Werkzeuge der Umform- und Zerteiltechnik. Strangpresswerkzeuge. Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius

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1 Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Lehrstuhl Formgebende Fertigungsverfahren Werkzeuge der Umform- und Zerteiltechnik Strangpresswerkzeuge Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius 17. Mai 2013 Hinweis Praktika Praktikum Nr. 8 Ausgewählte Verfahren der Umformtechnik 2 findet in Kombination mit einer Exkursion zur Firma ProfiRoll statt. (Quelle: ProfiRoll) Der Termin wird via Internetseite und Aushang bekanntgegeben. -3-

2 Repetitorium Fließpressprozess und Verfahrensvarianten Warm- und Kaltumformung & Rekristallisation Berechnung Werkzeugbelastung infolge Druck & Armierung Fließort, Vergleichsspannung Anwendungsbeispiele Strangpressen (Quellen: Hesch, Audi, Adtranz, Airbus, SMS-Eumuco GmbH)

3 Produktspektrum von Strangpressprofilen (Quelle: Welsa) Strangpressverfahren Direkt Indirekt Strang Gegenhalter Block Stempel Strang Pressscheibe mit Matrize Block Matrize Blockaufnehmer Pressscheibe Stempel Aufnehmer Hydrostatisch Strang Matrize Dichtung Block Dichtung Wirkmedium Aufnehmer Stempel

4 Direktes Strangpressen Ausgangszustand: Pressblock Strang Gegenhalter Block Stempel Strangpressprozess Endzustand: Matrize Blockaufnehmer Pressscheibe Profil -8- Arbeitsschritte beim Strangpressen Verfahrensablauf: 1 Laden Laden Pressen Strippen Scheren 2 Pressen 3 Strippen 4 Scheren -9-

5 Kräfte beim Strangpressen Stauchen: Stempelkraft = Reibungskraft + Umformkraft F St = F r + F m Pressverlauf: F St F St,max F St,min F r mit: F St : Stempelkraft F r : Reibungskraft F m : Umformkraft (Matrize) F m S St : Stempelweg L 1 : Anpressweg L 0 : Strangpressweg L 1 L0 L r S St L b : Blocklänge L r : Pressresthöhe L b Prozessgrößen beim Strangpressen Werkstoffe Aluminium, Kupfer, Magnesium, Stahl, etc. Temperaturen Aluminium: : ϑ = C Stahl: : ϑ = C Komplexität der Profilgeometrie Pressverhältnis V ges =A Block /A profil, z.b. V = 40 Werkzeuggestaltung Pressgeschwindigkeit Prozesskräfte F ST =F M +F R, mit - Stempelkraft F ST - Matrizenkraft F M - Reibungskraft F R Matrize Kammerwerkzeug - Schweißkammerquerschnitt A s - Schweißkammerhöhe h s - Schweißkammerbreite b s A S h S b S (Quelle: Müller)

6 Versagensfälle beim Strangpressen Fehlerfreie Profile Querpressnaht Block 3 Block 1 Block 2 Schlechte Oberfläche (z. B. Pressflöhe) Ursache: - Abgenutzte Werkzeuggleitfläche, - Materialanlagerungen am Ende der Werkzeuggleitflächen, etc. Gegenmaßnahmen: - Nachbearbeitung der Werkzeuggleitflächen - Mechanische Bearbeitung der Profile/ Beizen Schlechte Querpressnähte (mech. Eigenschaften) Quelle: IWK Aachen Ursachen: - Verunreinigungen auf der Blockoberfläche Gegenmaßnahmen: - sauberes, schmiermittelfreies Abscheren des Pressrestes Quelle: IWK Aachen Fertigung von Hohlprofilen durch Kammerwerkzeuge Pressen über mitlaufenden Dorn Kammerwerkzeug Pressblock Stempel mit Dorn Matrize Dorn Dornplatte Rezipient Tragarm v WZ Einlauf Hohlprofil Führungsfläche Tote Zonen Fließlinien Al-Block v WZ

