Berichte aus dem Institut fur Umformtechnik der Universitat Stuttgart Herausgeber: Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. K. Lange

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2 Berichte aus dem Institut fur Umformtechnik der Universitat Stuttgart Herausgeber: Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. K. Lange 117

3 Joachim Schondelmaier Grundlagenuntersuchung liber das Taumelpressen Mit 92 Abbildungen und 1 Tabelle Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1992

4 Dipl.-Ing. Joachim Schondelmaier Institut for Umformtechnik Universitllt Stuttgart Dr.-Ing. Dr. h. c. Kurt Lange o. Professor em. an der UniversitAt Stuttgart Institut far Umformtechnik 093 ISBN ISBN (ebook) DOI / Dieses Werk ist urheberrechtlich geschqtzt. Die dadurch begrondeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oderderverviehaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine VervieHAltigung dieses Werkes odervon Tellen dieses Werkes ist auch im EinzeHall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland Yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sle ist grundsatzllch vergotungspflichtig. Zuwiderhandlungen untertiegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992 UrsprOnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1992 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab soiche Namen im Sinne derwarenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dqrften. Sollte in diesem Werk dlrekt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VOl, VDE) Bezug genom men oder aus Ihnen ziliert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr far Richtigkeit, VolistAndigkeit oder AktualitAt Obernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls far die eigenen Arbeiten die volistandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils goltigen Fassung hinzuzuziehen. 62/

5 GELEITWORT DES HERAUSGEBERS Die Umformtechnik zeichnet sich durch sehr gute Werkstoffauswertung und hohe Mengenleistung in der Serienfertigung gegenliber anderen Fertigungsverfahren aus, wobei Beibehaltung der Masse, Knderung der Festigkeitseigenschaften wahrend eines Vorgangs und elastische Rlickfederung der Werkstlicke nach einem Vorgang wesentliche Merkmale sind. Weiter sind die benotigten Krafte, Arbeiten und Leistungen sehr viel grober als z.b. bei spanenden Verfahren. Die sichere Beherrschung eines Verfahrens in der industriellen Fertigung und die zunehmende Forderung nach Vermeidung bzw. Minimierung spanender Nacharbeit erzwingen die geschlossene Betrachtung des Systems "Umformende Fertigung" unter zentraler Berlicksichtigung plastizitatstheoretischer, werkstoffkundlicher und tribologischer Grundlagen. Das Institut flir Umformtechnik der Universitat Stuttgart stellt entsprechend Forschung und Entwicklung zum einen auf die Erarbeitung von Grundlagenwissen in diesen Bereichen ab, zum anderen untersucht und entwickelt es Verfahren unter Anwendung spezieller MeBtechniken mit dem Ziel einer genauen quantitativen Ermittlung des Einflusses der Parameter von Vorgang, Werkstoff, Werkzeug und Maschine. Die Behandlung von Problemen des Maschinenverhaltens, der Maschinenkonstruktion sowie der Werkzeugauslegung und -beanspruchung, der Auswahl hochbeanspruchbarer, verschleibfester Werkzeugbaustoffe und schlieblich der Tribologie geh6rt entsprechend ebenfalls zum Arbeitsgebiet, das durch die Erfassung organisatorischer und betriebswirtschaftlicher Fragen abgerundet wird. 1m Rahmen der "Berichte aus dem Institut flir Umformtechnik" erscheinen in zwangloser Folge jahrlich mehrere Bande, in denen liber einzelne Themen ausflihrlich berichtet wird. Dabei handelt es sich vornehmlich urn AbschluBberichte von Forschungsvorhaben, Dissertationen, aber gelegentlich auch urn andere Texte. Diese Berichte sollen den in der Praxis stehenden Ingenieuren und Wissenschaftlern zur Weiterbildung dienen und eine Hilfe bei der Losung umformtechnischer Aufgaben sein. Flir die Studierenden bieten sie die Moglichkeit zur Vertiefung der Kenntnisse.

