Servopresse für die Massivumformung
Final Report Abstract
1. Untersuchung der Stößelkinematik von servoelektrisch angetriebenen Pressen im Hinblick auf die geometrischen Eigenschaften von Kaltfließpressteilen (GCFG). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Einflüsse von heute möglichen Stößelkinematiken servoelektrisch angetriebener Pressen für das Kaltfließpressen auf die Wärmeentwicklung während des Umformvorganges untersucht. Dabei wurde das Ziel verfolgt, die Stößelgeschwindigkeit innerhalb der gegebenen Randbedingungen bezüglich der kinematischen Gegebenheiten einer servomotorisch angetriebenen Kniehebel- Kaltfließpresse derart zu variieren, dass die Werkstück- und Werkzeugerwärmung womöglich die elastischen Werkzeugdeformationen und daraus resultierend die Abmessungen der Pressteile während der Serienfertigung gelenkt werden. Dafür wurden drei repräsentative Kaltfließpressverfahren (Voll-Vorwärts-, Napf-Rückwärts- und kombiniertes Voll-Vorwärts-Napf-Rückwärts-Fließpressen) festgelegt und entsprechende Roh- und Pressteile dimensioniert. Es wurde festgestellt, dass die gemessenen Prozesskräfte keine Abhängigkeit zur Stößelgeschwindigkeit im untersuchten Variationsbereich aufweisen, während die numerisch und experimentell ermittelten Temperaturverläufe im Pressteil mit den kinematischen Prozessbedingungen deutlich korrelieren. Bezüglich der Maßgenauigkeit der Pressteile wurde sowohl die komplexe Wechselwirkung zwischen elastischer und thermischer Dehnung der Matrize als auch die spezifische Erwärmung des Werkstückes während des Pressvorganges und der Schrumpfung des Pressteils infolge der Abkühlung festgestellt. Beim Voll-Vorwärts-Fließpressen und dem kombinierten Voll-Vorwärts-Napf-Rückwärts- Fließpressen wiesen die entlang des Zapfens gemessenen Durchmesser der mit den größeren Stößelgeschwindigkeiten erzeugten Pressteile geringere Abweichungen vom Durchmesser der formgebenden Matrizenöffnung auf. Beim Napf-Rückwärts-Fließpressen zeigten die gemessenen Außen- und Innendurchmesser der mit den höheren Stößelgeschwindigkeiten gepressten Näpfe zwar geringere Abweichungen von den Durchmessern des Stempelfließbundes und der Matrize, wiesen jedoch größere Formabweichungen der äußeren und inneren Napfoberfläche auf. 2. Erzeugung rohrförmiger Halbzeuge durch die Kombination der Umformverfahren Napf- Rückwärtsfließpressen und Lochen (IGF/AiF). Die Herstellung komplexer und hohler Fließpressteile beginnt mit der Herstellung rohrförmiger Halbzeuge. Diese werden durch die getrennten Umformstufen, Napf-Rückwärts-Fließpressen und Lochen gefertigt. Für den Lochprozess besitzt die vorangegangene Vorverfestigung aus der ersten Umformstufe einen signifikanten Einfluss auf die Bruch-und die Glattschnittfläche. Aus diesem Grund sollen die Umformstufen, Napf- Rückwärts-Fließpressen und Lochen, experimentell betrachtet werden, um den Einfluss der vorangegangen Umformstufe bewerten zu können. Hierbei wurden die Versuche zur ersten Umformstufe (Napf-Rückwärts- Fließpressen) mit der auf der servo-mechanischen Versuchspresse durchgeführt, da diese eine besonders hohe Stößelführungsgenauigkeit ermöglicht. 3. Erweiterung technologischer Grenzen bei der Massivumformung in unterschiedlichen Temperaturbereichen (IGF/AiF). Im Rahmen dieses Projektes werden werkstoffliche und prozesstechnische Ansätze zur Reduzierung des Bauteilgewichts bei gleichzeitiger Steigerung der Bauteilfestigkeit für napfförmige, hohle Bauteile, wie etwa der Kolbenbolzen, verfolgt. Ein möglicher Ansatz stellt die Produktion von Kolbenbolzen mit neuer, spiralförmiger Innengeometrie bzw. Innenkontur anstatt mit einem konstanten oder gestuftem Innendurchmesser dar. Die Untersuchungen fokussierten sich auf die Fertigung des Kolbenbolzens mit spiralförmiger Innengeometrie sowie auf das anschließende Ausstoßen des Kolbenbolzens aus dem Umformwerkzeug. Die ersten experimentellen Untersuchungen wurden auf der Schuler-Servopresse mit variablen Stößelbewegungsprofilen durchgeführt. Vorteilhaft war dabei die einstellbare Stößelgeschwindigkeit, sodass die Ausfallswahrscheinlichkeit zu Beginn des Spiralumformprozesses durch ein Abreißen des Napfbodens verringert werden konnte. 