7 Versagensfälle beim Strangpressen Schlechte Pressnähte (quer, längs): Querpressnaht Block 3 Block 1 Block 2 Quelle: IWK Aachen Ursache (Querpressnaht): Verunreinigungen auf der Blockoberfläche Gegenmaßnahmen (Querpressnaht): sauberes, schmiermittelfreies Abscheren des Pressrestes Ursache (Längspressnaht): Verunreinigungen und zu geringe Werkstofftemperatur Gegenmaßnahmen (Längspressnaht): Einsatz sauberer Blöcke, höhere Werkstofftemperatur Querrisse: Ursache: Schmelzen des Werkstoffs durch zu hohe Temperatur (zu starkes Vorwärmen, zu große Reibung, ) Gegenmaßnahmen: Kühlung des Werkstoffs Reduktion der Reibung tannenbaumartige Querrisse am Strang Werkzeugsatz in einer Strangpresse Prinzip: Werkzeugsatz: Strang Gegenhalter Block Stempel Pressstempel Pressscheibe Werkzeugsatz Bolzen Schleißring Matrize Blockaufnehmer (Rezipient) Pressscheibe Profilstrang Gegenholm Rezipient Werkzeugaufnahme (Kassette) (Quelle: Müller)

8 Animation Aufbau Strangpresswerkzeug und -maschine Herausforderung Strangpressen Sehr hohe Umformgrade Hohe Umformgeschwindigkeiten Hohe Temperaturen Schwierige Tribologie Komplizierter dreidimensionaler Werkstofffluss Komplizierte Gefügeentwicklung

9 Herausforderung Strangpressen Sehr hohe Umformgrade Hohe Umformgeschwindigkeiten Hohe Temperaturen Schwierige Tribologie Komplizierter dreidimensionaler Werkstofffluss Komplizierte Gefügeentwicklung Tribologie und Wärme Kraftbedarf Eigenschaften Mikrostruktur beim Strangpressen Tote Zone Block Profil

10 Mikrostruktur beim Strangpressen Tote Zone Kornverfeinung in der Scherzone - dynamische Rekristallisation Entstehung kleiner Körner mit hoher Energie Mikrostruktur beim Strangpressen Tote Zone Statische Rekristallisation - Abbau hoher Energie der kleinen Körner durch Kornwachstum - Entstehung grober Körner im Profil - Beginnt einige Sekunden nach Profilaustritt Verschlechterung mechanische Eigenschaften Führt zu Orangenhaut bei nachfolgenden Umformprozessen

11 Mikrostruktur beim Strangpressen Korndicke GS Dicke in µm Umformgrad ϕ Mikrostruktur beim Strangpressen Stempel Miniaturstrangpresse Analyse der Prozessparameter möglich Verbesserte Charakterisierung durch direktes Abschrecken von Container, Matrize und Block innerhalb von 10 Sekunden Container Nicht abgeschreckt Abgeschreckt

12 Profiltemperaturentwicklung 40 C Profiltemperatur TProfil in C 259 sec. Prozesszeit tp in s Einfluss der Matrizengeometrie auf die Gefügeausbildung Korndicke in µm Korndicke in µm

13 Werkzeugkonzept (hier modular) Pressverhältnis 20 Matrize austauschbar Anpassung des Pressverhältnisses Herauslösen gesamter Werkstoff Visioplastische Analyse möglich Einlegeteil Abdeckplatte Zuführkassette Matrize Schalenelemte Zuführdorn Dornringmit Konus Matrizenhalter Sonderwerkzeuge Verbundstrangpressen Rezipient Stempel Aluminium Matrize

14 Sonderwerkzeuge Verbundstrangpressen Gehäuse Stempel Aluminium Matrize Verfahrensprinzip Verbundstrangpressen Prinzip: Werkzeugkonzept: Blockwerkstoff Verbundprofil Matrize Zuführelement Abdeckelement Verstärkungselement (VE) -29- Verstärkungselemente (VE) Zuführkanäle Blockwerkstoff Einsatz von konventionellen Pressblöcken möglich homogene Verstärkung Profilquerschnitt: 56 x 5 mm mit 6 Drähten (VE) -28-