6 den bieten sie die Moglichkeit zur Vertiefung der Kenntnisse. Die seit zwei Jahrzehnten bewahrte freundschaftliche Zusammenarbeit mit dem Springer-Verlag sehe ich als beste Voraussetzung fur das Gelingen dieses Vorhabens an. Kurt Lange

7 Vorwort Die vorliegende Arbei t entstand w~hrend meiner T~tigkei t als wissenschaftlicher Mi tarbei ter am Insti tut fur Umformtechnik der Universit~t Stuttgart. Herrn o. Prof. em. Dr. - Ing. Dr. h. c. K. Lange danke ich fur sein Vertrauen und fur seine wohlwollende UnterstUtzung. Von der Themenstellung bis zum AbschluB der Untersuchungen hat er mich bei der Bearbeitung durch seine Anregungen unterstutzt. Herrn Prof. Dr. - Ing. Dr. h. c. W. K5nig danke ich fur die freundliche Ubernahme des Mitberichtes und die daraus ergebenen wertvollen Hinweise. Wei terhin gilt mein Dank Herrn Prof. Dr. -Ing. T. Wanheim vom Afdelingen for Mekanisk Technologi der Technischen Hochschule, D~nemark, fur die UnterstUtzung bei der DurchfUhrung der Modellversuche. Herrn Dr. -Ing. Thomas Herlan gilt mein besonderer Dank fur seine wertvollen RatschUige und seine kreative UnterstUtzung in allen Phasen der Arbeit. Mein pers5nlicher Dank gil t meinen El tern Hermann und Hannelore Schondelmaier welche durch Ihre ausdauernde UnterstUtzung diese Arbeit erst erm5g1ichten. Allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts fur Umformtechnik danke ich fur die sehr kollegiale und wertvolle Zeit w~hrend der Anfertigung meiner Arbeit. Mein ganz herzlicher Dank gilt Herrn cand. -mach. Edmund Berg fur seine beitragende UnterstUtzung. GutachjSchwb., im M~rz 1992 Joachim Schondelmaier

8 INHALTSVERZEICHNIS VERZEICHNIS DER WICHTIGSTEN ABKURZUNGEN o ZUSAKMENFASSUNG 1 EINLEITUNG 2 STAND DER KENNTNISSE UNO ZIEL DER ARBEIT 2.1 Verfabrensbescbreibung 2.2 Entvicklung des Taumelpressens Entwicklung von Press en fur die Taumelumformung Wissensstand der Untersuchungen im Bereich Taumelpressen 2.3 Zielsetzung THEORETISCHE UNTERSUCHUNGEN DER KONTAKTFLACHEN 3.1 Kontaktflacben bei Berecbnung mit ebener WerkstUckoberflacbe 3.2 Kontaktflacben bei Berecbnung mit vendelformiger Werkzeugoberflacbe 41 4 BERECHNUNG DER KRAFT MIT HILPE DER OBEREN SCHRANKE 50 5 MESTECHNIK Die versucbstaumelpresse PXW MeSverterfassung MeSvertverarbeitung 59 6 VERFAHRENSUNTERSUCHUNG Reibungsuntersucbung Allgemeines Grundlagen des Ringstauchversuchs DurchfUhrung und Auswertung der Ringstauchversuchs Kraftuntersucbung EinfluB der Taumelbewegungen auf die Umformkraft

9 VERZEICHNIS DER WICHTIGSTEN ABKURZUNGEN Allgemeine Zeichen A mm 2 Flache Ages mm 2 Werkstiickoberflache At91?S mm2 Beriihrflache beim Taumelpressen N C Werksloffkonstante mrn2 d mm Durchmesser N E Elasizitatsmodul nnn2 e nnn Exzentrizitat F N Kraft F* N an der Taumelpresse eingestellte Kraft h mm Hahe des Werkstiickes k J N 1111n2 Fliefispannung I mm Lange n Verfestigungsexponent p J(W Leistung Q Konstante beim Taumelpressen R mm Radius.5 1TJ..rn Umformweg.5h 7nrH Stafielgeschwindigkeit Umdrehung t.5 Zeit V mm 3 Volumen v 1Hrn Geschwindigkeit W S kj Arbeit C>!'ad Winkel 8 1 mm 2 Kegelflache 8 2 mm 2 Wendelflache [ Formanderungen [/ Dehnungen [v Vergleichsformiinderungen I Taumelwinkel I Kippwinkel 'P Umformgrad 'P Umformgeschwindigkeit,\ Flachenverhiiltnis beim Taumelpressen!l Reibungszahl N T Schubspannung 71l1n 2 W 1. Willkelgeschwindigkeit sn T Schu bspanllullg

10 Indizes 0 Anfangszustand Endzustand a auben B Blat t bewegung ges gesamt I< Kreis bewegung m mittlere S Spiralbewegung Taumel pressen max maximal, grobt

