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Verfahren

Vorformen spart Material

März 2012 — Beim Gesenkschmieden macht der Werkstoff bis zur Hälfte der Stückkosten aus. Das Material bereits im Vorfeld des Hauptaggregats geschickt zu proportionieren und analog die Endform anzupassen, ergibt daher Sinn. Zudem reduziert Vorverteilung den Materialfluss im Werkzeug und erhöht die Standzeit. Der Beitrag behandelt Anwendung und Aussichten.

Beim Gesenkschmieden ist es in der Regel nicht möglich, das Werkstück aus dem Rohling in ein und derselben Umformstufe oder Gravur zu erzeugen. Grenzen werden hier gesetzt durch den für das Material möglichen Umformgrad, die Stoffflusswege und Werkzeugbeanspruchung, vielfach aber auch durch das zur Verfügung stehende maximale Arbeitsvermögen und die Kraft des Umformaggregats. Vorformen dient zudem der Entzunderung. Neben der Fertiggravur wird so vielfach eine Vorschmiedegravur vorgesehen. Sie verbessert den Materialfluss und erhöht die Standzeit bei der Fertiggravur. Beim Schmieden auf Hämmern und Pressen werden vor der Vorschmiedegravur liegende einfache Operationen wie Plätten und Biegen im gleichen Schmiedeaggregat angeordnet. Umfangreichere Vorform-Arbeitsgänge, auf die im Folgenden eingegangen wird, werden auf separate Aggregate gelegt.

Die häufigsten und typischen Vorformoperationen sind in Abbildung 1 dargestellt. Stauchen, Plätten und Biegen können zweckmäßig auf hydraulischen Pressen durchgeführt werden. Der vorliegende Beitrag befasst sich hauptsächlich mit dem unteren Teil des Bildes und die daraus resultierende Ressourceneffizienz. Für das partielle Anstauchen von Stangenenden bietet sich das Elektrostauchen an. Recken von Rund- oder Vierkantmaterial wird auf Querkeil- und Reckwalzen, bei größeren Abmessungen auf hydraulischen Pressen durchgeführt. Das Elektro-Stauchverfahren ist bereits seit langem bekannt. Die früher häufige Anwendung wurde aufgrund von Materialkosten und durch konkurrierende Verfahren zurückgedrängt. Sie bietet jedoch auch heute noch durchaus technologisch und wirtschaftlich interessante Vorteile.

Beim Elektrostauchen und bei der reinen Widerstandserwärmung fließt bei niedriger Wechselspannung zwischen 3 V und 6 V ein hoher elektrischer Strom – je nach Durchmesser zwischen 40 000 A und 70 000 A – durch den zu erwärmenden Stangenabschnitt, der durch Kontaktelektroden mit unterschiedlichem Potential begrenzt wird. Durch die hohe Stromdichte und den ohmschen Widerstand des Materials erwärmt sich der Stangenabschnitt. Bei der reinen Widerstands- oder konduktiven Erwärmung erfolgt in aller Regel keine Verformung. Beim Elektro-Stauchverfahren erfolgt gleichzeitig mit der Erwärmung durch Vorschub über einen Hydraulikzylinder eine Volumenanhäufung. Mit wachsendem Materialvolumen wird der Abstand zwischen den Elektroden vergrößert. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Verfahren: das Freistauchen und das Formstauchen.


