matrizen

Werkstücke mit einer profilierten Außenkontur
– wie z. B. außenverzahnte Zahnräder –
erfordern häufig hohe Genauigkeiten, die nur
durch eine spanende Nachbearbeitung erreicht
werden können. Alternativ läßt sich mit Hilfe
des Umformverfahrens Kaltkalibrieren die
Qualität der Werkstücke um ein bis zwei
Genauigkeitsklassen auf IT 8 bis IT 7 steigern.
Unter Kalibrierverfahren versteht man ein
Nachpressen mit geringen Formänderungen,
um die geforderten Toleranzen zu erreichen.
Als problematisch beim Kalibrieren – insbesondere
beim Kaltkalibrieren – müssen jedoch
wie bei allen Kaltmassivumformverfahren die
hohen hydrostatischen Druckspannungen im
Werkstück angesehen werden. Diese wirken
während des Umformprozesses ebenfalls auf
die Innenwände der formgebenden Matrize und
verursachen so deren elastische Aufweitung
(siehe Bild). Der dadurch bedingte Unterschied
der Geometrie einer konventionellen Matrize –
d. h. einer herkömmlichen Matrize ohne
Ausgleich der elastischen Aufweitung – im beund
unbelasteten Zustand führt zu einer
Beeinträchtigung der Maßhaltigkeit des
Fertigteils.
Gegenüberstellung der Werkzeugsysteme
Ein weiterer Nachteil konventioneller Matrizen
liegt darin, daß das Bauteil beim
Zurückfahren des Stempels bedingt durch die
rückfedernde elastische Matrizenaufweitung in
der Matrize verspannt wird. Dies hat zur Folge,
daß hohe Kräfte erforderlich sind, um
Werkstücke aus der Matrize auszuwerfen, die
bei komplexen Teilen bis zu 20 % der maximalen
Umformkraft erreichen können. Die
Rückfederung der Matrize bewirkt zudem hohe
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2001
FACHBEITRÄGE
Aktiver
Dehnungsausgleich
bei Kaltkalibrier- und
Kaltmassivumformmatrizen
Prof. Dr.-Ing. Eckart Doege, Dipl.-Ing. Jens Baumgarten und
Dipl.-Ing. Tobias Neumaier, Hannover
Eines der Kernprobleme bei Kaltfließpreßprozessen und speziell
beim Kaltkalibrieren von Zahnrädern ist das Auftreten
einer elastischen Matrizenaufweitung während der Umformung
des Werkstücks. Daher ist die Entwicklung eines Werkzeugkonzepts
notwendig, welches die elastische
Matrizenaufweitung während der Umformung
aktiv verhindert.
20
Kontaktdrücke zwischen
Matrize und
Werkstück, die
während des Auswerfprozessesüberwunden
werden müssen.
Verbunden mit
diesen hohen Kontaktdrücken
können
die beim Auswerfen
auftretenden hohen
Relativverschiebungen
zu Problemen wie
z. B. einer Oberflächenschädigung
der Werkstücke und
Werkzeuge oder zu
Werkzeugbrüchen
führen.
Prinzip des aktiven
Dehnungsausgleichs
Gegenwärtig wird
am Institut für
Umformtechnik und
Umformmaschinen der Universität Hannover
(IFUM) das Werkzeugkonzept des aktiven
Dehnungsausgleichs entwickelt, das die elastische
Matrizenaufweitung während eines
Umformprozesses aktiv verhindert und die mit
der Matrizenaufweitung verbundenen negativen
Effekte – auf diese wird im folgenden
noch vertiefend eingegangen – minimiert. Die
dem Konzept zu Grunde liegende Idee zielt
darauf ab, den während der Umformung in der
Matrize entstehenden Innendruck durch einen
Elastomerring, der einen Gegendruck erzeugt,
auszugleichen (siehe Bild links). Dazu wird in
die Matrize eine umlaufende Ringnut eingebracht,
die den Ring aus einem quasi inkompressiblen
Elastomerwerkstoff aufnimmt.
Mit Hilfe des aktiven Dehnungsausgleichs
wird während der Umformung parallel zum
Druckspannungszustand im Werkstück durch
das Zusammenpressen des Elastomerrings ein
Gegendruck aufgebaut. Die Höhe des Gegendrucks
kann mit Hilfe geeigneter Anschläge
eingestellt werden (siehe Bild links). An der
Matrizeninnenwand ist der Druck im
Elastomer dem im Werkstück entgegengesetzt
gerichtet. Bei optimaler Auslegung des Werkzeugsystems
sind die beiden Drücke gleich
groß und kompensieren sich vollständig, wodurch
die elastische Matrizenaufweitung verhindert
wird und die Matrize auch während
der Umformung ihre Sollgeometrie beibehält.
Auf diese Weise kann die erreichbare Maßhaltigkeit
der produzierten Fertigteile über das
mit konventionellen Matrizen erreichbare
Niveau gesteigert werden.
Beim Zurückfahren des Stempels werden
die im Elastomer bzw. im Werkstück wirkenden
hydrostatischen Drücke abgebaut und die
Matrize so beidseitig entlastet. Auf diese
Weise werden die bestehenden Kontaktdrücke
und die resultierenden Reibkräfte zwischen
Bauteil und Matrize drastisch herabgesetzt,
was die Auswerferkraft vermindert, die Oberflächenqualität
der Fertigteile steigern und den
Werkzeugverschleiß reduzieren hilft.

