Entwicklung wurde für eine Zweizylinder-Kurbelwelle durchgeführt. Die neue gratreduzierte Stadienfolge besteht aus gratlosen Vorformoperationen, einem induktiven Erwärmen von vorgeformten Werkstücken und einem finalen gratreduziertem Schmieden. Mit der Reduzierung des Gratanteils von 54 % auf 10 % wurde der Gesamtenergieverbrauch reduziert und die Wettbewerbsfähigkeit der schmiedenden KMU gesteigert.

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