Abbildung 1a: Skalierte Vorform als dreidimensionale Ansicht.

Bilder: IFUM

Abbildung 1b: Skalierte Fertigform als dreidimensionale Ansicht.

Abbildung 2: Numerische Ermittlung der Umformgrade φ in den Bauteilen der Stadienfolge

Abbildung 3: CAD-Ansicht des gesamten Werkzeugsystems.

Abbildung 4a zeigt die auf dem angepassten Laborwerkzeug-System hergestellte Stadienfolge: Rohteil des Bauteils.

Abbildung 4b zeigt die auf dem angepassten Laborwerkzeug-System hergestellte Stadienfolge: Vorstufe des Bauteils.

Abbildung 4c zeigt die auf dem angepassten Laborwerkzeug-System hergestellte Stadienfolge: Fertigstufe des Bauteils.

Abbildung 5: Befestigung der Sprühdüsen am Transferbalken.

Sprühtechnik für Pressen

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Präzisionsschmiedeprozesse unter kurzen Taktzeiten stellen erhöhte Anforderungen an die Kühlschmiertechnik. Neben der Standmengensteigerung müssen aus betriebswirtschaftlicher und ökologischer Sicht geringere Schmierstoff- und Entsorgungskosten sowie eine Reduktion der Umweltbelastung durch geringere Sonderabfallmengen angestrebt werden. So wurden Verbesserungspotentiale in der Kühlschmiertechnologie unter Berücksichtigung von minimalen Schmierstoffeinsatzmengen erarbeitet. Eine möglichst feine Zerstäubung des Kühlschmierstoffs steht bei der Aufbringung auf die Umformwerkzeuge dabei im Vordergrund. Für die bestehende Exzenterpresse Speed Forge PK100S der Schuler AG am Hannoveraner Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) wurde ein neues Kühlschmierkonzept konzipiert. Die Sprühdauer zur Kühlung und Schmierung der Werkzeuge soll t = 1 s nicht überschreiten, um den automatisierten vierstufigen Schmiedeprozess nicht zu verlangsamen.
Die Auslegung der Stadienfolge einer Napfgeometrie und die darauf aufbauende Konstruktion der konturgebenden Werkzeuggeometrie wurden durch eine numerische Materialflusssimulation unterstützt. Als Simulationssoftware wurde hierzu die FE-Software Simufact.Forming 9.0 eingesetzt. Die so ausgelegte Vor- und Fertigform des zu schmiedenden Bauteils sind in Abbildung 1 als dreidimensionale Objekte dargestellt. Das numerische Berechnungsverfahren ermöglicht durch die thermomechanische Kopplung neben der Berechnung des Stoffflusses auch die Bestimmung der zu erwartenden Temperaturänderung am Werkstück und am Werkzeug. In der Stauchstufe (Stufe 1) erfolgt die Entzunderung. Es stellt sich ein maximaler Umformgrad von φmax = 0,4 ein. Das Werkstück erfährt in der Vor- und Fertigstufe (siehe Abbildung 2) einen maximalen Umformgrad von φmax = 5,8 bzw. 8,0. Das neu zu konstruierende Werkzeugsystem ist modular aufgebaut. So ist gewährleistet, dass das aufzubauende Kühlschmiersystem mit wenigen Anpassungen kompatibel für die unterschiedlichen Werkzeuggeometrien eingesetzt werden kann. In Abbildung 3 ist das gesamte Werkzeugsystem als CAD-Ansicht dargestellt.
Zur Ermittlung der Wärmemenge, die durch den Kontakt mit den Bauteilen in die Gesenkstufen eingebracht wird, wurden Kalorimetermessungen durchgeführt und zur statistischen Absicherung wiederholt. Eine genaue Vorhersage der benötigten Schmiermittelmengen kann somit getroffen werden. In Tabelle 1 sind die Mittelwerte für die Kalorimetermessungen der Laborversuche der Fertigstufe sowie die mittlere Energiedifferenz dargestellt.

Tabelle 1: Kalorimetermessungen der Laborversuche für die Vorformschmiedestufe

Tabelle 2 zeigt die Mittelwerte für die Kalorimetermessungen der Laborversuche der Fertigstufe sowie die mittlere Energiedifferenz.