11 o ZUSAHMENFASSUNG Das Taumelpressen ist ein seit langerem bekanntes Umformverfahren, welches jedoch hinsichtlich seiner Grundlagen bisher nicht ausreichend untersucht wurde. Ziel der Arbeit soli es sein, die Grundlagen und Einsatzmoglichkeiten dieses Verfahrens anhand des Stauchens zu erortern. Mit zum Teil theoretischen, zum Teil experimentellen untersuchungen wurde hierzu eine Verfahrensanalyse durchgeftihrt. 1m theoretischen Teil der Verfahrensanalyse wurden mit verschiedenen Rechenansatzen Moglichkeiten geschaffen, die Kontaktflachen in Abhangigkeit von den wichtigsten KenngroBen beim Taumelpressen zu berechnen. Mit dem Verfahren der "Oberen Schranke" wurde ein Rechenansatz hergeleitet, um die Umformkrafte zu bestimmen. Die auf diese Weise berechneten Krafte zeigen eine gute Ubereinstimmung mit den in den Versuchen ermittelten Stempelkraften. 1m experimentellen Teil der untersuchungen bilden tiber 600 Pressungen mit den Werkstoffen C15, 16MnCr5 und X7Cr13 die Grundlage der Reibungsuntersuchung, der Ermittlung des Kraftbedarfs sowie der Untersuchung der Kontaktflachen und der Verfahrensgrenzen beim Taumelpressen. Versuche mit dem konventionellen achsparallelen Stauchen wurden zu Vergleichszwecken erganzt. Die mit Hilfe des Ringstauchversuchs nach Rastegaev durchgeftihrten untersuchungen weisen die eindeutig gtinstigeren Reibungsbedingungen ftir das Taumelpressen nacho Um den EinfluB der Umformkraft zu erfassen, wurden der Taumelwinkel, die Bewegungsart, die Umformgeschwindigkei t und die Werksttickwerkstoffe variiert. Die kleinsten Stempelkrafte ergaben sich bei der Umformung mit der Kreisbewegung, einer moglichst kleinen Umformgeschwindigkeit und einem groben Taumelwinkel. Der Werksttickwerkstoff hat dabei im Vergleich zum konventionellen Stauchen keinen wesentlichen EinfluB auf die Umformkraft.

12 15 Die experimentellen untersuchungen der Kontaktflachen zwischen Werkzeug und Werksti1ck zeigen eine Abnahme der Kontaktfliiche mit sinkender Umformgeschwindigkeit und zunehmendem Taumelwinkel. Die Vorteile des Taumelpressens bezi1glich kleinerer Kontaktflachen und die damit verbundenen kleineren Umformkrafte konnen somit besser genutzt werden. Der WerkstofffluB des instationiir ablaufenden Vorgangs wurde i1ber Hartemessungen und i1ber die Atzung polierter Schliffe sowie mit Hilfe von Modellwerkstoffen untersucht. Gegeni1ber dem konventionellen Stauchen weisen taumelgeprebte Stauchkorper eine eindeutig bessere Durchschmiedung und eine homogenere Umformung.auf. Die Untersuchung der Verfahrensgrenzen ergab wesentlich hohere Umformgrade fi1r das Taumelpressen. Der maximale Stauchgrad ist jedoch aufgrund der exzentrisch angreifenden Umformkraft geringer. In einem abschliebenden Kapitel werden die Ergebnisse fi1r die industrielle Anwendung aufbereitet, um dem Praktiker ein schnelles Abschatzen der Anwendungsmoglichkeiten des Taumelpressens zu ermoglichen. Die wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt einen Vorteil dieser Technologie fi1r kleine Sti1ckmengen. Durch schnellere Taumelantriebe konnte in Zukunft die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens weiter gesteigert werden.

13 1 EINLEITUNG Die Forderung nach immer genauerer Werksttickfertigung bei gleichzeitiger Kostensenkung, Rationalisierung, Material- und Energieersparnis bringt fortwahrend eine Weiterentwicklung der umformtechnischen Verfahren mit sich. Hierbei orientiert man sich gerade bei der angestrebten "near-net-shape" -Technologie in zunehmendem MaBe in Richtung Kaltmassivumformung /1/. Durch die Kaltverfestigung, den nicht unterbrochenen Faserverlauf, bessere Festigkeitseigenschaften und Oberflachenqualitaten lassen sich mit Hilfe der Umformtechnik in wirtschaftlicher weise beanspruchungsgerechte Werkstticke herstellen. Konventionelle Umformmaschinen tiben wahrend des Umformvorganges den Druck auf die gesamten stirnseitigen Werksttickoberflache aus. Je grober die Abmessungen der zu fertigenden Werkstticke werden, desto hoher sind die zur Umformung benotigten PreBkrafte. Diese hohen PreBkrafte verursachen aufwendige, stabile und kostenintensive Maschinen- und Werkzeugkonstruktionen. Da diese Kosten auf die einzelnen Werkstticke umgelegt werden mtissen, sind umformtechnische Verfahren oft erst bei hohen sttickmengen wirtschaftlich. 1m Jahre 1918 wurde ausgehend von der Idee, die Druckzone auf einen kleinen Teil der Werksttickoberflache zu begrenzen und diese auf bestimmten Bahnen auf dem Werksttick "schwingend" zu bewegen, eine Umformpresse mit pendelndem Gesenk ("Taumelpresse") entwickelt. Durch einen gekippten stempel, der um den Taumelwinkel zur Maschinenlangsachse geneigt ist, werden kleinere Druckzonen und damit kleinere PreBkrafte erreicht und wegen der damit verbundenen kostengtinstigeren Werkzeug- und Maschinenkonzepte ist es moglich, die Wirtschaftlichkeit von Umformprozessen hin zu kleineren Sttickmengen zu verschieben. Dabei konnen die gesamten Vorteile der Umformtechnik genutzt werden. Obwohl der Grundgedanke des Taumelpressens schon seit Anfang der zwanziger Jahre bekannt ist, fehlen bislang grundlegende untersuchungen dieses Verfahrens. In der vorliegenden Arbeit

