Mechanismen zur Steuerung einer variablen Gratbahn und deren Einfluss auf die verschleiß- und volumenschwankungsabhängige Formfüllung beim Gesenkschmieden
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden Einsatzmöglichkeiten einer gesteuerten Gratbahn untersucht. Dabei wurde eine robuste und grundsätzlich anwendbare Lösung gefunden. In einem ersten Schritt wurde ein Versuchsbauteil ausgewählt und für dieses Bauteil mit Hilfe von FEM-Simulationen Kräfte auf Bereichen der Gratbahn bestimmt. Dies ermöglichte die Betrachtung und Auswahl eines Antriebssystems für eine gesteuerte Gratbahn. Ein Freischaltzylinder (ein Hydraulikzylinder, der Haltekräfte über 500 kN aufbringen und in unter zwei Millisekunden einen Rückzug ausführen kann, sobald die Haltekraft überschritten ist) stellte die beste Lösung dar. In einem weiteren Schritt wurden die Kraftverhältnisse im Umformprozess auf der Gratbahn, speziell im Moment der Formfüllung, betrachtet. Ergebnis war, dass das die Kräfte auf der Gratbahn im Moment der Formfüllung bei Zunahme des Rohteilvolumens abnehmen. Sie verhalten sich somit umgekehrt proportional zum Rohteilvolumen. Weiterhin wurden Untersuchungen durchgeführt, wie eine gesteuerte Gratbahn geometrisch ausgestaltet werden kann, um einen Einfluss auf den Stofffluss im Umformprozess ausüben zu können. Den größten Einfluss hatten gesteuerte Gratsperren, die die Gratbahn im Umformprozess verkleinern und so mehr Material in der Gravur halten. Beim Überschreiten einer Freischaltkraft ziehen sich diese Elemente im Umformprozess zurück, um so eine Schädigung des Gesenks zu vermeiden. Zunächst wurde auf Basis von FEM-Simulationen der Einfluss solcher Gratsperren untersucht. In Abhängigkeit des Rohteilvolumens konnte eine signifikante Beeinflussung durch die gesteuerten Gratsperren nachgewiesen werden. Dies erfolgte aufgrund der Analyse der Steighöhe des Materials in der Gravur, da der Steigprozess nicht limitiert war. Durch Einsatz der gesteuerten Gratsperren konnte die Steighöhe des Materials um bis zu 4 mm erhöht werden. Praktische Schmiedeversuche mit dem Werkstoff C45k wurden zur Bestätigung der Simulationsergebnisse eingesetzt. Es wurden Umformversuche mit verschiedenen Rohteilvolumina, verschiedenen Gratsperren und unterschiedlichen Haltekräften durchgeführt. Durch die Versuche konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse der realen Schmiedeversuche qualitativ mit den Ergebnissen der in den FEM-Simulationen ermittelten Ergebnisse bzgl. der Steighöhe übereinstimmen. Es besteht ein signifikanter Einfluss durch den Einsatz der Gratsperren. Jedoch ist der Effekt abhängig vom Gratanteil. Je höher der Gratanteil, desto größer die Beeinflussung durch die gesteuerten Gratsperren. Zudem nimmt der Einfluss bei fallender Rohteiltemperatur ab, welches auf die höhere Fließspannung bei niedrigeren Temperaturen zurückzuführen ist. Durch metallographische Analysen konnte gezeigt werden, dass die gesteuerten Gratsperren einen Einfluss auf den Faserverlauf der Bauteile besitzen. Da der Werkstoff stärker in der Gravur gehalten wird, folgt der Faserverlauf der Bauteilkontur nicht wie bei einem Prozess mit konventioneller Gratbahn. Dies könnte einen Einfluss auf die dynamischen Festigkeitseigenschaften haben, welches bei einem industriellen Einsatz berücksichtigt werden müsste. Das Gefüge wird durch die gesteuerten Gratsperren nicht eindeutig beeinflusst. Ein industrieller Einsatz dieser Technologie ist grundsätzlich möglich. Durch die Beeinflussung des Werkstoffflusses kann die Formfüllung und somit auch der Materialeinsatz optimiert werden. Jedoch muss eine Ausgestaltung aufgrund der Kräfteverhältnisse auf der Gratbahn im Umformprozess für jedes Bauteil einzeln durchgeführt werden. Dazu ist weiterhin ein innovatives Steuerungskonzept für die Gratbahn zu entwickeln, welches ohne eine Vielzahl von Simulationen einsetzbar ist.
Publications
- Gratbahn gezielt gesteuert. In: Umformtechnik, Meisenbach Verlag GmbH, 47. Jg. (2013), H. 2, S. 22-23
Langner, J.; Krause, A.; Stonis, M.; Behrens, B.-A
- Schmiedestahl den Weg weisen. In Konstruktion, Springer VDI-Verlag, 66. Jg. (2014), H. 6, S. IW8 - IW9
Langner, J.; Rüther, T.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.
- Experimental investigation of a variable flash gap regarding material flow and influence of trigger forces. In: Production Engineering, Research and Development, Volume 9, Issue 3 (2015), Page 289-297 ISSN 0944-6524
Langner, J.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.
(See online at https://doi.org/10.1007/s11740-015-0611-1)
