Präzisionsschmieden Sauber gescherte Halbzeuge als Bedingung für das gratlose Präzisionsschmieden

Präzisionsschmieden ist ein Verfahren, mit dem die Herstellung hochfester Bauteile mit komplexen, einbaufertigen Konturen bei hoher Oberflächengüte und engen Gesamttoleranzen möglich ist. Voraussetzung ist deshalb ein volumengenaues Halbzeug. Bei Stahlwerkstoffen wird für die Vereinzelung des Stangenmaterials derzeit das Trennverfahren Knüppelscheren am häufigsten angewandt.

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G+K Umformtechnik GmbH

IPH Institut für integrierte Produktion Hannover gGmbH

Beim Gesenkschmieden wird das Werkstück in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie in einem ein- oder mehrstufigen Prozess zum fertigen Schmiedestück umgeformt. Für Langteile – das heißt Bauteile mit einer Bauteilgeometrie, bei der die Längsachse deutlich ausgeprägter ist als die Querachse – besteht der Umformprozess in der Regel aus den Prozessschritten Massenvorverteilung, Querschnittsvorbildung und Endformung.

Dabei ist das Formpressen bei den konventionellen Schmiedeverfahren dadurch gekennzeichnet, dass überschüssiges Material durch den Gratspalt aus dem Gesenk herausgepresst wird. Anschließend wird dieser Grat in einem Abgratprozess entfernt.

In den letzten Jahren haben zahlreiche Entwicklungen im Bereich der Umformtechnik die Warmmassivumformung von Stahl entscheidend verändert. Zu diesen Entwicklungen gehören außer den Neuerungen in der Werkzeug- und Maschinentechnologie vor allem die Verfahrensentwicklungen zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Qualität. Insbesondere gewinnt das gratlose Präzisionsschmieden immer mehr an Bedeutung.

Die Präzisionsschmiedetechnik ist eine wirtschaftlich vorteilhafte Alternative zum konventionellen Schmieden für die Fertigung von Werkstücken mit komplexen Geometrien, wie beispielsweise Pleueln, die sonst mit sehr hohem Aufwand spanend nachbearbeitet werden müssen. Mit dem Präzisionsschmieden können einbaufertige Funktionsflächen mit Toleranzen von IT 8 bis IT 10 hergestellt werden.

Präzisionsschmieden bietet wirtschaftlich interessante Alternative

Aufgrund des fehlenden Grates kann nicht nur auf den Abgratprozess verzichtet werden. Darüber hinaus verringert sich auch noch die Menge des eingesetzten Werkstoffs.

Voraussetzung dafür ist eine auf die jeweiligen Bauteile abgestimmte Prozesskette. Diese besteht für Langteile in der Regel aus dem Vereinzeln der Rohteile, dem Vorformen zur genauen Massenvorverteilung (zum Beispiel Querkeilwalzen), dem Anstauchen im geschlossenen Gesenk zur Querschnittsvorbildung und dem Präzisionsschmieden zur Endformung.

Die Herstellung möglichst gering verformter, maßhaltiger und volumenkonstanter Halbzeuge ist Grundlage der fehlerfreien Weiterbearbeitung. Halbzeuge aus Stahl werden für die Warmmassivumformung überwiegend durch Scheren von Stangenmaterial hergestellt. Im Vergleich zum Sägen bietet das Knüppelscheren, auch Stabstahlscheren genannt, Vorteile wie einen höheren Durchsatz durch höhere Prozessgeschwindigkeiten und eine höhere Materialeffizienz durch den Wegfall von Span.

Hohe Anforderungen an das Scheren als Trennverfahren

Um den Anforderungen an die Genauigkeit beim Scheren gerecht zu werden, wird beispielsweise mit nachgelagerten Messeinrichtungen die Masse und somit das Werkstückvolumen der Halbzeuge überprüft und daraufhin werden Prozessparameter wie Schneidspalt oder Schergeschwindigkeit angepasst. Eine Verbesserung der Scherergebnisse kann vor allem in Bezug auf eine möglichst plane, senkrechte Scherfläche erreicht werden.