Minimierung der elastischen Matrizenaufweitung
Um die grundsätzliche technische Machbarkeit
des vorgeschlagenen Konzepts des aktiven
Dehnungsausgleichs nachzuweisen, wurden
ein Stauch- und ein Napfrückwärts-Fließpreßprozeß
mit Hilfe der Finite-Elemente-
Methode simuliert. Dabei wurden die Matrizen
auf zwei unterschiedliche Weisen, einmal als
konventionelle Matrize und einmal als Matrize
mit aktivem Dehnungsausgleich modelliert,
um einen Vergleich der beiden Systeme zu
ermöglichen. Ein Ziel der Untersuchungen war
die Bestimmung der durch die Aufbringung
eines Gegendrucks durch das Elastomer
erreichbaren Verschiebungen der Matrizeninnenwand.
Im Falle des Napfrückwärts-Fließpreßprozesses
wurde dazu ein Umformzyklus
bis zum Ende der Umformung des Werkstücks
simuliert. Bei diesem Stand der Rechnung –
das Ende der Umformung ist erreicht, das
Werkzeugsystem bleibt geschlossen und die
Matrize ist durch den im Werkstück herrschenden
Druckspannungszustand maximal elastisch
aufgeweitet – wurde der Gegendruck
durch das Elastomer durch die Erhöhung der
Druckkraft auf das Elastomer stetig erhöht.
Die in den Simulationen berechneten Verschiebungen
der Matrizeninnenwand zeigen,
daß sich diese mit steigendem Gegendruck
durch das Elastomer immer weiter ihrer Solllage
annähert und diese bei ca. 10 000 bar
erreicht. Eine Steigerung des Gegendrucks
über 10 000 bar hinaus führt zu einer unerwünschten
Auslenkung der Matrizeninnenwand
in die entgegengesetzte Richtung. Die
erzielten Simulationsergebnisse sind der Nachweis
der technischen Machbarkeit des vorgeschlagenen
Werkzeugkonzepts und legen darüber
hinaus nahe, daß mit Hilfe des aktiven
Dehnungsausgleichs sogar eine gewisse Nachverformung
des Werkstücks zu realisieren ist.
Minimierung der Auswerferkräfte
Ein Vorteil des Konzepts des aktiven Dehnungsausgleichs
sind die deutlich herabgesetzten
Auswerferkräfte im Vergleich zu konventionellen
Matrizen. Das Bild rechts zeigt die in
einer Finite-Elemente-Simulation eines
Stauchprozesses ermittelten Auswerferkräfte
in Abhängigkeit des Auswerferwegs beim
Ausstoßen eines Werkstücks aus einer konventionellen
Matrize und einer Matrize mit aktivem
Dehnungsausgleich. Für das Auswerfen
des Werkstücks ist im Falle der konventionellen
Matrize eine um den Faktor 8 höhere
Kraft aufzuwenden als bei dem Werkzeugkonzept
mit aktivem Dehnungsausgleich. Zurückzuführen
ist dies auf die deutlich höheren
Radialspannungen in der konventionellen Matrize
(siehe Bild rechts oben). Im Falle der
Matrize mit aktivem Dehnungsausgleich sind
die Radialspannungen bedingt durch beidseitige
Entlastung der Matrizenwand beim Zurückfahren
des Stempels deutlich niedriger und erleichtern
so das Auswerfen des Werkstücks.
FACHBEITRÄGE
Die Herabsetzung der Radialspannungen in der
Matrize bewirkt weiterhin eine Minderung der
zwischen Werkstück und Werkzeug wirkenden
Kontaktdrücke, was zur Verbesserung der
Oberflächenqualität der Bauteile beiträgt und
die Gefahr von Matrizenschädigungen reduziert.
Minimierung des Werkzeugverschleißes
Neben dem Vorteil der gesteigerten Genauigkeit
der Fertigteile ermöglicht das vorgestellte
Werkzeugkonzept eine Reduktion des zu erwartenden
Werkzeugverschleißes. In hierzu
durchgeführten Finite-Elemente-Simulationen
wurde der Werkzeugverschleiß für eine konventionelle
Matrize und eine Matrize mit aktivem
Dehnungsausgleich ermittelt. Anhand der
erzielten Ergebnisse konnte festgestellt werden,
daß während des Ausstoßprozesses der
Verschleiß entlang der Gravurwand im Falle
des konventionellen Werkzeugkonzepts um
den Faktor 6 höher ist als für das Werkzeugkonzept
mit aktivem Dehnungsausgleich. Es
wurde zudem ersichtlich, daß der durch den
Verschleiß resultierende Materialabtrag für das
Werkzeug mit aktivem Dehnungsausgleich
homogen verteilt ist, während dieser beim konventionellen
Werkzeugkonzept ungleichmäßig
ist.
Im Zuge von Finite-Elemente-Simulationen
wurde das technologische und wirtschaftliche
Potential des innovativen Werkzeugkonzepts
des aktiven Dehnungsausgleichs nachgewiesen.
Um die zu erwartetenden Vorteile des vorgeschlagenen
Werkzeugkonzepts zu demon-
Radialspannungen und Kräfte bei dem Auswerfvorgang Bilder: IFUM
strieren, wird im IFUM momentan ein Präzisionsschmiedeprozeß
mit nachgeschaltetem
Kaltkalibrierprozeß unter Verwendung eines
Kalibrierwerkzeugs mit aktivem Dehnungsausgleich
realisiert.
Dieses Forschungsprojekt Nr. AiF
12388N wird aus Mitteln des Bundesministeriums
für Wirtschaft und Technologie
über die Arbeitsgemeinschaft
Industrieller Forschungsvereinigungen
“Otto v. Guericke” e. V. (AiF) und die
Forschungsgesellschaft Stahlverformung
e. V. (FSV) im Rahmen der vorwettbewerblichen
Gemeinschaftsforschung gefördert.
Die Langfassung des Abschlußberichts
kann nach Beendigung des
Projekts bei der FSV, Goldene Pforte 1,
58093 Hagen, angefordert werden.
21 SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2001