Vollvorwärts-Fließpressen

Fließpressen mit Matrizen aus Keramik
Keramische Werkstoffe wurden aufgrund
ihrer hohen Druckfestigkeit, großen Härte und
großen Verschleißfestigkeit ausgewählt. Darüber
hinaus neigt Keramik nicht zum Verschweißen
mit Metallen und die Reibung
zwischen Pressteil und Werkzeugwand ist beim
Kaltfließpressen von Stahl klein. Nicht zuletzt
ist auch ihre Temperaturbeständigkeit und der
kleine Temperaturausdehnungskoeffizient von
Bedeutung. Nachteile sind ihre Sprödigkeit und
die Empfindlichkeit gegenüber Zugspannungen.
Fließpressmatrizen aus Keramik dürfen nur
Druckspannungen unterworfen werden. Zug-,
Biege- und Schubspannungen dürfen im
Keramikwerkzeug nicht auftreten. Eine wichtige
Erkenntnis ist, dass die auf die Matrizenwand
wirkenden Radialspannungen an den
Druckraumgrenzen
– das heißt oberbzw.
unterhalb der
Rohteilhöhe ist die
Radialspannung
plötzlich Null –
durch Biegung große
axiale Zugspannungen
in der Ma-
trizenwand erzeugen. Deshalb ist das Fließpresswerkzeug
nicht nur radial, sondern auch
axial vorzuspannen. Nach heutigen Erkenntnissen
reicht die axiale Vorspannung mittels
Schrauben für ein Serienwerkzeug jedoch meist
nicht aus.
Bei den durchgeführten Untersuchungen hat
sich Siliziumnitrid für Fließpresswerkzeuge am
SCHMIEDE-JOURNAL SEPTEMBER 2005
FACHBEITRÄGE
Einsatz von
Keramikmatrizen für das
Kalt- und Halbwarm-
Vollvorwärts-Fließpressen
Dr.-Ing. Alexander Felde und
Prof. Dr.-Ing. habil. Aribert Schwager, Stuttgart
Die Wirtschaftlichkeit des Fließpressens hängt wesentlich von
der Standzeit der Werkzeuge ab. Die Fließpressteile werden
immer komplexer und oft kommen hochfeste Legierungen zum
Einsatz. Der Einsatz von keramischen Werkstoffen in den Umformwerkzeugen
verspricht wesentliche Vorteile im Vergleich
zu den konventionellen Werkzeugwerkstoffen.
Bild 1: Fließpresswerkzeug mit keramischen
Matrizenteilen
besten bewährt. Bild 1 zeigt den prinzipiellen
Werkzeugaufbau eines 3-fach armierten Werkzeugs
für das Vollvorwärts-Fließpressen mit
einer Fließschulter und einer Buchse aus
Keramik. Radial schließt sich an die Matrize der
Innenring, der Zwischenring und der Außenring
an. Die Keramik-Matrize liegt mit einer Stirnfläche
an der Druckfläche einer Tellerfeder an.
Die Tellerfeder ist mit ihrem Rand zwischen
einer mit dem Außenring verschraubten Aufnahmemutter
fixiert. An der gegenüberliegenden
Seite des Werkzeugs wird die axiale Vorspannung
über ein Druckstück und eine Mutter
eingeleitet. Durch Verspannen des Druckstücks
gegen die Fließschulter und die Buchse und
somit gegen die Tellerfeder wird eine Vorspannkraft
in die Keramikeinsätze eingeleitet,
die axiale Druckspannungen erzeugt.
Das Belastungsprofil der
Matrize wurde durch Simulation
mit dem FEM-Programm
DEFORM bestimmt
und mit einem Matrizenberechnungsprogramm
nach
Schweers die Armierung des
Fließpresswerkzeugs ermittelt. Danach wurde
das so berechnete Werkzeug nochmals mittels
DEFORM optimiert. Für den Einsatz von
Keramikwerkzeugen ist eine besonders sorgfältige
rechnerische Vorausbestimmung der
radialen und axialen Vorspannung der Keramikwerkzeugteile
notwendig. Die Armierung
erfolgt von innen nach außen.