Voraussetzungen füs Elektrostauchen

Mit dem Elektro-Stauchverfahren lassen sich alle handelsüblichen Stähle und Nichteisenmetalle sowie hochwarmfeste Nickellegierungen verarbeiten. Für Kupfer und sehr hochleitende Werkstoffe gelten besondere Bedingungen: Einige Aluminiumlegierungen erfordern Stauchversuche. Zur Realisierung einer optimalen Stauch- und Erwärmungsgeschwindigkeit und damit einer fehlerfreien Volumenanhäufung ist eine elektrisch leitfähige Oberfläche erforderlich. Geeignete Oberflächenqualität lässt sich durch Ziehen, zum Beispiel spitzenloses Schleifen und Schälen erreichen. Mit dem Elektro-Stauchverfahren können einige bekannte Grenzen der Warmmassivumformung vermieden und die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden. Vorteile sind die Zusammenfassung von Erwärmung und Vorform-Operation in gleicher Maschine und die dabei praktisch unbegrenzte Umformlänge. Die aus dem Aufstauchen mit mechanischen Stauchmaschinen in mehreren Stufen bekannte maximale Umformlänge – etwa der dreifache Stabdurchmesser - kann wesentlich überschritten werden. So sind Umformlängen von 20 x Stabdurchmesser keine Seltenheit, siehe Abbildung 2. Es wurden bereits Umformlängen bis 40 x Stabdurchmesser realisiert.Beim Frei- und Formstauchen entsteht kein Längsgrat, wie er bei Waagerecht-Schmiedemaschinen kaum zu vermeiden ist. Wärmeenergie und Material werden nicht verschwendet, denn ausschließlich das Umformvolumen wird erwärmt. Der unverformte Schaftteil bleibt kalt. Die genaue Volumeneinhaltung erlaubt das gratlose Weiterverschmieden im geschlossenen Gesenk. Der spezifische Energieverbrauch mit zwischen 0,35 kWh/kg und 0,40 kWh/kg erwärmtem Material ist gering. Bedingt durch das gleichförmige Anwachsen des Kopfvolumens bleibt das erwärmte Material nahezu zunderfrei. Die Gesenke beim folgenden Fertigschmieden erreichen hohe Lebensdauer. Zur vollständigen Zundervermeidung kann halbwarm und bei hitzeempfindlichen Legierungen wie Titan mit Temperaturen gestaucht werden, die an die Materialspezifikation angepasst sind. Umweltbelastung durch Strahlungswärme, Rauchbildung und Abgase findet nicht statt.

Im Freistauch-Verfahren hergestellte Teile können ohne Zwischenerwärmung weiterverschmiedet werden. Es entsteht eine konstante Erwärmungstemperatur. Voraussetzung hierfür ist der über eine Thyristor-Steuerung einstellbare Heizstrom. Über Servoantrieb und programmierbare Steuerung werden die Parameter Stauch-, Ausweichgeschwindigkeit und Heizstrom unabhängig voneinander geregelt. Stauch- und Ausweichhub sind in mehrere variable Abschnitte unterteilt. Der Stauchprozess kann optimal den technischen Erfordernissen angepasst werden. Neben einer fehlerfreien Oberfläche bildet sich ein guter Faserverlauf. Er ist optimal der Werkstückform angepasst. Eine ideale Elektrostauchung ist frei von Überlappungen und Faltenbildung. Der kalte Schaft bleibt unbeschädigt.


Masse-Vorverteilung durch Walzen

Den Verfahren Querkeilwalzen und Reckwalzen ist gemeinsam, dass das Werkstück zwischen zwei werkzeugbestückten, rotierenden Walzen umgeformt wird. Die kontinuierliche Arbeitsweise erlaubt vollautomatisierte Prozesse. Lasco-Walzen haben einen wartungsarmen Direktantrieb, getrennt für jede der Walzen, die hydraulisch gespannt sind. Die Walzen lassen sich je nach Größe innerhalb von 5 min und 10 min wechseln. Ein steifes, mehrteiliges und vorgespanntes Pressengestell sorgt für eine exakte Einhaltung des Walzspalts und Reproduzierbarkeit aller technischen Parameter. Welche Materialeinsparungen durch Vorformen erreichbar sind, wird am Beispiel von Schmiedeteilen in Abbildung 3 deutlich, bei denen die Vorform über die Verfahren Querkeilwalzen und Reckwalzen erzeugt wurde.

