Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Lehrstuhl Formgebende Fertigungsverfahren. Werkzeuge der Umform- und Zerteiltechnik

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1 Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Lehrstuhl Formgebende Fertigungsverfahren Werkzeuge der Umform- und Zerteiltechnik Fließpresswerkzeuge Prof. Dr.-Ing. lexander Brosius 3. Mai 213 Vorlesungsüberblick Sommersemester 213 Termin Thema Termin Thema Einführung Grundlagen der Werkzeuge Übung Grundlagen der Werkzeuge Gesenkschmiedewerkzeuge Fließpresswerkzeuge Gesenkkonstruktion 1 (Beleg) Brückentag keine Vorlesung Gesenkkonstruktion 2 (Beleg) Strangpresswerkzeuge Einführung FEM Modellierung FEM Werkzeuge der Blechbearbeitung Berechnung FEM Folgeschneidwerkzeuge I Werkzeugkonstruktion FSWz 1 (Beleg) Folgeschneidwerkzeuge II Werkzeugkonstruktion FSWz 2 (Beleg) Visioplastizität Sonderwerkzeuge ufbau und Einsatz laminierter Wkz Fertigung von Umformwerkzeugen Exkursion Werkzeughersteller Repetitorium

2 Repetitorium Rückblick auf Prozesse Freiformschmieden, Gesenkschmieden und Varianten Tribologie Versagensfälle der Werkzeuge Schmiedbarkeit Machbarkeitsfrage Elemente der Gesenkschmiedewerkzeuge Einordnung des Verfahrens Durchdrücken nach DIN 8583 Massivumformung Durchdrücken Durchziehen Eindrücken Schmieden Walzen Fließpressen Verjüngen Strangpressen F F d d h F d d1 d 1 d

3 Prozessablauf beim Fließpressen Verfahrensprinzip: nwendungsbeispiele (Fließpressteile): Trennen Weichglühen Reinigen Schmierstoffauftrag Phosphatieren(Bondern), MoS2, Graphit Fließpressen mehrstufig Wärmebehandlung Mech. Weiterbearbeitung Foto: Schuler Pressen Prospekt; Trennvorrichtung: Hatebur Prozessablauf beim Fließpressen Verfahrensprinzip: -7- Pressbüchse nwendungsbeispiele (Fließpressteile): Trennen Weichglühen Reinigen Schmierstoffauftrag Phosphatieren(Bondern), MoS2, Graphit Fließpressen mehrstufig Wärmebehandlung Mech. Weiterbearbeitung Weichglühen zur Beseitigung der Kaltverfestigung. Im Film: Zwischenglühen von en zwischen vorherigem Stauchen und nachfolgendem Fließpressen Foto: Schuler Pressen Prospekt, Film: Hatebur -6- Pressbüchse

4 Prozessablauf beim Fließpressen Verfahrensprinzip: nwendungsbeispiele (Fließpressteile): Trennen Weichglühen Reinigen Schmierstoffauftrag Phosphatieren(Bondern), MoS2, Graphit Fließpressen mehrstufig Wärmebehandlung Mech. Weiterbearbeitung Reinigen: Entzundern Entfetten Trocknen Das Reinigen dient der Vorbereitung zur Schmierstoffaufnahme Foto: Schuler Pressen Prospekt Prozessablauf beim Fließpressen Verfahrensprinzip: -9- Pressbüchse nwendungsbeispiele (Fließpressteile): Trennen Weichglühen Reinigen Schmierstoffaufttrag Schmierstoffauftrag Phosphatieren(Bondern), MoS2, Graphit Fließpressen mehrstufig Wärmebehandlung Mech. Weiterbearbeitung Schmierung und Weichglühen ermöglichen größere Umformgrade. So können auch weniger fließfähige Werkstoffe eingesetzt werden. Im Film: Phosphatieren (Zinkphosphat) zur Reibungsverminderung Foto: Schuler Pressen Prospekt, Film: Hatebur -8- Pressbüchse

5 Prozessablauf beim Fließpressen Verfahrensprinzip: nwendungsbeispiele (Fließpressteile): Trennen Weichglühen Reinigen Schmierstoffauftrag Phosphatieren(Bondern), MoS2, Graphit Fließpressen mehrstufig Wärmebehandlung Mech. Weiterbearbeitung Kaltfließpressen bei Raumtemperatur Warmfließpressen oberhalb Trekristall Foto: Schuler Pressen Prospekt Fließpressen Eigenschaften und Beispielbauteile Kaltfließpressen - Raumtemperatur - Bauteilgröße beschränkt - Höchste Form- und Maßgenauigkeit, - keine oder wenig spanende Nachbearbeitung - Höchste Oberflächengüte (Rz12- Rz25) - Kaltverfestigung begrenzt Umformgrad - Hohe Umformkräfte Warmfließpressen - Umformung oberhalb rekristall - Für schlecht umformbare Werkstoffe (hochfeste Stähle, Sonderqualitäten) - Geringere Prozesskräfte - Werkzeugschonend - Größere Bauteile als beim Kaltfließpressen - Sehr hohe Umformgrade -1- Pressbüchse -11-

