Automatisches Schmieden mit Gesenkschmiede- hämmern

Automatisches
Schmieden mit
Gesenkschmiedehämmern
Dr.-Ing. Stefan Erxleben und
Dipl.-Ing. Lothar Bauersachs, Coburg
Der hydraulische Oberdruck-Gesenkschmiedehammer
hat seit Beginn der 80er
Jahre eine beispiellose Renaissance erlebt.
Brachte man zu dieser Zeit den „Hammer“ in
manchen Schmiedebetrieben schon ansatzweise
mit nostalgischem Gedankengut in
Verbindung, so führte der Einsatz moderner
Hydraulik, Steuerungs- und Messtechnik zu
einer sprunghaften Erweiterung der Möglichkeiten
des Gesenkschmiedehammers und damit
vielerorts zum Umdenken.
Gerade die von Lasco
betriebene konsequente
Weiterentwicklung des
hydraulischen Gesenkschmiedehammers
als
universelle Schmiedemaschine
hat weltweit die
Wirtschaftlichkeit der
Schmiedefirmen verbessert.
Durch seine Arbeitscharakteristik
nimmt
der Gesenkschmiedehammer
eine besondere Stellung
innerhalb der Gesenkschmiedemaschinen
ein. Er zeichnet sich durch
hohe Umformgeschwindigkeiten
und kurze Gesenkberührzeiten
aus. Als
nicht weggebundenes
Umformaggregat ist er in
der Lage, hohe Umformarbeit
sequenziell, d. h.
über mehrere kurze
Schläge in die gleiche Gravur abzugeben und
dabei große Umformkräfte und Energie zu
erzeugen. Für ein großes Spektrum von
Teilen und Umformaufgaben ist er auch
wegen seiner vergleichsweise geringen Investitionskosten
das ideale Umformaggregat.
SCHMIEDE-JOURNAL SEPTEMBER 2003
FACHBEITRÄGE
Der Gesenkschmiedehammer hat sich dabei
von der zunächst eingeschränkt präzisen
und nur in Abhängigkeit von der Erfahrung
des Bedieners korrekt steuerbaren Maschine
zum modernen Umformaggregat entwickelt,
das alle Anforderungen erfüllt, die bezüglich
Prozessfähigkeit und Wirtschaftlichkeit gestellt
werden. Verglichen mit Schmiede-
Layout einer automatischen Hammerschmiedeanlage
pressen war die bisher nur teilweise mögliche
Automatisierbarkeit in manchen Fällen
ein Hemmnis bei der Entscheidung für eine
Hammerlinie. Diese Einschränkung gilt nach
dem jetzt erreichten Entwicklungsstand
nicht mehr.
18
Einer der wesentlichen Faktoren für die
Wirtschaftlichkeit des Betreibens von
Schmiedemaschinen sind die Arbeitskosten.
Zum anderen geht es darum, die hohe Belastung
der Mitarbeiter an ihren Arbeitsplätzen
zu reduzieren. Lasco hat sich schon
vor Jahren die Aufgabe gestellt, der
Schmiedeindustrie vollautomatische
Hammer-Schmiedeanlagen zur Verfügung zu
stellen. Vor dem Erfahrungshintergrund von
nun sechs in Betrieb bzw. in der Phase der
Inbetriebnahme befindlichen Linien wird
über den Stand der Entwicklung berichtet.
Ziele der Automatisierung
Automatisierungen werden an Produktionsanlagen
im Allgemeinen vorgesehen,
um sowohl die Belastungen für die Mitarbeiter
als auch die Produktionskosten zu
senken. Weitere Ziele sind die Reduzierung
der Taktzeit, Erhöhung der Ausbringung und
die Verbesserung von Prozesskonstanz und
Prozesssicherheit.
Das heutige manuelle Schmieden
an Gesenkschmiedehämmern
ist dadurch geprägt, dass die Qualität
in hohem Maß von der Erfahrung
des Werkers und der
Konstanz seines Arbeitsprozesses
abhängt. Er beeinflusst
direkt oder indirekt die
Temperaturkonstanz, die Einlegegenauigkeit,
die Gesenkberührzeiten
und je nach Betriebsweise
auch die eingebrachte
Energie in das
Schmiedeteil. Durch die natürliche
Ermüdung und durch
Ruhepausen begrenzt er die
mögliche Produktionsleistung
des Umformaggregats.
Die Minimierung dieser Einflüsse
und die Erhöhung der
Qualität bei gleichzeitiger
Verbesserung der Ausbringung
ist ein weiteres Ziel der
Automatisierung am Gesenkschmiedehammer.