Die Reckwalze ist zum Vorformen von Rund- und Vierkantmaterial konzipiert. Im Gegensatz zum Querkeilwalzen wird beim Reckwalzen der Rohling radial zu den Walzen zugeführt und in einzelnen Sektoren (Stichen) umgeformt. Der Rohling wird zwischen die gegenläufigen Walzen hineingezogen und erhält in mehreren Stichen die beabsichtigte Form. Abbildung 4

zeigt eine speziell für das Walzen von Rohlingen aus Aluminiumwerkstoff konzipierte Reckwalze. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, müssen die Prozessparameter beim Walzen von Aluminiumwerkstoffen in engen Grenzen gehalten werden. Die Werkzeuge werden über die elektrisch beheizten Walzen ständig auf eine Grundtemperatur von 200 °C aufgeheizt. Zusätzliche Heizstrahler halten die Werkzeugoberflächentemperaturen auf 250 °C. Über eine Sprüheinrichtung werden die Werkzeuge zyklisch mit Schmiermittel benetzt, um das Anhaften von Aluminium an den Stahlwerkzeugen zu verhindern.

Die Querkeilwalze ist zum Vor- und Endformen von rotationssymmetrischen Teilen aus Stahl und Aluminium konzipiert. Abbildung 5 zeigt einen Rundstab, der erwärmt zugeführt und zwischen zwei gleichläufig rotierenden, werkzeugbestückten Walzen zum Fertigteil abgerollt wurde. Während des Umformprozesses stützen zwei Führungslineale die Werkstücke ab. Das ortsfeste Teil dreht sich dabei zwischen den Walzen und ist exakt auf der geometrischen Mitte zwischen den Walzen positioniert. Nach Fertigstellung wird das Werkstück über eine Aussparung im rotierenden Walzwerkzeug ausgeworfen und abtransportiert. Aus der Praxis wissen wir, dass bei der Vorformung etwa von Doppelpleueln mit dem Querkeilwalzen im Vergleich zum Reckwalzen eine zusätzliche Materialersparnis zwischen 12 % und 15 % möglich ist. Mit dem Querkeil- und Reckwalzen können je nach Größe und Komplexität Vorformrohlinge bei Taktzeiten zwischen 4 s und 14 s hergestellt werden. Beide Verfahren erfordern für jede Rohlingsgeometrie eigene Werkzeuge. Durch die hohen Standzeiten der Werkzeuge – beim Querkeilwalzen bis zu bis 500 000 Teile – sind die Kosten pro Teil gering. Voraussetzung ist, dass diese Mengen auch zu produzieren sind.


Reckanlage schnell umrüstbar

Mit dem Axialvorschub-Querwalzen steht ein weiteres Verfahren zur Verfügung. Es ist ebenfalls dadurch gekennzeichnet, dass die erforderlichen Walzwerkzeuge in ihrer Geometrie nicht produktabhängig sind. Das Umformen erfolgt partiell, wodurch sich längere Zykluszeiten ergeben. Das Verfahren eignet sich für kleinere und mittlere Stückzahlen, bei denen die Flexibilität und nicht die Leistung im Vordergrund steht. Die abschnittweise Reduzierung der runden Ausgangsrohlinge erfolgt durch zwei rotierende Scheiben. Diese Werkzeuge werden radial zugestellt, siehe Abbildung 6. Das Werkstück wird durch den Eingriff der beiden Werkzeuge ebenfalls in Rotation versetzt. Gleichzeitig wird das Teil axial über eine Zange gezogen, die an einem Rohlingsende angreift. Durch die programmgesteuerte Bewegung von Radial- und Axialvorschub entstehen die gewünschten Absätze des Rohlings. Je nach dem Grad der Reduzierung sind dafür mehrere Durchläufe mit zunehmender Zustellung der Werkzeuge notwendig. Bei der Axialvorschub-Querwalze Typ AVQ werden die Werkzeuge über einen frequenzgeregelten Motor angetrieben. Die Drehzahl ist stufenlos regelbar. Radial- und Axialvorschub erfolgen durch hydraulische Servoachsen. Gesteuert wird die Anlage über eine leistungsfähige SPS mit NC-Achsen.

