Verringerung der Druckberührzeit beim Gesenkschmieden durch ...

Beim Schmieden sind die erheblichen
thermischen Belastungen der Gesenke maßgeblich
für deren Verschleiß verantwortlich. Es
ist daher erforderlich, die Betriebstemperatur
des Gesenks möglichst niedrig zu halten.
Die Betriebstemperatur
wird u. a. durch
die Dauer
des Kontakts
zwischen
Werkzeug und
Werkstück,
die Druck-
FACHBEITRÄGE
Verringerung der Druckberührzeit
beim Gesenkschmieden durch ein
hydraulisches Überlastsystem
Dipl.-Ing. Lutz Barnert, Dipl.-Ing. Helge Dähndel, Dipl.-Ing. Christian Hornhardt,
IFUM Hannover und Dr.-Ing. Stefan Franzke, Dipl.-Ing. Peter Hustedt,
Dipl.-Ing. Hans-Christoph Altmann, IPH Hannover
Schmiedegesenke
unterliegen aufgrund
der hohen Rohteiltemperaturen
von
1 250 °C und der hohen Kontaktdrücke im
Schmiedeprozess großen thermomechanischen
Belastungen. Diese können zu einem Problem
werden, wenn die Betriebstemperaturen die
Anlasstemperaturen
des Werkzeugwerkstoffs
übersteigen.
Die Betriebstemperatur
(siehe Bild
Seite 25 unten) des
Schmiedegesenks
stellt das Gleichgewicht
der dem
Gesenk zu- und abfließendenWärmeströme
dar. Der Wärmezustrom
zum Gesenk
entsteht in der
kurzen Druckberührzeit
zwischen Werkstück
und Gesenk und
ist aufgrund des gro-
ßenTemperaturunterschieds der Kontaktpartner
sehr intensiv.
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2002
Wärmeabfluss tritt während der Dauer des
gesamten Umformzyklusses auf, indem das
Gesenk Wärme durch Konvektion und Abstrahlung
an die Umgebung abgibt.
berührzeit, beeinflusst. Eine Möglichkeit,
die Druckberührzeit bei einem bestehenden
Prozess zu verringern, besteht im Einsatz
eines hydraulischen Freischaltzylinders,
welcher kurz vor dem Erreichen des unteren
Totpunkts
der Schmiedepresse
die
Druckberührphase
durch
eine gezielte
Entlastung
vorzeitig
beendet.
Einfluss der Druckberührzeit auf die Temperaturen an der Gesenkoberfläche am Ende der
Umformung (Zahnradmatrize nach 18 Schmiedezyklen)
Prinzipieller Aufbau des Freischaltzylinders mit den einzelnen Elementen und Beschreibung der
Funktion bei Schalten [Quelle: Fa. Hydrotool]
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Die Betriebstemperatur
des Gesenks ist
umso kleiner, je größer
das Verhältnis zwischen
der Dauer des Umformzyklusses und der
Druckberührzeit ist. Eine Möglichkeit, die Betriebstemperatur
zu senken, ist die Verkürzung
der Druckberührzeit.
Modellrechnung mit
der Finite-Elemente-
Methode
Das Bild oben zeigt
an einem Beispiel den
Einfluss der Druckberührzeit
auf die
Oberflächentemperatur
einer Zahnradmatrize.
Die Ergebnisse
wurden rechnerisch
mit der Finite-Elemente-Methode
in
einem thermomechanisch
gekoppelten
Modell ermittelt. Die
Temperaturen an der
Gesenkoberfläche
wurden für jeweils 18
Schmiedezyklen unter

Variation der Druckberührzeit berechnet. Als
Ausgangswert für die Druckberührzeit wurde
60 ms angesetzt. Dieser Wert wurde anschließend
um 40 % auf 35 ms reduziert.
Durch die Verminderung der Druckberührzeit
reduziert sich die berechnete Temperatur
an der Gesenkoberfläche von 780 °C auf
440 °C. Diese Temperaturverminderung an der
Gesenkoberfläche ist von
großer Bedeutung für die
Gesenkstandzeit, da bei der
verringerten Temperatur
schädliche Anlasseffekte stark
reduziert werden.
Funktionsprinzip und Aufbau
des Freischaltzylinders
Die Druckberührzeit kann
durch den Einsatz eines hydraulisch
wirkenden Freischaltzylinders
erheblich verkürzt
werden, indem dieser beim
Erreichen des unteren Totpunkts
die Presse schnell entlastet.
Der Aufbau eines Freischaltzylinders
der Firma
Hydrotool (Breitenbrunn) und dessen Funktionsprinzip
sind in dem Bild Seite 24 unten dargestellt.
Der Freischaltzylinder besitzt zwei entgegengesetzt
wirkende ölgefüllte Kammern. Die
beiden Kammern werden als Zylinderraum und
Steuerraum bezeichnet, wobei die Zylinderfläche
im Steuerraum größer ist, als im Zylinderraum.
Vor und während der Umformung
wirkt der Vorspanndruck p vor
im Zylinderraum der Umformkraft
entgegen. Übersteigt der
Druck im Zylinder einen
bestimmten Wert, gibt der
Kolben die Dichtung frei, worauf
ein Druckausgleich stattfindet.