Bei der Entwicklung geeigneter
Automatisierungssysteme für die
gestellte Aufgabe „Schmieden am Hammer“
hat sich sehr schnell herausgestellt, dass nur
eine Konzeption Erfolg haben kann, die die
Arbeitsweise des Schmiedes nahezu in allen
Details nachvollzieht:

• Aufnahme des Rohlings mit einer Zange,
• Positionieren in einer Gravur,
• Gezieltes Nachgeben mit der Zange beim
Schlag,
• Lüften zwischen den Schlägen,
• Umsetzen in die Folgegravuren und
ablegen.
Ziel der Entwicklung war weiterhin das
Automatisierungssystem so zu konzipieren,
dass im Wesentlichen auf Standardkomponenten
zurückgegriffen wird. Dabei galt es,
diese Komponenten für den rauen Schmiedebetrieb
zu adaptieren und zu ertüchtigen,
wozu eine Reihe von konstruktiven Anpassungsentwicklungen
von Bauteilen und
deren Austausch sowie Konzeptionsänderungen
notwendig waren.
Nach intensiven und langjährigen Forschungs-
und Entwicklungsarbeiten ist es
nun gelungen, ein solches Automatisierungssystem
für den Gesenkschmiedehammer zur
Marktreife zu entwickeln. Die Entwicklung
erfolgte in enger und partnerschaftlicher Zusammenarbeit
mit der Brockhaus Soehne
GmbH, Plettenberg bei der bereits die dritte
automatisierte Hammerlinie in diesen
Wochen an die Produktion übergeben wird.
FACHBEITRÄGE
Automatische Hammerschmiedeanlage mit
zwei Schmiederobotern
Aufbau der Schmiedezelle
Die Möglichkeiten zum Aufbau einer vollautomatischen
Gesenkhammerschmiedezelle
sind so vielfältig wie die auf Hammerlinien
zu produzierenden Teile.
Das Bild auf Seite 18 zeigt den
prinzipiellen Aufbau einer Linie mit hydraulischem
Oberdruckhammer und Presse zum
Warmabgraten und Lochen. Das Automatisierungssystem
am Gesenkschmiedehammer
besteht im Wesentlichen aus zwei Schmiederobotern,
zwei weitere Roboter bewerkstelligen
die Automatisierung an der Abgratpresse.
Kern der Schmiedezelle ist der speziell für
Automatisierungszwecke konzipierte Gesenkschmiedehammer.
Für die Handlingsaufgabe
am Schmiedehammer werden entsprechend
der besonderen und schwierigen
Aufgaben speziell adaptierte 6-Achs-Roboter
mit speziell für die Hammerfertigung
entwickelten Schmiedegreifern eingesetzt.
Der erwärmte Rohling wird dem Gesenkschmiedehammer
zunächst an eine Übergabestelle
neben dem Gesenk zugeführt. Von
dieser Stelle greifen zwei Schmiederoboter,
einer vor, der andere hinter dem Hammer angeordnet,
das Teil an je einem Ende und

führen durch synchrones Durchtakten in den
einzelnen Gravuren die Schmiedung durch.
Nach der Ablage des Teils in eine Position,
wiederum neben dem Gesenk, wird es von
einer Schwenkeinheit übernommen und
einem weiteren Roboter übergeben, der es in
die erste Station der Loch- und Abgratpresse
einlegt.
Je nach spezifischem Einsatzfall und geforderter
Ausbringung kommen ein bis drei
Schmiederoboter am Hammer zum Einsatz.
Während bis zu einem bestimmten Rohlingsgewicht
und bestimmter Rohlingslänge ein
Schmiederoboter ausreichend sein kann, um
in jeder Gravur sicher zu positionieren, zu
lüften und weiterzutakten, erfordern größere
Rohlinge und hintereinander angeordnete
Mehrfachgravuren den Einsatz von zwei Robotern,
wie im obigen Beispiel beschrieben
(Bild Seite 19). Durch diese Anordnung wird
sichergestellt, dass das
Teil nach jedem
Schlag sicher und ohne
Verkanten umgeformt
und transportiert wird.
Bei besonders hohen
Produktionsleistungen,
wie sie beim Schmieden
von Pleuelstangen
im Doppelgesenk bei
der Brockhaus Soehne
GmbH erreicht werden,
kommen drei
Schmiederoboter mit
teilweise überlappender
bzw. übergreifender
Arbeitsweise zum
Einsatz.
Auf den drei in
Plettenberg
installierten Linien
werden Pleuel als
Doppelstück mit
höchster Genauigkeit
in Taktzeiten unter 4,5
Sekunden produziert.