Spezielle Schmiedestücke, wie Vorderachsen für Lastkraftwagen und Turbinenschaufeln für Kraftwerke, erfordern aufwändiges Vorformen. Da die Losgrößen oft nicht hohe Werkzeugkosten und den Einsatz von Gesenkschmiedepressen rechtfertigen, sind automatische Reckanlagen eine wirtschaftliche Alternative. Beim Recken wird die Vorform durch partielles Umformen mit Recksättel erzeugt, deren Konturen nicht werkstückabhängig sind. Die in Abbildung 7 dargestellte Reckanlage besteht aus einer hydraulischen Vielzweckpresse mit hoher Pressgeschwindigkeit und hängendem Manipulator. Die Drehbewegung der Zange und Längsbewegungen des Manipulators werden stufenlos über das Schmiedeprogramm vorgegeben. Die Sollwerte der gewünschten Vorformkontur können an einem PC erstellt und auf die Systemsteuerung übertragen werden. Für nahezu alle Vorformkonturen können die gleichen Recksättel verwendet werden. Über eine Verschiebeeinrichtung – siehe Abbildung 8 – ist auch der Einsatz von Recksätteln mit verschiedenen Konturen möglich. Falls erforderlich, kann ein Recksattelpaar auch als Schere gestaltet werden. Spezielle Richtplatten verhindern das Verbiegen des bereits gereckten Endes des Schmiedestücks. Die wesentlichen Vorteile einer automatischen Reckanlage liegen in den preiswerten Werkzeugen, der schnellen Umrüstbarkeit auf andere Werkstücke und den günstigen Investitionskosten.

Die Reckanlage AR mit einfach wirkender hydraulischer Presse ist eine flexible, kostengünstige Lösung für Aufgaben, bei der die Zykluszeit nicht im Vordergrund steht. Bekannt sind Reckanlagen mit vier synchron arbeitenden Recksätteln, die jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Die in der Regel mechanisch angetriebenen Reckanlagen sind leistungsfähig, aber auch aufwändig und damit teuer in der Investition. Lasco hat eine doppelt wirkende hydraulische Reckanlage entwickelt, die in der Leistungsfähigkeit und den Anschaffungskosten zwischen den beiden Systemen liegt. Sie ist prinzipiell dargestellt in Abbildung 8. Die gegeneinander arbeitenden Hydraulikzylinder, die jeweils einen Recksattel bewegen, sind liegend angeordnet. Die Manipulation des Werkstücks– also Vorschub und Drehbewegung - übernehmen zwei synchron arbeitende Manipulatoren. Den hydraulischen Direktantrieb der beiden Zylinder übernehmen zwei pulsierende Einzylinder-Druckübersetzer, die über einen gemeinsamen Motor synchron angetrieben werden. Jeder Arbeitszyklus der Druckübersetzer entspricht einem Hin- und Rückhub der Recksättel. Die Arbeitsgeschwindigkeit wird über die Drehzahl des frequenzgeregelten Antriebsmotors bestimmt, der Arbeitshub ist konstant. Zum Vergrößern oder Verkleinern der Eindringtiefe der Recksättel in das Werkstück wird die absolute Lage der Hydraulikzylinderkolben innerhalb der Zylinder verändert. Die Positionen der Kolben werden gemessen und im geschlossenen Regelkreis geführt. Positionsabweichungen, beispielsweise durch Leckage, werden nachgeregelt. Besonderheit des hydraulischen Direktantriebs ist, dass er ohne Stell-, Proportional- oder Servoventile auskommt. Dadurch werden hydraulische Verluste vermindert. Die erste Reckanlage dieser Art wurde an einen Hersteller von Dampfturbinenschaufeln geliefert. Sie ist dargestellt in Abbildung 9. Die Reckkraft beträgt 3200 kN, der Reckhub 30 mm bei einer Reckfrequenz von 200 min-1. Ein besonderer Vorteil ist der Verstellweg der Recksättel von jeweils 170 mm.

Die Bedeutung der Materialvorformung in der Umformtechnik nimmt wachsenden Stellenwert ein. Neben weiterem Potential für eine optimale Stückpreisgestaltung tritt die Senkung der Materialkosten in den Vordergrund. Für exakte Untersuchungen sind der gesamte umformtechnische Prozess sowie die Randbedingungen und Nebeneffekte zu betrachten. So sind bei reduziertem Materialeinsatz zusätzliche Spareffekte zu betrachten.

Der Beitrag von Emile Fortanier, Lasco Umformtechnik, ist redaktionell gekürzt.


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