Radialschmieden versus Zylinderdrückwalzen; Radial Forming versus Flow Forming;

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  • Originalarbeit

    208 Kuss & Buchmayr Springer-Verlag Wien BHM,159.Jg.(2014),Heft 5

    BHM (2014) Vol. 159 (5): 208213DOI 10.1007/s00501-014-0243-3 Springer-Verlag Wien 2014

    Radialschmieden versus Zylinderdrckwalzen

    MarioKuss und BrunoBuchmayr

    Lehrstuhl fr Umformtechnik, Montanuniversitt Leoben, Leoben, sterreich

    these processes with FEM models, carried out with the software SIMUFACT, allows a view into the forming zone. The investigations give an overview about the difference of the material flow during the forming process. These views guide the way to a useful industrial application of Radial Forming and Flow Forming.

    Keywords: Radial forging, Flow forming, Finite element method (FEM), Incremental forming

    1. Prozess des Radialschmiedens

    Nach DIN 8583 Teil 3 stellt das Radialschmieden ein Freifor-men zur Querschnittsverringerung an Stben und Rohren aus Metall dar. Wie in Abb.1 dargestellt, wird der Werk-stoff radial mit zwei oder mehreren Werkzeugsegmenten, welche den zu vermindernden Querschnitt ganz oder teil-weise umschlieen, verdrngt. Dabei wird das Werkstck von einem Manipulator zwischen den Schlgen verdreht. Der groe Vorteil des Radialschmiedens besteht in seinem Einsatzbereich, der bei sehr hohen Druckspannungen und demzufolge hohem Bruchumformgrad liegt [1].

    1.1 Vor- und Nachteile von Radialschmieden

    Das Radialschmiedeverfahren zeigt alle Vorzge des Mas-sivumformens wie kurze Bearbeitungszeit, hohe Festig-keit bei gnstigem Faserverlauf, glatte Oberflchen, enge Toleranzen sowie in vielen Fllen eine beachtliche Werk-stoffersparnis [2]. Es bietet keine Temperatur- und Material-einschrnkungen, und durch den hohen hydrostatischen Spannungszustand knnen schwer umformbare Werk-stoffe bearbeitet werden. Die inkrementelle Umformung ermglicht im Bauteil eine verbesserte Homogenitt, und meist sind keine nachtrglichen Oberflchenbehandlun-gen ntig. Mit der Hilfe von Innenwerkzeugen besteht die

    Zusammenfassung: Radialschmieden und Zylinderdrck-walzen als inkrementelle Umformverfahren erfahren in Zeiten von steigender Materialeffizienz einen neuen Auf-schwung. Beide Verfahren zeichnen sich durch ihre breite Einsatzmglichkeit, Flexibilitt und die erreichbare Form-genauigkeit aus. Bei der Auswahl geeigneter Umformver-fahren stellt sich die Frage, welche Effekte diese beiden Verfahren unterscheiden. Ziel dieses Beitrages ist, die Un-terschiede durch eine Betrachtung des Spannungszustan-des whrend der Umformung herauszuarbeiten. Dabei wird mit der Finiten Elemente (FE) Software SIMUFACT ein Blick in das Bauteilinnere ermglicht. Die Untersu-chung ergibt einen deutlichen Unterschied des Werkstoff-flusses sowie die Abhngigkeit der Werkstckdicke. Das generierte Wissen ermglicht knftig einen gezielten Ein-satz der beiden Umformverfahren.

    Schsselwrter: Radialschmieden, Zylinderabstreckwal-zen, Finite Elemente Methode (FEM), Inkrementelle Um-formung

    Radial Forming versus Flow Forming

    Abstract: With the increasing pressure on the industry to save material, engineers are forced to come up with incremental forming processes like Radial Forming and Flow Forming. These processes are characterized by the excellent workpiece properties of the formed zones, the great variety geometries in net shape quality. It seems that the two processes are similar, but a closer exami-nation of the stress state shows differences. This paper deals with the different processes of radial forging and flow forming and their stress states. The simulation of

    M.Kuss() Lehrstuhl fr Umformtechnik, Montanuniversitt Leoben,Franz-Josef-Strae 18, 8700 Leoben, sterreichE-Mail: mario.kuss@unileoben.ac.at

    Eingegangen am 16. Februar 2014; angenommen am 27. Februar 2014; online publiziert am 25. Mrz 2014

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    Originalarbeit

    Mglichkeit einer simultanen Auen- und Innenbearbei-tung [3]. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in den verwendeten Werkzeugen. Durch die relativ einfache Werk-zeugform knnen mit einem Werkzeugsatz unterschiedli-che Endgeometrien hergestellt werden. Als Nachteil des Verfahrens ist eine Beschrnkung auf axialsymmetrische Bauteile zu nennen.

    1.2 Einflussfaktoren auf den Werkstofffluss beim Radialschmieden

    Die Einflussfaktoren beim Radialschmieden sind die Geo-metrie der Werkzeuge, welche den Werkstofffluss beein-flussen, der Drehwinkel des Manipulators zwischen den einzelnen Schlgen und die Zustellung sowohl in axia-ler als auch in radialer Richtung. Diesen Einflussfaktoren bergeordnet stehen die Temperatur und die Werkstoffei- genschaften. Bei der Verwendung von Innenwerkzeugen sind fr das Ausformen die Schmierverhltnisse sowie die Khlung der Werkzeuge von groer Bedeutung [4].