Dem hydraulischen
Oberdruckhammer
HO-U 630 ist zur Materialvorverteilung eine
Querkeilwalze vorgeschaltet. Der gesamte
Prozess, von der Materialaufgabe zur Induktionserwärmung
bis zur Ablage des abgegrateten
und gelochten Einzelpleuels auf
dem Abkühlband, erfolgt vollautomatisch.
Mit der Jung, Boucke GmbH & Co.,
Halver konnte ein weiterer wichtiger Partner
gewonnen werden, der die Entscheidung getroffen
hat, mit der Installation einer ersten
Linie die neue Technologie zu nutzen und
einen Beitrag zur Weiterentwicklung dieser
bahnbrechenden Entwicklung für die
Schmiedeindustrie zu leisten. Auch diese
Anlage hat bereits vor einigen Wochen erfolgreich
die Produktion von Teilen für die
Kfz-Industrie im Mehrfachgesenk aufgenommen.
SCHMIEDE-JOURNAL SEPTEMBER 2003
FACHBEITRÄGE
Hydraulischer Oberdruckgesenkschmiedehammer
Grundvoraussetzung für die Automatisierbarkeit
einer Schmiedelinie ist ein prozessfähiges
Umformaggregat. Durch den
Einsatz neuester und speziell entwickelter
Hydraulik, Elektronik und Steuerungstechnik
sind diese Voraussetzungen beim
Lasco-Oberdruckhammer sichergestellt,
moderne hydraulische Gesenkschmiedehämmer
beschleunigen den Hammerbären
hydraulisch auf frei programmierbare
Energiestufen und Schlagfolgen. Dabei hat
die Fallhöhe ihre Bedeutung verloren, der
Bär wird unabhängig von der gewählten
Energiestufe immer von der gleichen Position
aus beschleunigt. Über 50 % der
Energie werden hydraulisch generiert.
Hydraulikantrieb und Steuerung des hydraulischen Oberdruck-Gesenkschmiedehammer
Bilder: Lasco
Der Hydraulikdruck wird durch eine
Pumpe erzeugt (Bild oben). Für die
Konstanz des Systemdrucks von ca. 180 bar
sorgen Hydraulikspeicher. Die Kolbenstangen-Zylindereinheit
des Hammerantriebs
ist als Differenzial-Einheit ausgeführt,
d. h. auf den Bären wirkt ständig
eine Kraftkomponente in Richtung oberen
Totpunkt.
Verantwortlich für die exakte Energiedosierung
ist das Schlagventil. Es öffnet bei
Schlagauslösung, bleibt bei einem Schlag
mit Nennenergie für ca. 180 ms geöffnet
und beschleunigt dabei den Bären durch
den jetzt auf der Kolbenoberfläche
wirkenden Druck auf eine Endgeschwindigkeit
von ca. 5 m/s. Durch den
Einsatz von speziellen Pilotventilen und
20
leistungsfähigen Steuerungen gelingt es,
die Schlagventilöffnungszeit mit einer Genauigkeit
von ± 1 ms zu steuern.
Seit einigen Jahren besteht die Möglichkeit,
durch eine von Lasco entwickelte, patentierte
und auf den rauen Umformbetrieb
angepasste Sensorik Weg und Geschwindigkeit
des Bären kontinuierlich zu
erfassen. Damit kann die Schließlage des
Gesenks überwacht und ein Vergleich
zwischen Geschwindigkeitsvorgabe und
Ist-Geschwindigkeit vorgenommen werden.
Es lassen sich Regelstrategien aufbauen,
die z. B. Langzeitstöreinflüsse aus Verschleiß
ausgleichen und somit die Genauigkeit
des Oberdruckhammers als prozessfähiges
Maschinensystem weiter optimieren.
Eine Neuerung ist das
auf der Basis des Lasco-
Patents von der Proheris
GmbH, Iserlohn, entwickelte
der Hammersteuerung
überlagerte Prozessregelsystem
proCON.
Es nutzt die Signale der o.
g. Sensorik, geht aber in
den Regelalgorithmen
deutlich weiter, in dem
auch prozessbedingte
Störgrößen z. B. aus der
Werkstückgeometrie, der
Werkstücktemperatur der
Einsatzmasse sowie dem
Gesenkzustand ausgeregelt
werden [1, 2].
Automatisierungssystem
und Steuerungstechnik
Hauptkomponenten der
Automatisierung sind die
Schmiederoboter mit den
Spezial-Schmiedegreifern.