6 Prozessablauf beim Fließpressen Verfahrensprinzip: nwendungsbeispiele (Fließpressteile): Trennen Weichglühen Reinigen Schmierstoffauftrag Phosphatieren(Bondern), MoS2, Graphit Fließpressen mehrstufig Wärmebehandlung Mech. Weiterbearbeitung Wärmebehandlung: Kornwachstum, Rekristallisation Mech. Weiterbearbeitung: z.b. Stauchen oder Spanende Weiterbearbeitung: (Bei Kaltfließpressteilen in d. Regel nur für Hinterschneidungen nötig) Drehen Fräsen Schleifen Foto: Schuler Pressen Prospekt Einschub Rekristallisation 1 Wärmezufuhr oder dissipierte Umformenergie reduziert Versetzungsdichte und kann Korngrenzen verändern Rekristallisation verändert die Mikrostruktur Rekristallisationstemperatur Erforderliche Temperatur, die eine Umwandlung aller Körner in 1 h zur Folge hat primär Rekristallisation sekundär Umformbarkeit Fließspannung T m = Schmelztemperatur Zeit -12- Pressbüchse -13-

7 Einschub Rekristallisation 2 Kornwachstum in bhängigkeit der Zeit Zeit Temperaturführung während einer Wärmebehandlung Quelle: Dr. R. Henseler; Prof.. Brückner-Foit 6 C 64 C Temperatur 1: Vorheizen t pr 2: Durchwärmen t th 3: Halten t ho 4: bkühlen t co Zeit 55 C 5 C 45 C 4 C Temperatureinfluss bei definierter Zeit (luminium, 3 min) Einschub Linienfehler τ τ τ τ τ τ τ τ Versetzung Gleitebene

8 Einschub rten von Korngrenzen Kleinwinkel-Korngrenzen Korngrenzen Hervorgerufen durch usrichtung bzw. polygonartige nordnung von Versetzungen Grundlegende Fließpressverfahren Voll-Vorwärts Napf-Rückwärts uswerfer +Gegenstempel

9 Prozessgrößen Fließpressen d F Schulteröffnungswinkel Eingangsquerschnitts Fläche 2 4 d 2 h usgangsquerschnitts Fläche 1 4 d 2 1 d 1 Vergleichsumformgrad: max ln 1 Flächenabnahme (%): Spannungszustand im beim Voll-Vorwärts-Fließpressen z 2 = Schulteröffnungswinkel F r F RW = Reibkraft an der z t F RS = Reibkraft an der Fließpressschulter d z r k f, = Fließspannung im usgangsquerschnitt k f,1 = Fließspannung im Endquerschnitt 1 F RW F RS h z kf,1 kf, r ~ t d 1 1 Zug k z r f Druck ( nach K. Lange ) -19-

10 Kraft-Weg-Kurve beim Vorwärtsfließpressen : Prozessbeginn C:Werkstoff füllt die C D: Übergang von Haft zu Gleitreibung F max B C D D E: Quasistationäres Fließpressen D: Prozessende E Kraft F rbeit für das Fließpressen Instationärer Bereich Quasistationärer Bereich Weg h Kraft-Weg-Verlauf beim Kaltfließpressen LFU_We_13_b -21- Kniehebelpresse o.u. Nennkräfte von Kaltfließpressen: Kurbel und Exzenterpresse KN Kniehebelpresse KN Hydraulische Presse KN Nennkraft F N h N s u.u. Umformkraft F, Stößelkraft F St F St = F St ( h) F W o.u. Umformweg s ( Stößelweg h ) u.u. -2-

11 Stationärer Zustand beim Fließpressen Rohteil Schulter Schaft Stationäre Eigenschaften Verzerrung der Netzlinien beim Fließpressen Härtewerte vor der Umformung: H V = N/mm 2 Härteverteilung nach der Umformung: H V in N/mm 2 H V in N/mm (Quelle: Nach F.H. Feldmann)