14 17 wird daher eine Grundlagenuntersuchung des Taumelprozesses vorgestellt. Anhand des Umformverfahrens Stauchen wird der ProzeB in Abhangigkeit der rotatorischen Bewegungszustande (Kreis-, Spiral- und Blattbewegung) analysiert. Ziel ist es, mit theoretischen und experimentellen untersuchungen die ProzeBparameter zu erforschen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen fur die industrielle Anwendung zu anwendbaren Aussagen fiihren, mit deren Hilfe der Umformvorgang mit taumelndem Gesenk einfach abgeschatzt und vorhergesagt werden kann.

15 2 STANO OER KENNTNISSE UNO ZIEL OER ARBEIT 2.1 Verfahrensbeschreibunq Das Verfahren Taumelpressen last sich in die nach DIN 8582 und DIN 8583 /2, 3/ eingeteilten Fertigungsverfahren der Umformtechnik eingliedern. 1m Gegensatz zu herkommlichen Umformprozessen mit starren Werkzeugen wird beim Taumelpressen die Kraft auf eine partielle Beriihrfliiche zwischen Werkzeug und Werkstiick iibertragen. Dieses erfolgt durch den um einen bestimmten Winkel zur vertikalen Maschinenachse geneigten stempel. Bild 1 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Stouchen Toumelpressen L ~es Kontoktflochen Atges Bild 1: Gegeniiberstellung der Verfahren

16 19 Spannunq.n und Kraft. Beim konventionellen stauchen (Bild 1, links) wird durch die Reibung an den WerkstUckoberflachen zwischen Werkzeug und Werkstuck der radiale WerkstofffluB behindert. Die Axialspannung Uz steigt dabei auf ein Vielfaches von kfo an. FUr die Umformkraft mabgebend ist die Kontaktflache Ages, welche beim konventionellen stauchen zur gesamten stirnseitigen WerkstUckoberfUi.che wird. Beim TaumelprozeB hingegen ist in der Regel die Kontaktflache Atges nur ein Bruchteil der gesamten WerkstUckoberflache. Weiterhin ist die maximale Axialspannung aufgrund veranderter Reibbedingungen zwischen WerkstUck und Werkzeug geringer als beim konventionellen Stauchen /4/. Infolge dieser kleineren Kontaktflachen beim Taumelpressen und der gunstigeren Reibbedingungen reduziert sich die Umformkraft je nach Werkstoff und Werkstuckgeometrie auf 1/5 bis 1/10 der Nennkraft beim konventionellen Pressen /5 bis 10/. lunlttionsweise Die Funktionsweise einer mechanisch angetriebenen Taumelpresse zeigt Bild 2. Die Taumelglocke, in welcher das Oberwerkzeug eingebaut wird, ist in zwei unabhangig voneinander angetriebenen Exzenterringen gelagert. Diese werden durch ein Vorgelegegetriebe angetrieben, wobei der innere Ring mit variablem und der aubere Ring mit konstantem Antrieb ausgerustet ist. Je nach kinematischer Kopplung, d.h. Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung beider Ringe zueinander werden die in Bild 3 dargestellten Bewegungsarten erreicht. Diese sind die Kreisbewegung, die Blattbewegung, die spiralbewegung und die geradlinige Bewegung.