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Besonders wichtig ist, die axiale Vorspannung
der Keramikmatrize sowohl im Ruhezustand
als auch im Betriebszustand über einen
langen Zeitraum der Werkzeuglebensdauer
aufrecht zu erhalten. Die herkömmlichen Lösungen
mittels Schrauben oder einer Spannmutter
reichen dafür nicht mehr aus.
Für die axiale Vorspannung wurden deshalb
drei patentierte, grundsätzliche Lösungen
erarbeitet /1,2/, die sowohl in konventionellen
vertikalen Pressen als auch in automatisierten,
liegenden Quertransportpressen angewendet
werden können. Entscheidend für den Erfolg ist
in axialer Richtung ein Federelement in das
Werkzeug einzubauen, welches unterschiedliche
Dehnungen von Stahl und Keramik infolge
von Temperaturschwankungen und Setzerscheinungen
der Verschraubung ausgleicht.
Die Matrize aus Siliziumnitrid-Vollkeramik
wurde sowohl beim Kaltfließpressen als auch
beim Halbwarm-Vollvorwärtsfließpressen extremen
Belastungen unterworfen ohne Schaden
zu nehmen. Es wurde nachgewiesen, dass das
Kaltfließpressen von Stahl ohne Phosphatschicht
und bei rostfreiem Stahl ohne Oxalatschicht
möglich ist und auf graphit- und MoS 2 -
haltige Schmierstoffe verzichtet werden kann.
Die Reibzahl wurde mit einer neu entwickelten
Methode direkt aus dem Vollvorwärtsfließpress-Vorgang
ermittelt und war in der Siliziumnitridmatrize
extrem klein, was auch an der
sehr guten Oberflächenqualität der Pressteile
sichtbar wurde.
Experimentelle Untersuchung des Wärmetransfers
beim Halbwarm-Vollvorwärts-
Fließpressen im Werkzeug mit keramischen
Einsätzen
Ziel der Untersuchung war es, eine Aussage
über die wärmebedingte Veränderung des Vorspannungszustands
im Werkzeug mit einer
Matrize aus Vollkeramik zu treffen. In das Versuchswerkzeug
(s. Bild 2) wurden 4 Bohrungen
mit einem Durchmesser von 1 mm erodiert. In
diese Bohrungen wurden Thermoelemente
eingebracht. Während der Versuche wurde der
Temperaturverlauf über der Zeit für die
einzelnen Messstellen aufgenommen. Der Ausgangsdurchmesser
der zu verpressenden Rohteile
aus 16MnCr5 betrug 25 mm, die logarithmische
Hauptformänderung g = 0,5. Die
verwendeten Werkstücke waren mit dem
Schmierstoff Berulit 935 (wässrige Graphit-
Dispersion) beschichtet. Zwischen den einzelnen
Pressvorgängen wurde mit einer Sprühpistole
der Schmierstoff Beruforge 393 C
(synthetischer, wasserlöslicher Gesenkschmierstoff)
auf die Matrize aufgetragen (Bild 3).
Die Rohteile wurden zunächst induktiv auf
die Umformtemperatur von u = 750 °C erwärmt
und dann nacheinander verpresst. Bevor
mit dem Pressen begonnen wurde, wurde das
Werkzeug zunächst mit warmen Rohteilen so
lange erwärmt, bis sich an allen vier Messstellen
nahezu stationäre Temperaturverhältnisse
eingestellt hatten (s. Bild 4). Nach

dem Vorwärmen des
Werkzeugs wurden zunächst
mit einer Hubzahl
von etwa 1 Hub/min einige
Teile verpresst. Danach
konnte das Werkzeug abkühlen.