12 Umformarbeiten und Kräfte beim Vorwärts Fließpressen (Siebel) Gesamte Umformarbeit : Gesamte Umformkraft : Wges Wid WRS WRW WSch Fges Fid FRS FRW FSch Ideelle Umformkraft F k id fm max Kraft zur Überwindung der Wandreibung Kraft zur Überwindung der Schulterreibung Kraft zur Überwindung innerer Schiebungsverluste F d hk RW f 2 FRS k sin 2 fm max 2 FSch kfm tan 3 nteile der Kraftkomponenten beim Voll- Vorwärts-Fließpressen 4 3 Ideelle Kraft Reibkraft () Reibkraft (Fließpressschulter) Schiebungskraft Gesamtkraft Kraft in kn 2 1 h 12 mm d 5 mm Werkstoff: k f 32 MPa,1 d 3 mm,25 k 7 MPa 1 f Öffnungswinkel 2α

13 bleitung der ideellen Umformarbeit r Die ideelle Umformarbeit kann auf folgende Weise berechnet werden d z/ * 3 * 1 * 2 * σ * z 1 * 1 σ r Δz 3 3 * 2 * 2 dw zd dz id r z Mit der Volumenkonstanz V z const., dv dz dz, zd dz Vd/ d σ r wird d dw V id r z bleitung der ideellen Umformarbeit Unter Verwendung von: k z r f (siehe Grundlagenvorlesung) und nach Integration zwischen und 1 erhält man die ideelle Umformarbeit: W V k d/ id 1 Wird mit einem verfestigenden Werkstoff gerechnet, wird anstellte von k f eine mittlere Fließspannung k fm angenommen: f k fm 1 1 k d f oder k fm k f, f,1 2 k

14 bleitung der ideellen Umformarbeit Daraus ergibt sich für die ideelle Umformarbeit: W id max V k ln fm 1 ln 1 W Vk id fm max Für die ideelle Umformkraft folgt: F k id fm max Varianten des Vorwärts-Fließpressens Voll Vorwärts Hohl Vorwärts Napf Vorwärts Dorn uswerfer Gegenstempel

15 Beispiele Vorwärts-Fließpressen Kammerer, Stuttgart Kammerer, Stuttgart Kammerer, Stuttgart Hirschvogel Hirschvogel Hirschvogel Varianten des Rückwärts-Fließpressens Voll Rückwärts Hohl Rückwärts Napf Rückwärts Dorn -31- Pressbüchse uswerfer +Gegenstempel uswerfer +Gegenstempel -3-

16 Beispiele Napf-Rückwärts-Fließpressen (Quelle: Ladish Co., Inc.) (Quelle: lutec) (Quelle: Kammerer, Stuttgart) Varianten des Quer-Fließpressens Voll Quer Hohl Quer Napf Quer Dorn Dorn Gegenstempel Gegenstempel

17 Varianten des Quer-Fließpressens Voll Quer Hohl Quer Napf Quer Dorn Dorn Gegenstempel Gegenstempel (Kammerer, Stuttgart) (IfU, Stuttgart) (Kammerer, Stuttgart) -34- Beispiele Quer-Fließpressen (IfU, Stuttgart) (IfU, Stuttgart) -35-

18 Werkzeug zum Voll-Vorwärts-Fließpressen Grundplatte Druckplatte rmierungsring Zwischenplatte Grundplatte Druckplatte uswerfer (K. Lange) Werkzeug zum Hohl-Rückwärts- Fließpressen Grundplatte Druckplatte rmierungsring Gegenstempel Zwischenplatte Druckplatte uswerfer Grundplatte (K. Lange)

19 zum Voll-Vorwärts-Fließpressen Quelle: Universität Stuttgart Quelle: Universität Stuttgart Spannungszustand im beim Voll-Vorwärts-Fließpressen z 2 = Schulteröffnungswinkel F r F RW = Reibkraft an der z t F RS = Reibkraft an der Fließpressschulter d z r k f, = Fließspannung im usgangsquerschnitt k f,1 = Fließspannung im Endquerschnitt 1 F RW F RS h z kf,1 kf, r ~ t d 1 1 Zug k z r f Druck ( nach K. Lange )

20 Mehrachsige Spannungszustände In Realität meist mehrachsige Spannungszustände Beispiel: Ebener Spannungszustand mit den Normalspannungen i und den Schubspannungen ij X Y XY YX Y XY X YX X Y Fließort beschreibt einen mind. 2-achsigen Spannungszustand, der zu einer plastischen Deformation führt Wie erhält man Informationen über die anderen Spannungszustände? Experimente oder nnahmen bzgl. Fließort Populäre Fließkriterien / Fließorte (für isotrope Werkstoffe) sind die Kriterien nach Tresca und von Mises Fließkriterium nach TRESC III I III k f II III I Ebener Spannungszustand: II =! I I max k f 2 III III IV III -k f I plastisch V III I -k f VI III k f I I Bereich I k I III f I II k III I f III III k III I f III I IV k III I f I V k I III f III VI k I III f I III

