Schmieden mit schwimmend befestigten Gesenken

Schmieden
mit schwimmend
befestigten
Gesenken
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Optimierter
Einsatz der Führungssysteme beim Gesenkschmieden
auf Kurbelpressen" [1] erfolgten
praxisnahe Untersuchungen der Führungen
unterschiedlicher Baugrößen und Bauarten von
Kurbelpressen und Untersuchungen der entsprechenden
Werkzeuge.
Beim mehrstufigen Schmieden erweist sich
die Stößelkippung als das wichtigste Kriterium.
In allen Versuchsreihen wurde festgestellt, dass
sie im Wesentlichen in Richtung und Größe mit
allen übrigen Kriterien wie Werkzeugversatz,
Gesenkverschiebung, Werkstückgenauigkeit
und Führungskräfte korreliert. Die durch die
Stößelkippung erzwungene Verschiebung der
Gesenke ist mit erheblichen Belastungen der
Gesenkführung verbunden (Bild rechts).
Aus der Kippung und dem Horizontalversatz
des Stößels resultieren Schubkräfte auf die
Gesenkführungen und es verbleibt nach jedem
Pressenhub ein Restversatz zwischen Oberteil
und Unterteil des Gesenks. Dies führt zu einem
erhöhten Verschleiß der Gesenkführungen und
der Aufspannflächen im Werkzeughalter. Es
wird deshalb ein Werkzeughalter vorgeschlagen,
bei dem eine echte schwimmende Lagerung
der Untergesenke zusammen mit der unteren
Aufspannplatte erfolgt, um den unvermeidlichen
Verschiebungen der Untergesenke während
des Schmiedens nur sehr geringe Reibungskräfte
entgegenzusetzen.
Um die Lösbarkeit dieses in der industriellen
Anwendung bestehenden Problems zu prüfen,
wurde vom Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen
und Umformtechnik (IWU)
Chemnitz im Auftrag des Industrieverbandes
Deutscher Schmieden e. V. (IDS) ein Projekt
mit dem Titel "Werkzeughalter mit echt
schwimmender Lagerung des Unterteils" [2]
durchgeführt. Ziel war es einerseits ein konstruktives
Lösungskonzept zu erarbeiten und
andererseits mittels numerischer Simulation die
zu erwartenden Effekte vorherzubestimmen
und Aussagen über die wirtschaftlichen Aspekte
bei der Anwendung eines solchen Werkzeughalters
zu gewinnen.
Ergebnisse
Aus den Simulationsrechnungen geht hervor,
dass mit einer Senkung der Führungskräfte in
der Gesenkführung und mit einer günstigeren
Verteilung der Belastungen in der Stößelführung
gerechnet werden kann. Daraus kann man
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2002
FACHBEITRÄGE
sowohl eine Senkung
des Verschleißes in
den Führungen als
auch eine Erhöhung
der Genauigkeit erwarten.
Als Nachteil ist eine höhere Stößelkippung
zu verzeichnen, da durch die schwimmende
Lagerung die stabilisierende Wirkung auf den
Pressenstößel vermindert wird.
Verlauf von Umformkraft, Stößelkippung und
Verschiebung des Fertigschmiedegesenks
beim Vor- und Fertigschmieden von
Achsschenkeln auf einer 40 MN-Kurbelpresse
Da eine größere Stößelkippung für die
Qualität der Erzeugnisse ein Nachteil ist, der
nicht akzeptiert werden kann, wurde für den
Werkzeughalter mit schwimmender Lagerung
des Unterteils die Anwendung einer Werkzeughalterführung
für notwendig befunden.