Die patentierten Schmiedegreifer
sind für den
rauen Schmiedebetrieb
ausgelegt und nehmen die
beim Schmieden auftretendenBeschleunigungs-
kräfte in allen Richtungen auf. Voraussetzung
für die Verwendbarkeit von
Standard-Industrierobotern ist, dass eine in
die Zangenkonstruktion integrierte Puffereinrichtung
Kräfte und Erschütterungen
vom Roboter fern hält.
Über ein robustes Sensorsystem werden
Statusmeldungen an die Steuerung gemeldet.
Alle Komponenten und Gelenke
sind gegen den Einfluss von Hitze, Zunder
und Schmierstoffen geschützt. Verschleißteile
sind rasch auswechselbar.
Weitere Adaptionen an den Robotern sowie
der Robotersteuerung sind an der Fundamentierung
der Greiferpneumatik und
den Schnittstellen zur übergeordneten
Schmiedezellensteuerung notwendig.

Die übergeordnete Schmiedezellensteuerung
übernimmt die umfassende Koordination
zwischen den einzelnen Anlagenmodulen.
Binäre Signale und nummerische
Werte werden mittels Profibus und potenzialfreien
Kontakten ausgetauscht.
Grundsätzlich ist die Programmierung der
Schmiederoboter so gelöst, dass der Einrichter
keine vertieften Kenntnisse über Roboterprogrammierung
besitzen muss. Der
Bediener wird in einer Menütechnik durch
die einzelnen Eingabemasken geführt, um
zunächst die Grunddaten der Schmiedeaufgabe
wie Rohteillänge, Anzahl der Gravuren,
Anzahl Schläge pro Gravur, Gravurabstand
etc. einzugeben. Nur der Aufgabeund
Ablagepunkt des Rohlings wird
eingegeben und in der Steuerung abgespeichert.
In einem automatisch ablaufenden Referenzlauf
fährt der „Masterschmiederoboter“
Referenzpunkte am Gesenk an und detektiert
ihre Lage über spezielle Sensoren. Nach Abschluss
dieses Vorgangs liegt die Lage aller
Gravuren fest und die Schmiederoboter
können ihre Arbeit aufnehmen, wobei die
Synchronisation untereinander selbstständig
durch die Steuerung übernommen wird.
FACHBEITRÄGE
Selbstverständlich werden einmal programmierte
Abläufe für ein Werkstück in der
Steuerung abgespeichert und das Programm
kann jederzeit für ein neues Los aufgerufen
werden.
Anders als z. B. eine Hubbalkenautomatisierung
an einer Schmiedepresse eignet sich
diese Automatisierung gerade auch für
kleine bis mittlere Losgrößen. Bei einem
einmal produzierten Teil ist lediglich die
Referenzlage, wie oben beschrieben, zu
ermitteln.
Trotz dieser benutzerfreundlichen Aspekte
ist natürlich die Planung und Inbetriebnahme
einer solchen Linie für den Schmiedebetrieb
und den Lieferanten eine umfassende und
anspruchsvolle Aufgabe. Lasco bietet seinen
Kunden weitgehende Hilfestellung in Form
eines Gesamt-Engineering an. Dazu gehört
die Gesamtplanung, das Anlagenlayout, Anpassungen
an der Peripherie, Fragen der
Gesenkgestaltung und Gesenkpflege bis hin
zur Schmiedesimulation.
Ausblick
Mit der Einführung des automatischen
Schmiedens an und mit Lasco-Gesenkschmiedehämmern
ist die letzte Lücke zu
den konkurrierenden Schmiedepressen geschlossen
worden. Das entwickelte Automatisierungsverfahren
zeichnet sich dadurch
aus, dass es flexibel konzipiert ist und die
umformtechnischen Vorteile des Gesenkschmiedehammers
für vielfältige Produktionsaufgaben
bei kleinen und mittleren
Losgrößen unterstützt.
Konzentrierte man sich anfangs auf Anwendungen,
bei denen ein überschaubares
Spektrum an Teilen mit Standardoperationen
wie Plätten, Vor- und Fertigschmieden produziert
wird, so wird in diesen Wochen die
Inbetriebnahme für einen nordamerikanischen
Kunden abgeschlossen, der auf zwei
automatischen Gesenkschmiedehammerlinien
nahezu sein gesamtes Produktspektrum
von über 100 Teilen schmiedet.
Literatur:
[1] Herbertz, R.: „Neues Steuerungskonzept
für Hammeranlagen / Entscheidend ist
die Bilanz“ Schmiede-Journal März
2002, Seite 40f.
[2] UPGRADE by Lasco, Ausgabe Nr. 8,
Juni 2002. ■