Ausgewählte Ergebnisse der Simulation für Stempel-Geometrie A: Deutlich zu erkennen ist, dass die größte Umformung im Bereich der Lochung stattfindet.

Bilder: IPH

Fertigungsfolge des Langteils: Der Hauptteil der Umformung findet durch das Einfahren des Lochstempels statt.

Umformen plus gratlos Lochen

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Dass die Kombination von Umformung und gratlosem Lochen anwendbar ist, konnte in von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekten belegt werden. Die grundsätzliche Machbarkeit hatte im ersten Schritt bereits die Simulation mit dem Programm Forge 2008 nachgewiesen. Zuvor waren die Anforderungen an das Bauteil und die Konstruktion des Werkzeugs festgelegt worden. Diese sind ein Teil mit ausgeprägter Längsachse nebst Lochung, ein gratfreies Schließen der Gesenke sowie die Umformung und Lochung des Werkstücks in allein einem Schritt ohne Vorform-Operationen, mithin der Verfahrensintegration. Anhand eines Beispielteils, das an die Geometrie von Gelenkköpfen angelehnt wurde, konnten die Parameter Faltenbildung, benötigte Kraft, resultierende Spannungen im Werkzeug, Rissbildung und Umformgrad des Bauteils untersucht werden. Im Lauf der Simulationen haben sich die Druckspannung und der Umformgrad als wichtigste Parameter herausgestellt. Die ersten Ergebnisse haben gezeigt, dass aufgrund der alleinigen Umformung durch den Stempel die Druckspannungen im Werkzeug sehr hoch sind. Sie übersteigen die im Werkzeug zulässigen Spannungen des Werkzeugstahls (Werkstoffnummer 1.2365, Rp0,2 = 750 N/mm²), sodass Bruch auftreten kann. Die Spannungen im Kopfbereich des Werkstücks liegen bei 1540 bis 3500 N/mm².
Um dem entgegenzuwirken, wurde zunächst versucht, durch unterschiedliche Rohteil-Geometrien die Spannungen zu reduzieren. Hierzu wurde Stangenmaterial mit einem zylindrischen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt als Vormaterial eingesetzt. Unterschiedliche Vormaterial-Geometrien beeinflussen je nach Bauteil-Geometrie den Materialfluss positiv. Durch unterschiedliche Vormaterial-Geometrien konnten die Spannungen nicht hinreichend reduziert werden. Der von lediglich einem umformenden Element – dem Stempel – ausgehende Materialfluss ist ausschlaggebend für die Entstehung der hohen Spannungen. Um einen weiteren möglichen Einfluss auf die Spannungen aufgrund der Steglänge des Bauteils auszuschließen, wurde eine Simulationsreihe mit unterschiedlichen Steglängen durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulationsreihe zeigten keinen signifikanten Einfluss der Steglänge auf die entstehenden Spannungen.

Die Ergebnisse der Simulationen zeigten somit, dass der Umformprozess modifiziert werden musste. Um den Umformprozess ohne Werkzeugbruch durchführen zu können, mussten die Gesenke umkonstruiert werden. Eine Auskerbung am Steg des Bauteils wurde hinzugefügt, um den Materialfluss in Richtung des Bauteilendes zu begünstigen. Des Weiteren wurden die Gesenke so konstruiert, dass das Rohteil bereits beim Schließvorgang zum Teil umgeformt wird. Hierdurch konnten die auftretenden Druckspannungen von 1540 bis 3500 N/mm² auf rund 520 N/mm² reduziert werden. Der Hauptteil der Umformung findet durch das Einfahren des Lochstempels statt.
Die Umformung wurde mit unterschiedlichen Lochstempel-Geometrien simuliert (Stirnfläche und Stempelkante), um den Einfluss der Stempelgeometrie auf den Materialfluss und auf die Umformkräfte zu analysieren. Die Geometrie der Lochstempel zeigte in der Simulation keinen signifikanten Einfluss auf den Materialfluss während der Umformung. Unterschiedliche Stempel-Geometrien führen jedoch zu abweichenden, auf den Unterstempel wirkenden Umformkräften. Die verschiedenen Stempel-Geometrien führten zu minimalen Unterschieden zwischen den Umformgraden im Scherbereich der Lochung. Weitere Einflüsse der Stempel-Geometrien auf das Bauteil konnten nicht festgestellt werden. Das große Bild vorliegenden Beitrags zeigt ausgewählte Ergebnisse der Simulation für die Stempel-Geometrie A. Deutlich zu erkennen ist, dass die größte Umformung im Bereich der Lochung stattfindet. Auch die im Verlauf der Umformung auftretenden Spannungen sind in diesem Bereich am größten. Die größte Belastung entsteht an der Stirnfläche des Umform- und Lochstempels durch die Verdrängung des Materials. Zur Verifikation der Simulationsergebnisse wurden auf einer Spindelpresse Schmiedeversuche durchgeführt. Dabei wurden auch die vier verschiedenen Lochstempel-Geometrien auf ihre Verschleißeigenschaften hin untersucht. Die geschmiedeten Bauteile wurden anschließend vermessen und Härte-, Rauheits-, Gefüge- und Faserverlaufs-Untersuchungen durchgeführt.

Die Ergebnisse aus den unterschiedlichen Simulationen können dazu genutzt werden, das Verfahren hinsichtlich der Verwendung mehrerer Lochstempel im Prozess weiter zu entwickeln. Ein Ziel ist die Reduzierung der auftretenden Spannungen im Werkzeug. Die ermöglicht eine Anwendung des Verfahrens auch für komplexere Bauteile. Die Simulationsergebnisse wie auch die anschließenden Schmiedeversuche haben gezeigt, dass das kombinierte Umformen und Lochen an einer Langteilgeometrie möglich ist. Die Oberfläche des erzeugten Durchbruchs wies keine großen Unterschiede auf, sodass kein signifikanter Einfluss der Stempel-Geometrien auf den Prozess festgestellt werden konnte. Die Untersuchungen an den geschmiedeten Bauteilen haben bewiesen, dass nahezu einbaufertige Bauteile mit Hilfe dieses Verfahrens hergestellt werden können. Das Verfahren lässt sich insoweit für eine Vielzahl der heute durch Schmiedeoperationen hergestellten Bauteile – entweder rotationssymmetrisch oder mit ausgeprägter Längsachse – anwenden.