Tabelle 2: Kalorimetermessungen der Laborversuche für die Fertigschmiedestufe

Die in der Auswertung der Kalorimetermessung dargestellte Wärmemenge Q wurde anhand folgender Gleichung berechnet:

(1)

ΔT berechnet sich aus der Temperaturdifferenz vor und nach jeder Schmiedestufe. Diese wurde in der Auswertung als TVerlust bezeichnet. CM bezeichnet die mittlere spezifische Wärmekapazität von Wasser und mM die mittlere Masse des einzusetzenden Kühlwassers. Hinzugerechnet werden muss die Umformarbeit, die während der Fertigschmiedestufe in Form von Wärmeenergie in das Werkstück eingebracht wird. Für die ideelle Umformarbeit Wid gilt unter Vernachlässigung der Temperaturerhöhung infolge von Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug sowie in Form von Verfestigung und Eigenspannungen gespeicherte potentielle Energie.

(2)

Dabei steht kfm für die mittlere Fließspannung, V für das Volumen und φmittel bezeichnet den Mittelwert des Umformgrads. Das Volumen des Werkstücks beträgt V = 32400 mm³. Für die Fließspannung bei im Mittel vorherrschenden 1100 °C wird eine konstante Fließspannung kfm = 200 N/mm² bei elasto-plastischer Betrachtung für die Warmumformung eingesetzt. Für die Vorformstufe ergibt sich nach Einsetzen des mit Hilfe der numerischen Methoden ermittelten Werts des eingebrachten Umformgrads von φmittel = 0,898 eine Wärmeenergie von Wid = 5,46 kNm. Die Gesamtwärmeenergie addiert sich zu Qges = 20,93 kJ. Für die Fertigformstufe ergibt sich mit dem ermittelten Umformgrad φmittel = 0,788 eine Wärmeenergie von Wid = 4,8 kNm und somit eine Gesamtwärmeenergie von Qges = 8,59 kJ. Um die benötigte Menge an Kühlmittel zu berechnen, wird folgende Formel verwendet. Dabei steht Qges für die gemessene Energie der Bauteile, die in die jeweilige Schmiedestufe eingebracht wird. cw bezeichnet die spezifische Wärmekapazität des Wassers. Sie nimmt bei Raumtemperatur einen Wert von cw = 4,19 kJ/(kgK) an.

(3)

Die Temperaturdifferenz ΔT ergibt sich aus der Erwärmung des verwendeten Kühlmittels (Wasser) von Umgebungstemperatur TU = 20 °C auf Siedetemperatur T = 100 °C. Daraus folgt eine Temperaturdifferenz ΔT = 80 °C. Die Verdampfungsenthalpie r ergibt sich bei einem Umgebungsdruck von pu = 1,01325 bar zu r = 2257 kJ/kg. Nach dem Einsetzen aller Werte in Gleichung (3) ergibt sich die benötigte Kühlmittelmenge für die Vorform- sowie die Fertigschmiedestufe von:

(4)


(5)

Um die Gesamtmenge des benötigten Kühlschmiermittels zu erhalten, werden zu den Ergebnissen des Kühlmittels noch rund 15 % der Gesamtmasse an Schmiermittel (Beruforge 393 C) addiert, welches aus dem Mischungsverhältnis Wasser zu Schmiermittel resultiert. Daraus folgt, dass für die Vorformstufe eine Kühlmittelmenge von 16 ml und für die Fertigformstufe eine Kühlmittelmenge von 7 ml erforderlich ist, um die Gesenkstufen ausreichend zu kühlen und zu schmieren. Nach der Berechnung der nötigen Kühlschmiermengen wurde zu Gunsten einer höheren Flexibilität entschieden, das Ausblasen und den Kühlschmierprozess zu trennen. Die Handhabung der Sprühdüsen im Presseninnenraum sollte aufgrund der geringen Taktzeiten und des begrenzten Platzangebots nicht über einen zusätzlichen Manipulator erfolgen. Die Befestigung der Düsen und der Zuführungen erfolgte somit direkt auf dem Transferbalken. Zusätzlich zu den Kühlschmierdüsen erfolgte die Befestigung von Rohren für die Ausblasluft ebenfalls direkt auf dem Transferbalken (Abbildung 5).
Als Düsen für die Vorform- sowie die Fertigschmiedestufe wurden eine Düse mit einem Durchmesser von 2,4 mm und einem Winkel von 60 ° sowie eine Düse mit einem Durchmesser von 1,9 mm und einem Winkel von 45 ° ausgewählt. In der Vorform musste in der Praxis der Dorn des Obergesenkes stärker gekühlt werden als das Untergesenk. Analog dazu musste in der Fertigform die untere Gesenkhälfte stärker gekühlt werden als der Pressdorn, so dass an diesen Stellen die Düsen mit dem größeren Durchmesser eingesetzt wurden. Das Schalten der Ventile wird anhand des Kurbelwinkels des Stößels festgelegt. Daraus ergibt sich eine Sprühdauer für die Vorform- von 0,3 s und für die Fertigformgeometrie von 0,2 s.