17 20 ~~~-h--_--antrieb (variabel) Antrieb (konstant) ~';U:.. "'~ Exzenterring 1 A---Exzenterring 2 ~_---Taumelglocke erwerkzeug nterwerkzeug J:------St6Belhub Bild 2: Schematische Darstellung einer mechanisch angetrieben en Taumelpresse /11/ Kinematik Die Funktionsweise und die Aufgaben der einzelnen Bewegungsarten werden von MassIe /6, 7/ wie folgt zugeordnet:

18 21 Bewegungsarten beirn T aurnelpressen Kreisbewegung n1 = n2 Blottbewegung n 1 <1"- n 21 Spirolbewegung n1 < n2 gerodl. Bewegung n 1= -n2 B Bewegungsarten beim Taumelpressen 1. neisbe.equnqi diese wird durch die Bewegung beider Exzenterringe mit gleicher Drehgeschwindigkeit und gleicher Drehrichtung erzeugt. Die Kontaktflache wandert dabei nur in tangentialer Richtung um den Werkstuckmittelpunkt. Diese Bewegung wird bei verhaltnismabig dunn en und groben flanschahnlichen Teilen angewendet, bei denen es auf eine intensive und hohe Umformung ankommt (vgl. Bild 3 links oben). 2. Spira1be.equnqen werden durch unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten bei gleicher Drehrichtung der Exzenterringe erzeugt. Diese Bewegung begunstigt die Umformung in der Mitte des WerkstUckes, wenn dort komplizierte Geometrien und hohe Umformgrade ben6tigt werden (vgl. Bild 3 links unten). 3. B1attbe.equnqi hier werden die Exzenterringe mit zueinander unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten und Drehrichtungen angetrieben. Die Blattbewegung eignet sich fur Werk-

19 22 stucke mit konzentrischen Rippen, wie z.b.: Kegelrader und verzahnte Kupplungsscheiben. (vgl. Bild 3 rechts oben) 4. Geradlinige Bewegung; diese wird durch entgegengesetzte Drehrichtung bei gleichen Rotationsgeschwindigkeiten der Exzenterringe erzeugt. Sie eignet sich besonders zur Herstellung von langen, schmalen Werkstucken mit Gravuren senkrecht zur Pendelbewegung (vgl. Bild 3 rechts unten). Einen Uberblick uber durch Taumelpressen hergestellten Werkstucke zeigt Bild 4. Eine umfassende Untersuchung von Werkstucken, welche durch den TaumelprozeB hergestellt werden konnen, wurde von Grzeskowiak vorgenommen /12/. Diese Ergebnisse wurden in einer Formenordnung zusammengefabt. Bild 4: TaumelgepreBte Werkstucke /11/ Die Krafteinleitung fur den UmformprozeB erfolgt im Gegensatz zu den ublichen Umformpressen bei den meisten Maschinen zum

20 23 Taumelpressen qurch einen hydraulischen Antrieb im unteren Maschinenteil (vgl. Bild 2). Durch den hydraulischen Hauptzylinder wird das Untergesenk wahrend des Umformvorganges nach oben bewegt. Somit wird das auf dem Untergesenk liegende WerkstUck gegen das sich bewegende Obergesenk gedruckt. Neben den bereits allgemein fur die Umformtechnik bekannten Vorteilen wie nicht unterbrochener Faserverlauf und den damit verbundenen geringeren Kerbwirkungen sowie Werkstoffersparnis, weist das Verfahren Taumelpressen noch weitere spezifische Vorteile auf. Vor- un4 Nachteile 4e, Vertahren, Einige Vorteile des Verfahrens gegentiber dem KaltflieBpressen nach DIN 8583 /3/ sind: herkommlichen - die kleineren partiellen Beriihrflachen ftihren wahrend der Umformung zu wesentlich geringeren Umformkraften als beim "konventionellen Stauchen" /6, 7, 13/, - daraus resultieren wesentlich kleinere Abmessungen der Taumelpressen im Vergleich zu konventionellen Maschinen /14/, - kostengunstigere Maschinen und Werkzeuge fur die Herstellung eines Umformproduktes /13,14/; - niedrige Investitions- und Wartungskosten /13/; - die Moglichkeit des Umformens komplizierter Geometrien und Einsatz von Werkstoffen, die sich durch herkommliche Umformverfahren nicht herstellen lassen /6/. ( vergleiche Bild 4); - hohere Standzeiten der Werkzeuge aufgrund der geringeren Gesenkbelastungen /15/; - geringere Larmentwicklung beim Taumelpressen /8, 15, 16/; - grobere erzielbare Formanderungen. Dadurch konnen unter Umstanden auch Arbeitsgange eingespart werden /17, 18/. Diese Vorteile mtissen jedoch in der Regel mit langeren Umformzeiten erkauft werden.