    1.3 Mglichkeiten und Einsatz der Radialschmiedetechnologie

    Das Verfahren des Radialschmiedens bietet ein breites Spektrum von Einsatzgebieten, angefangen von Vor-formen bis hin zur Fertigung eines Bauteiles in Near-Net Shape bzw. Net Shape Qualitt. Zu den schmiedbaren Werkstoffen zhlen neben den Sthlen schwer umform-bare Werkstoffe wie Nickel-Basis Legierungen, Titanalu-minide oder Zirkon-Legierungen. Durch die Mglichkeit, Rohre ber einen Dorn zu schmieden, kann die Auen- und Innenkontur in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Somit knnen meist teurere und zeitaufwendige, nach-trgliche mechanische Bearbeitungen zu Erzeugung einer bestimmten Innengeometrie entfallen. Der Geometrie sind ebenso keine Grenzen gesetzt, so ermglicht das Ver-fahren gezielte Wandstrkeneinstellungen, Abstze und Radien sowie Hinterschnitte. Das Radialschmieden findet bei der Produktion von Turbinenschaufeln bis hin zum Bril-lenbgel seine Anwendung.

    2. Prozess des Zylinderdrckwalzens

    Nach DIN 8583 zhlt das Zylinderdrckwalzen (Flow Forming) aufgrund seines mehrachsigen Druckspan-nungszustandes bei der Umformung zu den Druckum-formverfahren. Die Umformung erfolgt durch die Rotation des Werkstckes (Abb. 2), welches die frei drehbar gela-gerten Walzen mittels Reibschluss ebenfalls in Rotation versetzt. Die Walzen sind auf zwei Achsen gefhrt und werden mittels CNC gesteuert. Aufgrund der Zustellung der Walzen bildet sich im Kontaktbereich zum Werkstck eine Zone des plastischen Flieens. Die Walzen verdrn-gen dabei das Material in radialer, axialer und geringfgig auch in tangentialer Richtung. Durch eine CNC basierte Ansteuerung der Walzen knnen in einem Arbeitsgang Abstze, bergnge, Hinterschnitte und Radien auf dem Auendurchmesser abgebildet werden. Ebenso knnen

    TABELLE 1:

    Prozessdaten der Radialschmiedesimulation

    Parameter Wert Einheit

    Hubanzahl 667

    Hubhhe 3 mm

    Drehschritt 17

    Axialvorschub 0,5 mm/sec

    Umformzeit 40 sec

    Zustellung 2,5 mm

    Verdrngtes Volumen 10,6 cm3

    TABELLE 2:

    Prozessdaten der Zylinderdrckwalzsimulation

    Parameter Wert Einheit

    Umdrehungen 31,5

    Axialvorschub 0,5 mm/sec

    Umformzeit 40 sec

    Zustellung 2,5 mm

    Verdrngtes Volumen 10,6 cm3

    Abb. 2: Schematische Darstellung des Zylinderdrckwalzprozesses

    Abb. 1: Schematische Darstellung des Radialschmiedeprozesses

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    schen Parameter der Werkzeuge und deren gegenseitigen Einfluss zu nennen. Darunter knnen Walzendurchmes-ser und Walzengeometrie, Winkelversatz zur Werkstck-drehachse, Axial- und Radialversatz und Zustellung der einzelnen Werkzeuge verndert werden. Neben den geo-metrischen Einflussfaktoren sind auch die Werkstoffpara-meter und die Temperatur ausschlaggebend [8].

    3. FEM-Simulation von Radialschmieden und Zylinderdrckwalzen

    Bereits in den Einleitungen sind die hnlichkeiten der bei-den Verfahren ersichtlich. Um jedoch einen Blick auf den inneren Werkstofffluss zu erhalten, wird mittels der Fini-

    spezielle Innengeometrien wie beispielsweise eine Verzah-nung ber Dorn hergestellt werden [5].

    2.1 Vor und Nachteile des Zylinderdrckwalzens

    Das Zylinderdrckwalzen findet von der Massivumfor-mung bis hin zur Fertigung von Przisionsteilen Anwen-dung. Im Gegensatz zu Tiefziehen besitzt es durch seine inkrementelle Umformung niedrigere Umformkrfte. Der vorherrschende hohe hydrostatische Spannungszustand ermglicht, neben Aluminiumlegierungen und 20MnCr5 auch Titanlegierungen wie Ti6Al4V oder Nickelbasislegie-rungen umzuformen [6]. Das Zylinderdrckwalzen zeichnet sich durch den flexiblen Einsatz von einfachen Werkzeug-geometrien aus. Es knnen endgeometriefertige Bauteile mit Oberflchenverfestigungen oder auch Innengeome-trien erzeugt werden [7]. Aufgrund der inkrementellen Umformung ergeben sich lngere Bearbeitungszeiten als beim Tiefziehen. Der grte Teil der Kosten fr den Zylinderdrckwalzprozess belaufen sich auf die Maschi-nenkosten, jedoch werden diese teilweise durch geringe Werkzeugkosten und kurze Rstzeiten kompensiert.

    2.2 Einflussfaktoren auf den Werkstofffluss beim Zylinderdrckwalzen

    Das Zylinderdrckwalzen ist durch eine Vielzahl von Ein-flussfaktoren gekennzeichnet. Vorrangig sind die geometri-

    Abb. 3: Modellaufbau der Radialschmiedesimulation

    Abb. 4: Modellaufbau der Zylinderabstreckwalzsimulation

    Abb. 5: Darstellung der Schnittebenen fr die Ergebnisauswertung

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    ten Elemente Methode (FEM) eine Simulation beider Ver-fahren erstellt. Dadurch knnen beide Verfahren bezglich Spannungsverlauf und Werkstofffluss verglichen werden.

    3.1 Simulationsaufbau

    Die fr die Radialschmiedesimulation und die Zylinder-drckwalzsimulation notwendigen Prozessdaten sind in Tab.1 und 2 aufgelistet. Die Materialdaten wurden aus der Datenbank der verwendeten FEM Software SIMUFACT fr das Werkstck 1.4301 und H13