Dieser Vorgang
wurde nochmals wiederholt
und anschließend
mit etwa 2 Hüben/min
weitergepresst, bis sich
wiederum stationäre Temperaturverhältnisseeingestellt
hatten. Schließlich
wurde der Abkühlvorgang
aufgenommen, bis sich die
Temperaturen an den vier
Messstellen nahezu angeglichen
hatten. Durch die wiederholten Pressund
Abkühlvorgänge stellten sich jeweils
unterschiedliche Temperatur- und damit Spannungszustände
im Werkzeug ein. An den
inneren Messstellen wird eine starke Oszillation
der Temperatur registriert. Durch den
relativ großen Zeitabstand zwischen Entnahme
des umgeformten Werkstücks und Einlegen des
nächsten Rohteils sinkt die Temperatur im
Werkzeug nach jedem Pressvorgang deutlich
Bild 3: Werkzeug mit Thermoelementen
Bild 2: Schematischer Versuchsaufbau
FACHBEITRÄGE
ab und steigt erst wieder an, sobald das
nächste Werkstück eingelegt ist. Im inneren
Armierungsring im Bereich des zylindrischen
Teils der Fließpressmatrize (Messstelle M1)
stellte sich eine Temperatur von 75 bis 85 °C
ein.
Mit Hilfe der anschließend durchgeführten
Simulation konnten die Temperaturverläufe
mit einer guten Übereinstimmung mit den
Ergebnissen der experimentellen Temperaturmessung
nachgebildet werden. Mit der berechneten
Temperaturverteilung wurde der
Spannungszustand unter Berücksichtigung der
thermischen Überlagerung simulativ überprüft.
Es wurde festgestellt, dass die Werkzeugerwärmung
einen Vorspannungsverlust
in der Keramikmatrize auslöst. Dieser Vorspannungsverlust
betrug im untersuchten
Werkzeug bei den oben beschriebenen thermischen
Bedingungen bis zu 30 % der nominalen
Vorspannung in einem gleichmäßig
erwärmten Werkzeug (stellt sich z. B. nach ca.
3 min Presspause ein) /3/.
Fazit
Durch umfangreiche
Untersuchungen wurde
nachgewiesen, dass Fließpressmatrizen
aus Vollkeramik
unter bestimmten
Bedingungen höchsten
Ansprüchen beim KaltundHalbwarm-Fließpressen
genügen.
Die im untersuchten
Fließpresswerkzeug eingesetzteWerkstoff-Kombination
der Aktiv- und
Armierungsteile verursacht
durch die gegebenen
unterschiedlichen Wärme
ausdehnungskoeffizienten
und Temperaturzustände einen Vorspannungsverlust
in den keramischen Matrizen, der bei
der Werkzeugauslegung zu berücksichtigen
ist. Die Vorspannung ist um diesen Betrag zu
erhöhen. ■
Literatur
/1/ Schwager, A., Siegert, K.: DE100542-
32A1, Werkzeug unter Verwendung von
Keramik, insbesondere Fließpresswerkzeug,
23.05.2002, Patentinhaber Forschungsgesellschaft
Umformtechnik mbH.
/2/ Schwager, A.; Siegert, K.; Felde, A.:
Werkzeug unter Verwendung einer Matrize,
insbesondere Fließpresswerkzeug,
Offenlegungsschrift DE102004005879.
/3/ Felde, A.; Siegert, K.; Schwager, A.:
Einsatz von Keramikmatrizen für das
Halbwarm-Voll-Vorwärts-Fließpressen.
In: Siegert, K.; Liewald, M. (Hrsg.),
Neuere Entwicklungen in der Massivumformung,
DGM Informationsgesellschaft
mbH, Frankfurt/M. 2005., S. 461-478.
Bild 4: Experimentell ermittelter Temperaturverlauf im Werkzeug beim Vollvorwärts-Fließpressen bei 750 °C (mit Vorwärmen des Werkzeugs)
Bilder: IFU
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