Der Konstruktionsentwurf eines Werkzeughalters
mit schwimmend gelagerter unterer Aufspannplatte
der Gesenke ist in dem Bild unten
dargestellt. Der Werkzeughalter ist für zwei
Prinzipskizze eines Werkzeughalters mit
schwimmender Lagerung der unteren Aufspannplatte
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Dr.-Ing. Peter Kuzmowicz,
Dipl.-Ing. Klaus Bachmann und
Dr.- Ing. Claus-Dieter Schmidt, Chemnitz
Die immer größeren Genauigkeitsforderungen
an die Erzeugnisse und deren zunehmend
kompliziertere Gestalt zwingen heute beim
Gesenkschmieden vielfach zur Anwendung
aufwändiger kombinierter Führungssysteme in
der Maschine und im Werkzeug. Dies trifft insbesondere
auf das mehrstufige und damit
außermittige Schmieden in Pressen zu.
Paar Gesenke ausgelegt, die oben formschlüssig
und unten kraftschlüssig auf einer "schwimmenden"
Aufspannplatte befestigt werden. Die
Gesenkführung ist als Rundführung, die Werkzeughalterführung
als Diagonalführung mit
unter 45° angeordneten Führungsflächen vorgesehen.
Die horizontale Bewegungsfreiheit der
schwimmenden Platte beträgt allseitig 5 mm.
Die Kontaktfläche dieser Platte zur Grundplatte
ist zur Verringerung des Reibungskoeffizienten
mit Bronze beschichtet und wird mit Hilfe einer
Impulsschmierung mit Öl benetzt. Zur Rückstellung
der schwimmenden Platte nach einem
Arbeitshub in die Ausgangsposition dienen in
den Rahmen eingeschraubte tellerfederbeaufschlagte
Rückstellelemente.
Die Computersimulation erfolgte für das
Modell der Kupplungsspindelpresse SPKA
2000 (SMS Eumuco) für unterschiedliche
Spannvarianten (beiderseits formschlüssig,
oben form- und unten kraftschlüssig sowie für
die schwimmende Lagerung des Unterteils) und
Führungsarten (ohne Führungen im Werkzeug,
mit Gesenkführung, mit Werkzeughalterführung
und mit Gesenk- und Werkzeughalterführung).
Die Umformkraft wurde mit 16 MN bei
unterschiedlich hoher horizontaler Schubkraft
im Gesenk zwischen 0 und 30 % der Umformkraft
gewählt.
Zielgrößen sind u. a. Kräfte in den Stößelführungen,
in der Werkzeughalterführung und
in der Gesenkführung, die Verlagerungen des
Stößels (Stößelkippung), die Verschiebung des
Werkzeughalters auf dem Tisch und der
Gesenkversatz.
Außerdem ist das Werkzeugmodell für 6
Varianten in einer modernen Kurbelpresse mit
längsliegender Exzenterwelle MP 1600 (SMS
Eumuco) untersucht worden [3], um den
Einfluss der unterschiedlichen Maschinenantriebe
darzustellen.
Die Ergebnisse der Computersimulation zeigen,
dass die Stößelkippung durch Führungen
im Werkzeug vermindert wird. Bei schwimmender
Lagerung ist die Gesenkführung allein
diesbezüglich nicht wirksam, da die geringen

Reibwerte in der schwimmenden Lagerung
keine Seitenstabilität geben. Erst mit der Anwendung
einer Werkzeughalterführung kann
man niedrige Werte der Stößelkippung erreichen.
Die Belastung der Stößelführung zeigt eine
ähnliche Abhängigkeit wie die Stößelkippung.
Ohne Führungen im Werkzeug sind die Belastungen
stets weitaus höher.
Der Gesenkversatz ist bei
Anwendung der schwimmenden
Lagerung mit Gesenkführung allgemein
sehr gering.
Die Spannungen in der Gesenkführung
sind stark von den
Querkräften im Gesenk beein-
flusst. Durch eine Werkzeughalterführung
wird die Gesenkführung
entlastet. Die schwimmende
Lagerung führt stets zu
niedrigeren Spannungen im Vergleich
zu den anderen Spannvarianten.