Aufgrund der größeren
Fläche auf Seiten des Steuerraums
wird der Kolben daraufhin
aktiv zurückgezogen.
Der verwendete Freischaltzylinder
ist bis zu einer Schaltlast
von 1 000 kN steuerbar.
Der Schaltweg beträgt 5 mm.
Dieser Weg reicht aus, um die
elastische Pressenauffederung
zu kompensieren und das
Werkzeug zu entlasten.
Versuchsdurchführung
Im Versuch wurde der Einfluss des Freischaltzylinders
auf die Druckberührzeit während
des Umformprozesses verifiziert. Dazu
wurde der beschriebene Freischaltzylinder in
eine Spindelschlagpresse PSR 160 der
Maschinenfabrik Müller Weingarten mit einer
Nennschlagkraft von 2 500 kN integriert.
Für die Versuche wurde ein Werkzeug zum
Schmieden mit Grat eingesetzt. Es wurden
Werkstücke aus C45 (1.0503) mit einem
FACHBEITRÄGE
Durchmesser von 30 mm und einer Länge von
40 mm verwendet. Die Schmiedetemperatur
betrug 1250 °C. Die Temperaturen der
Gesenke wurden ebenso wie die Drücke im
Freischaltzylinder für jeden Schmiedezyklus
gemessen.
Verlauf der Stößelkraft, Stößelweg und Druck im Zylinder für hohen Druck
im Zylinder (kein Schalten des Systems, links) sowie geringeren Druck im
Zylinder (Schalten, rechts)
Vergleich der Messungen mit und ohne
Funktion des Freischaltzylinders
Zunächst wurde das Schmieden ohne Verwendung
der Freischaltfunktion durchgeführt
(Bild oben, linkes Diagramm). Dazu wurde der
Druck im Arbeitszylinder auf 310 bar eingestellt.
Dies entspricht einer Schaltkraft von
950 kN und liegt damit oberhalb der notwendigen
Umformkraft. Mit Hilfe eines optischen
Verlauf der Betriebstemperaturen am Untergesenk als Indikator für den eingebrachten
Wärmestrom vom Werkstück in die Werkzeuge Bilder: IFUM/IPH
Wegsensors am Freischaltzylinder konnte
nachgewiesen werden, dass der Freischaltzylinder
keinen messbaren Einfluss auf die
Gesamtsteifigkeit des Werkzeugsystems hat.
Um den Freischaltzylinder zu aktivieren,
wurde der Zylinderdruck auf 220 bar eingestellt
(Bild oben, rechtes Diagramm), was einer
Auslösekraft von etwa 650 kN entspricht. Ein
Schalten des verwendeten Freischaltzylinders
erfolgt bei einer Druckerhöhung im Zylinder
auf das 1,5-fache des Vorspanndrucks. Weg-
messungen am Kolben und der Kraftverlauf
zeigen, dass die Entlastung innerhalb von 3-4
ms erfolgt ist. Die Druckberührzeit wurde
durch die schnelle Entlastung der Werkzeuge
nach der Umformung um 25 ms verkürzt.
Reduzierung der Gesenktemperatur bei
Verwendung des Freischaltzylinders
Es wurden je zwei Serien
von zunächst 70 und dann 30
Teilen geschmiedet. Durch die
Verringerung der Druckberührzeit
bei Verwendung der Freischaltfunktion
konnte die
Werkzeugtemperatur im Gesenkinneren
und an der Oberfläche
entscheidend verringert
werden. Dies geht aus der
Temperaturmessung mittels
Thermoelementen hervor. Dargestellt
sind die Verläufe der
Betriebstemperaturen des Untergesenks
für Serien mit und
ohne Funktion des Freischaltzylinders
im Bild unten. Untergesenke
sind wegen der Liegezeit
der Werkstücke in der Gravur thermisch
stärker belastet als Obergesenke.
Es ist deutlich zu erkennen, dass der Temperaturanstieg
trotz gleicher Liegezeit bei Einsatz
des Freischaltzylinders geringer ist. Ausgehend
von Raumtemperatur bei Versuchsbeginn werden
nach 70 Schmiedezyklen bereits ca.
100 °C gemessen, wohingegen bei Einsatz des
Freischaltzylinders nur 70 °C erreicht werden.
Diese Temperaturverläufe wurden
bei weiteren Versuchen
bestätigt.
Ausblick
Die Wirksamkeit des Prinzips
des Freischaltzylinders zur
Reduzierung der Werkzeugtemperatur
durch Verkürzung
der Druckberührzeit konnte
nachgewiesen werden. Das Ziel
weiterer Untersuchungen ist es
die gewonnenen Ergebnisse in
der schmiedeindustriellen Praxis
umzusetzen. Die verringerte
Werkzeugtemperatur lässt eine
Vergrößerung der Gesenkstandzeit
und damit einen wirtschaftlicheren
Betrieb des
Schmiedeprozesses erwarten. ■
Die hier dargestellten Ergebnisse wurden
im Sonderforschungsbereich 489
"Prozesskette zur Herstellung präzisionsgeschmiedeter
Hochleistungsbauteile" in den
Teilprojekten B1 (Prozessführung) und B2
(Werkzeuge/Maschinen) ermittelt. Dieser
SFB mit insgesamt 13 Teilprojekten wird
seit Anfang 2000 an der Universität
Hannover durchgeführt.
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