Mit einer Schwingungsanregung des Schermessers (Bild 1) können mehrere Parameter der Scherflächenausbildung gleichzeitig verbessert werden. Außer einer Steigerung der Qualität der Scherfläche wird insbesondere eine Reduktion des Standwinkels auf weniger als 1° und die Verringerung der Welligkeit der Scherfläche erreicht.

Bauteile, bei denen besonders gerade oder scherfehlerfreie Schnittflächen an Halbzeugen notwendig sind, profitieren deshalb vom schwingungsüberlagerten Knüppelscheren. Insbesondere für das gratlose Präzisionsschmieden wird es möglich, geeignete Halbzeuge mittels dieses Verfahrens herzustellen.

Höhere Schnittflächenqualität beim Scheren angestrebt

In einem Forschungsprojekt werden am IPH die Einflüsse und Möglichkeiten einer Überlagerung von Schwingungen am Schermesser auf das Scherergebnis untersucht (Bild 2). Ziel ist eine kontrollierte Steigerung der Schnittflächenqualität durch Schwingungsanregungen im niedrigen Hörschallbereich sowie die Analyse der Ursachen der festgestellten Scherflächenverbesserung.

Um dieses Ziel zu realisieren, werden verschiedene Möglichkeiten der Schwingungsanregung untersucht. Schwingungen können piezoaktorisch, hydraulisch oder mechanisch aufgebracht werden.

Voruntersuchungen, die mit Hilfe einer hydraulischen Schwingungsanregung des Schermessers durchgeführt wurden, zeigten, dass eine qualitative Verbesserung des Scherergebnisses erreicht werden kann. Diese Verbesserungen sind Voraussetzung für weitere Optimierungen von Präzisionsschmiedeverfahren.

Einstellung des Schneidspaltes maßgeblich für die Qualität beim Scheren

Die Einstellung des Schneidspaltes spielt hinsichtlich der Scherflächengüte beim Scheren von Stangenmaterial eine maßgebliche Rolle. Der Schneidspalt ist der horizontale Abstand der sich aneinander vorbeibewegenden Schermesser. Die Größe des einzustellenden Schneidspalts ist dabei im Wesentlichen abhängig von der Maschinensteifigkeit, dem Durchmesser des Stabstahls, den tribologischen Eigenschaften im Scherprozess und den Eigenschaften des zu scherenden Materials.

Der Schneidspalt beeinflusst wesentlich die Ebenheit sowie den Standwinkel der Schnittfläche. Eine Aufweitung des Schneidspaltes während des Scherprozesses führt zu einer Verschlechterung der Ebenheit und des Standwinkels. Der Einfluss der Maschinensteifigkeit auf die Schneidspaltaufweitung ist bisher weitgehend unerforscht.

In einem gemeinsam mit dem Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz-Universität Hannover durchgeführten Forschungsprojekt wird am IPH auf Grundlage experimenteller Vermessung und numerischer Analysen der Schneidspaltaufweitung der Wert des Schneidspalts ermittelt, bei dem ein ebener Schnitt erreicht werden kann. Dabei soll ein Verfahren zur Vermessung der Genauigkeitskenngrößen von hydraulischen Knüppelscheren entwickelt werden. Des Weiteren soll in einem ersten Schritt ein verifiziertes, maschinenspezifisches Modell zur Verfügung gestellt werden.

Für weitere hydraulische Knüppelscheren wird ein allgemeingültiges Maschinenmodell entwickelt und mittels praktischer Scherversuche verifiziert. Dabei werden die Forschungseinrichtungen von zwei namhaften Herstellern von Knüppelscheren unterstützt.

Durch die Ableitung der verallgemeinerten Methodik kann die Schneidspaltaufweitung der Maschine bei hydraulischen Knüppelscherprozessen künftig berechnet und damit die Einstellung des Schneidspalts vereinfacht sowie die Auslegung neuer Knüppelscheren verbessert werden.

Dipl.-Ing. Michael Lücke ist Projektingenieur am IPH Hannover (Institut für integrierte Produktion), Bereich Prozesstechnik, Dipl.-Oec. Rouven Nickel ist Geschäftsführer und Dipl.-Ing. Malte Stonis ist Abteilungsleiter Prozesstechnik am IPH.

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