Die Untersuchung des Einflusses
der Schubrichtung der
Querkräfte ergab bemerkenswerte
Resultate (Bild oben):
• Die Stößelkippung ist bei Varianten ohne
Führungen im Werkzeug sehr gering, wenn die
Schubkraft am Obergesenk zur Pressenmitte
zeigt. Bei kraftschlüssiger Spannung mit
Gesenkführung wird sie ebenfalls etwas vermindert,
bei schwimmender Lagerung mit
Gesenk- und Werkzeugführung ist die Kippung
von der Schubkraft dagegen unabhängig. Die
Geraden zeigen dabei im negativen Bereich
trotz der bestehenden linearen Abhängigkeit
einen Knick, der mit der veränderten Anlage des
Stößels an die Führungsbahnen erklärt wird.
Der mutmaßliche Verlauf ohne diese Unstetigkeit
ist als gestrichelte Gerade als Verlängerung
des oberen Teilstücks für die Verhältnisse bei
hohen negativen Querkräften angegeben.
Die Kräfte in der Stößelführung erklären dieses
Verhalten: Bei den ungeführten Varianten
ist bei hoher negativer Schubkraft ein Kontakt
des Stößels ausschließlich an den linken Führungsbahnen
vorzufinden (der Stößel wird also
nach links geschoben und nicht gekippt),
während bei allen Varianten mit Führungen im
Werkzeug (Gesenk- oder Werkzeughalterführung)
die Kontaktstellen am Stößel oben links
die maximale Belastung aufwiesen, während
unten rechts wegen der stützenden Wirkung der
Führungen im Werkzeug nur geringe, in manchen
Fällen keine Belastungen auftreten.
• Beim Gesenkversatz ist eine Schubrichtung
zur Pressenmitte hin ebenfalls von Vorteil (Bild
oben rechts): Der Versatz ist geringer als bei
positiver Richtung. Für die zugrunde gelegten
Bedingungen der Presskraft und Außermittigkeit
ist bei einer Schubkraft von – 10 % der Umformkraft
ein Versatz von fast Null vorhanden,
was sogar auf die ungeführten Varianten
zutrifft, für die sich sonst sehr hohe Werte des
Versatzes ergaben.
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• Die Spannungen in den Gesenkführungen zeigen
naturgemäß eine ähnliche Abhängigkeit: In
allen vergleichbaren Fällen ist die Spannung bei
negativer Schubrichtung geringer.
Aus den Ergebnissen ist zu schlussfolgern, dass
bei Einbau von Fassongesenken die Schubrichtung
am Obergesenk zur Pressenmitte hin
zu bevorzugen ist. Durch die gegensätzliche
Einfluss der horizontalen Querkraft im Gesenk auf die Stößelkippung
und auf den Gesenkversatz
schwarz: kraftschlüssig gespannte Untergesenke ohne
Führungen im Werkzeug
rot: kraftschlüssig gespannte Untergesenke mit
Gesenkführung
grün: mit Gesenk- und Werkzeughalterführung und mit
schwimmend gelagerter Aufspannplatte
negative Querkraft: am Obergesenk zur Pressenmitte wirkend
positive Querkraft: am Obergesenk nach außen wirkend Bilder: IWU
Richtung der Momente aus der Umformkraft x
Außermittigkeit und der horizontalen Schubkraft
am Obergesenk x Abstand vom Drehpunkt
des Systems erhält man im vorliegenden Fall
bei einer Schubkraft von – 10 % der Umformkraft
optimale Verhältnisse bezüglich des Versatzes
und der Führungskräfte im Werkzeug.
Durch die Simulationsrechnungen mit dem
Modell einer modernen Kurbelpresse mit längsliegender
Exzenterwelle konnte festgestellt werden,
dass man zu den gleichen Ergebnissen
bezüglich der Wirkung der betrachteten Spannund
Führungsvarianten im Werkzeug gelangt.