21 Fließkriterium nach VON MISES Das Fließkriterium nach VON MISES via Spannungskomponenten: k f xx yy yy zz zz xx xy yz zx vm.. Das Fließkriterium nach VON MISES via Hauptspannungskomponenten: 1 k f = II = ebener Spannungszustand Vergleich TRESC & VON MISES ngenommener Spannungszustand: xy III TRESC VON MISES Tresca v. Mises I Maximale bweichung zwischen beiden Kriterien: 15,5 %

22 r / p i / p i t / p i p i Spannungsverteilung in der Fließpressmatrize nnahme: Dicker, unendlich langer Zylinder unter Innendruck. Versagen nach Tresca Fließkriterum: max min k ber, p i t r f r Der maximal zulässige Innendruck : k f t Werkstoff der 2 Werkstoff der Spannungsverteilung in der Fließpressmatrize mit rmierungsring Der maximal zulässige Innendruck: Spannungen ohne Innendruck 3 p k zu k 4 i f Werkstoff f Werkstoff der der Spannungen mit Innendruck

23 Typische Beanspruchung und uslegung von Fließpressstempel und Fließpressmatrizen: Für diese Werkzeugaktivelemente von Fließpresswerkzeugen sind folgende Beanspruchungen typisch:, Gegenstempel, uswerfer und Dorne werden durch außermittig angreifende Längskräfte beansprucht n, Innen-, Zwischen- und ußenringe, Schulterbuchsen werden durch hohe Innendrücke beansprucht Verringerung durch eine angepasste stirngestaltung Kompensation durch eine einf. o. doppelte, äußere rmierung Beispiel: rmierung einfache und doppelte rmierung, zylindrische und kegelige Fuge Quelle: Eberlein Beispiel: stirngestaltung übliche uführung, günstigere usführung -47- Richtwerte für Fließpressstempel und nach VDI 3138, Blatt 2 Napf Rückwärts Fließpressen Voll Vorwärts Fließpressen R R Fließpreßstempel, dorn,4 bis,6 *) **) Je nach abmessung Geringste Umformkraft bei 2 = 6 Stähle Leichtmetalle Stähle Leichtmetalle 2 bis 5 mm,5 bis 3 mm **) bis 18,5 bis,2 mm,15 mm *) 2 bis 5 mm 2 bis 3 mm < 2 < 2 R,5 bis,2 mm < 2,15 mm < 2 R > r -48-

24 uslegung Fließpresswerkzeuge In bhängigkeit vom Innendruck p i werden folgende ufnehmerausführungen empfohlen: nichtarmierte ufnehmer p i 1. MPa einfacharmierte ufnehmer p i 1.6 MPa zweifacharmierte ufnehmer p i 2.2 MPa Der im ufnehmer herrschende Innendruck p i ruft in der ufnehmerwand radiale Druck und tangentiale Zugspannungen hervor, die zum Bersten des ufnehmers führen können. Prinzipiell ist eine Steigerung der Belastbarkeit durch folgende Maßnahmen möglich: Vergrößerung der Dicke der ufnehmerwand (nur bis d a /d i = 4 wirtschaftlich), Einsatz von Werkstoffen mit höheren Festigkeiten, ufbringen einer der Beanspruchungsspannung entgegengesetzt wirkenden Vorspannung durch rmieren und Nutzung einer geeigneten Werkzeugteilung: Beispiel vertikaler rmierungsteilungen an Fließpressmatrizen zur Vermeidung von Querrissen Quelle: Eberlein -49- Versagensfälle Fließpressmatrize Versagen durch Bruch Längsriß Innenbuchse rmierung Versagen durch Bruch Querriß Versagen durch Verschleiß Versagen durch Bruch Querrisse Beispiel simulierter Beanspruchungsspitzen beim Vollvorwärtsfließpressen (Quelle: STRECON, Spur) -5-

25 rmierte Werkzeuge rmierung von Fließpreßmatrizen: Neben massiven rmierungen über Zwischen bzw. ußenringe, sind Bandarmierungen möglich: rmierungseffekte durch eine einstellbare Tangentialdruckspannung und eine vereinzelte Tangentialzugspannung: ußenring Bandarmierungen ufbringen der Bandarmierung durch Wickeln eines Stahlbandes: Wickelring Quelle: STRECON /S, Ellegaardvej 36, DK 64 Sonderborg 211) -51- STRECON Vari-Fit Fließpressmatrizen Zielstellung: Bauteilherstellung mit einer Toleranz, die so gut wie oder besser als bei spanend bearbeiteten Bauteilen ist (Quelle: Strecon, Soenderborg/Denmark) -52-