15 Modulares Werkzeugkonzept Spezialwerkzeuge Verbundstrangpressen Doppel-T Profilquerschnitt mit 6 Verstärkungselementen Visioplastische Analyse Warum Visioplastizität? Experimentelle und numerische Untersuchung zum Werkstofffluss Festlegung geeigneter tribologischer Randbedingungen Einsatz der visioplastischen Analyse beim Strangpressen Kontrast werkstoff Blockwerkstoff Valberg, H.: Applied Metal Forming, Cambridge University Press,

16 Präparation des Werkstoffes Horizontale und vertikale Stifte Analyse horizontales und vertikales Fließverhalten Modulares Verbundwerkzeug 15 mm Werkstoff im Werkzeug EN AW-4043A Werkstoff im Block Bohrungen für Kontrastwerkstoff Experimentelle Analyse Werkstofffluss Werkzeug füllen Anpressen Rezipient zurückfahren Werkstoff herauslösen Werkstoffs präparieren Werkstoff einbauen Anpressen Rezipient zurückfahren Werkstoff herauslösen Sägen und Fräsen Oberflächen polieren

17 Ergebnisse Werkstofffluss Wesentliche experimentelle Erkenntnis: Werkstoff haftet an Werkzeugwand und im Rezipienten Industrielle Anwendung / Fragestellung Wandstärkeneinfluss auf Längspressnaht

18 Ergebnis - Längspressnahtlage Reale Längspressnaht Reale Längspressnaht Simulierte Längspressnaht Simulierte Längspressnaht Position der Tragarme Position der Tragarme Verfahrensvariante Strangpressen von Aluminiumspänen

19 Prinzip Runden beim Strangpressen Überlagertes Moment σ Druck Stempel Geschwindigkeitsprofil Lokale Austrittsgeschwindigkeit v innen Strang Führungswerkzeug σ Zug Überlagerte Querkraft v außen Aufnehmer Block Matrize Druckplatte Lauffläche Matrize -38- Strangpressen nichtsymmetrischer Querschnitte Matrize - ohne Vorkammer und konstanter Führungsflächenlänge FZS-Berlin Geschwindigkeit 370 in mm/s 380 Optimierte Matrize mit Vorkammer und angepasster Führungsflächenlänge Fertigungstechnisch aufwendig herzustellen FZS-Berlin Geschwindigkeit 370 in mm/s

20 Strangpressen nichtsymmetrischer Querschnitte Matrize - ohne Vorkammer und konstanter Führungsflächenlänge FZS-Berlin Geschwindigkeit 370 in mm/s 380 Optimierte Matrize mit Vorkammer und angepasster Führungsflächenlänge FZS-Berlin Geschwindigkeit 370 in mm/s 380 Ergebnis der Optimierung Ausgangsmodell Beste Variante Geschwindigkeit v in mm/s

21 Ergebnis der Optimierung Ausgangsmodell Beste Variante LBVK +0,9mm LHVK +2,5mm MHVK -0,3mm RHVK -2,1mm Geschwindigkeit v in mm/s RBVK ,7mm LAEVK +3 mm Beachtenswerte Kriterien zur Werkzeugauslegung Stege / Tragarme von Kammerwerkzeugen sind auf Biegung belastet a) Normalkräfte (Brücken liegen in Pressachsrichtung) b) Schubkräfte (Reibung) Position der Tragarme beeinflusst die Bauteilqualität a) Längspressnahtlage b) Gefügeentwicklung möglichst in steifen Bereichen positionieren (Ecken) Jeder Steg erhöht die erforderliche Presskraft Energieanteil W scher und W Reib steigen Vorkammergeometrie (vor Matrizenaustritt) beeinflusst stark die Prozesssicherheit Führungsflächenlänge und die dortige Tribologie beeinflusst die Prozesssicherheit

22 Disclaimer Die Professur Formgebende Fertigungsverfahren hat keinerlei Einfluss auf den Inhalt der referenzierten Seiten und übernimmt daher keine Haftung für den Inhalt, die Vollständigkeit, die Richtigkeit und die Aktualität der referenzierten Seiten. Literaturergänzung Müller, K. Grundlagen des Strangpressens. Renningen-Malmsheim, expert-verlag