Für die Kurbelpresse erhält man deutlich günstigere
Ergebnisse bei Kenngrößen, die von der
Maschinencharakteristik erheblich beeinflusst
werden, wie z. B. die Stößelkippung (60 %) und
die horizontalen Verschiebungen, wobei zwischen
den betrachteten Varianten die gleichen
Relationen zu beobachten sind wie bei der
Kupplungsspindelpresse.
Wirtschaftlichkeit
Die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes eines
Werkzeughalters mit einer schwimmend gelagerten
Aufspannplatte wird durch die Notwendigkeit
zum Einsatz einer Werkzeughalterführung
(zur Vermeidung einer erhöhten
Stößelkippung) äußerst negativ beeinflusst. Die
Kosten für die Fertigung eines solchen Werkzeughalters
werden nahezu verdoppelt. Dazu
kommen Kosten für die Wartung und Unterhaltung
der zusätzlichen Baugruppen. Weiterhin
sind Einschränkungen der verfügbaren
Werkzeugspannfläche durch die Werkzeughalterführungen
zu verzeichnen.
Demgegenüber stehen als Vorteile der
schwimmenden Lagerung die geringere Belastung
der Gesenkführungen und niedrigerer
30
Gesenkversatz. Als Nutzen der schwimmenden
Lagerung von Gesenken ist mit Sicherheit ein
niedrigerer Verschleiß der Gesenkführungen zu
erwarten. Dies führt aber in nur wenigen Fällen
zu einem wirtschaftlich messbaren Erfolg, da
die Gesenkführungen im Rahmen der Aufarbeitung
der Gravuren in den Gesenken stets mit
gewartet werden.
Schlussfolgerungen
Auch wenn der Einsatz eines
speziellen Werkzeughalters mit
schwimmender Lagerung in vorhandenen
Anlagen kaum wirtschaftlichen
Erfolg verspricht,
sind die Vorteile und die Grenzen
dieser Variante der Befestigung
von Gesenken aufgezeigt worden.
Eine höhere Genauigkeit der
Schmiedeerzeugnisse durch
weniger Versatz und niedrigere
Belastungen der Gesenkführungen
sind Vorzüge, die eine Umsetzung
dieser Ideen im Rahmen von
neuen Konzepten maschinenintegrierter
Werkzeugsysteme in der
Zukunft als sinnvoll und empfehlenswert
erscheinen lassen.
Aus den Ergebnissen der durchgeführten
Simulationsrechnungen wurden Aussagen für
den Einsatz der betrachteten Führungs- und
Spannsysteme in Abhängigkeit von der Schmiedestückform
und -genauigkeit gewonnen. Aus
den Werten des Gesenkversatzes und der
Stößelkippung können Bereiche der zweckmäßigsten
Anwendung der betrachteten Spannund
Führungsvarianten aufgezeigt werden. Die
Angaben von Kräften und Spannungen in der
Gesenkführung sind für die Dimensionierung
von Führungen hilfreich. ■
Literatur:
[1] Kuzmowicz, P., Hupfer, P.: Optimierter
Einsatz der Führungssysteme beim Gesenkschmieden
auf Schmiedekurbelpressen.
Abschlußbericht AiF- Projekt 10358B (1998)
[2] Kuzmowicz, P., Schmidt, C. D., Bachmann,
K.: Werkzeughalter mit echt schwimmender
Lagerung des Unterteils. AVIF - Projekt A 158
(2001)
[3] Gober, N., Debertin, R.: Ergebnisse von
Simulationsrechnungen am Modell einer Presse
MP1600. Unveröffentlichtes Material der Fa.
SMS Eumuco (2001)
Dieses Forschungsprojekt AVIF A 158
wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung
im Stifterverband für
die Deutsche Wissenschaft e. V. über den
Wirtschaftsverband Stahl- und Metallverarbeitung
e. V. (WSM). Die Langfassung
des Abschlussberichts kann über die Forschungsgesellschaft
Stahlverformung beim
Wirtschaftsverband Stahl- und Metallverarbeitung,
Goldene Pforte 1, 58093 Hagen,
angefordert werden.