4. Herstellung eines Metall-Kunststoff-Verbunds mittels Fließpressverfahren (DFG). Ziel dieses Vorhabens war die Herstellung hybrider Bauteile mit einem einstufigen Fertigungsprozess aus den artfremden Materialien Aluminium und Kunststoff. Im Zuge dessen werden napfförmige, zylindrische Halbzeuge (EN AW-6082) mit Kunststoffgranulat gefüllt, mit einem Deckel (EN AW-6082) verschlossen und anschließend im Napf-Rückwärts- bzw. Voll-Vorwärts-Fließprozess umgeformt. Auf diese Weise werden in einem Hub napf- bzw. stangenförmige Aluminiumbauteile erzeugt, die einen Kunststoffkern besitzen. Neben dem reduzierten Gewicht verspricht sich die Forschergruppe verbesserte Eigenschaften hinsichtlich des Dämpfungsverhaltens, zudem wirkt der Kunststoffkern thermisch und elektrisch isolierend. Während die Umformsimulationen unter Verwendung der FEM-Simulationssoftware DEFORM durchgeführt wurden, kam für die experimentelle Durchführung des Prozesses die Schuler-Servopresse zum Einsatz. Die adaptive Stößelgeschwindigkeit ermöglichte es dabei, den Einfluss der Umformgeschwindigkeit auf die sich bildende Umformwärme und somit auf die Polymerisierung verschiedener Kunststoffe (Polyethylen, Polyamid, Polystyrol) zu untersuchen. 5. Untersuchungen zur Herstellbarkeit von Aluminiumnäpfen mit rechteckigem Querschnitt. Im Rahmen des Arbeitskreises „Fließpressen von Aluminiumlegierungen“ wurden auf der Schuler Kaltfließpresse Untersuchungen zur Herstellbarkeit von Näpfen mit rechteckiger Bodenfläche durchgeführt. Im Fokus der experimentellen Arbeit steht dabei die Herstellung von Bauteilen, bei denen die Bodendicke annähernd der Wanddicke entspricht. Auftretende Schädigungen wie Risse in der oberen Napfkante sollen dabei auf ihren Ursprung hin untersucht und durch die Definition geeigneter Prozessparameter vermieden werden können. Im Zuge dessen sollen nicht zuletzt der Einfluss der Pressengeschwindigkeit untersucht und eine Grenze bezüglich des Längen-Breiten-Verhältnisses der Näpfe gefunden werden. Durch die frei programmierbaren Stößelkurven der Schuler Kaltfließpresse können vielfältige Pressenarten simuliert und Auftreffgeschwindigkeiten realisiert werden. Auf diese Weise kann der Prozess vom experimentellen Maßstab an industrienahe Serienprozesse angenähert werden, bei denen Unternehmen aus ökonomischen Gründen mit einer Hubzahl > 40 Hub/min arbeiten müssen. Die experimentell erhaltenen Ergebnisse verschiedener Versuchsreihen wurden mit denen numerischer Untersuchungen abgeglichen und konnten auf diese Weise bestätigt werden.
Publications
- Investigations regarding the simultaneous processing of metal and plastic using full forward extrusion. International Cold Forging Group 49th Plenary Meeting (2016), Vol. 746, S. 75–79
Gerasimov, D.; Wälder, J.; Liewald, M.; Wellekötter, J.; Bonten, C.
- Kunststoff und Metall auf Anhieb verbinden. Optimale Plastifizierung und Haftung beim Kunststoff-Metall-Fließpressen. Kunststoffe (2016), Nr. 6, S. 33–36
Wellekötter, J.; Wälder, J.; Kast, O.; Felde, A.; Bonten, C.; Liewald, M.
- Erweiterung technologischer Grenzen bei der Massivumformung in unterschiedlichen Temperaturbereichen. Neuere Entwicklungen in der Massivumformung, Fellbach; 2017
Missal, N. et al.
- Kunststoff-Metall-Fließpressen - Ein neues Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Metall-Hybriden. 25th Stuttgarter Kunststoffkolloquium 2017 - ISBN: 978-3-9818681-0-4
Wellekötter, J.; Marx, L.; Wälder, J.; Kast, O.; Liewald, M.; Bonten, C.
- New production technologies of piston pin with regard to lightweight design. WGP-Jahreskongress, Aachen, 2017
Missal, N.; Liewald, M.; Felde, A.
- Piston pin optimisation with respect to lightweight design. International Symposium on Green Manufacturing and Applications, ISGMA, Indonesien; 2017
Missal, N.; Liewald, M.; Felde, A.; Lochmann, L.; Fiderer, M.
- Precision bulk metal forming using servo mechanical press technology for combined full forward and cup backward extrusion. International Cold Forging Group, ICFG 2017, Shanghai, China, 2017
Liewald, M.; Meißner, R.
- Einfluss der Pressenkinematik auf die geometrischen Eigenschaften kaltumgeformter Pressteile. Verformungskundliches Kolloquium, Zauchensee; 2018
Felde, A.; Liewald, M.; Meißner, R.
- Untersuchung der Stößelkinematik von servoelektrisch angetriebenen Pressen im Hinblick auf die geometrischen Eigenschaften von Kaltfließpressteilen. GCFG-Studie
Liewald, M.; Felde, A.; Meißner, R.
