Originalarbeit

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

BHM (2014) Vol. 159 (5): 208–213DOI 10.1007/s00501-014-0243-3© Springer-Verlag Wien 2014

Radialschmieden versus Zylinderdrückwalzen

Mario Kuss und Bruno Buchmayr

Lehrstuhl für Umformtechnik, Montanuniversität Leoben, Leoben, Österreich

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 Stäben 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 umschließen, verdrängt. Dabei wird das Werkstück von einem Manipulator zwischen den Schlägen verdreht. Der große 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 Vorzüge des Mas-sivumformens wie kurze Bearbeitungszeit, hohe Festig-keit bei günstigem Faserverlauf, glatte Oberflächen, enge Toleranzen sowie in vielen Fällen eine beachtliche Werk-stoffersparnis [2]. Es bietet keine Temperatur- und Material-einschränkungen, und durch den hohen hydrostatischen Spannungszustand können schwer umformbare Werk-stoffe bearbeitet werden. Die inkrementelle Umformung ermöglicht im Bauteil eine verbesserte Homogenität, und meist sind keine nachträglichen Oberflächenbehandlun-gen nötig. Mit der Hilfe von Innenwerkzeugen besteht die

Zusammenfassung: Radialschmieden und Zylinderdrück-walzen als inkrementelle Umformverfahren erfahren in Zeiten von steigender Materialeffizienz einen neuen Auf-schwung. Beide Verfahren zeichnen sich durch ihre breite Einsatzmöglichkeit, Flexibilität 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 während der Umformung herauszuarbeiten. Dabei wird mit der Finiten Elemente (FE) Software SIMUFACT ein Blick in das Bauteilinnere ermöglicht. Die Untersu-chung ergibt einen deutlichen Unterschied des Werkstoff-flusses sowie die Abhängigkeit der Werkstückdicke. Das generierte Wissen ermöglicht künftig einen gezielten Ein-satz der beiden Umformverfahren.

Schüsselwörter: 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 für Umformtechnik, Montanuniversität Leoben,Franz-Josef-Straße 18, 8700 Leoben, ÖsterreichE-Mail: mario.kuss@unileoben.ac.at

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

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Möglichkeit einer simultanen Außen- und Innenbearbei-tung [3]. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in den verwendeten Werkzeugen. Durch die relativ einfache Werk-zeugform können mit einem Werkzeugsatz unterschiedli-che Endgeometrien hergestellt werden. Als Nachteil des Verfahrens ist eine Beschränkung 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 Schlägen und die Zustellung sowohl in axia-ler als auch in radialer Richtung. Diesen Einflussfaktoren übergeordnet stehen die Temperatur und die Werkstoffei- genschaften. Bei der Verwendung von Innenwerkzeugen sind für das Ausformen die Schmierverhältnisse sowie die Kühlung der Werkzeuge von großer Bedeutung [4].

1.3 Möglichkeiten 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 Qualität. Zu den schmiedbaren Werkstoffen zählen neben den Stählen schwer umform-bare Werkstoffe wie Nickel-Basis Legierungen, Titanalu-minide oder Zirkon-Legierungen. Durch die Möglichkeit, Rohre über einen Dorn zu schmieden, kann die Außen- und Innenkontur in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Somit können meist teurere und zeitaufwendige, nach-trägliche mechanische Bearbeitungen zu Erzeugung einer bestimmten Innengeometrie entfallen. Der Geometrie sind ebenso keine Grenzen gesetzt, so ermöglicht das Ver-fahren gezielte Wandstärkeneinstellungen, Absätze und Radien sowie Hinterschnitte. Das Radialschmieden findet bei der Produktion von Turbinenschaufeln bis hin zum Bril-lenbügel seine Anwendung.

2. Prozess des Zylinderdrückwalzens

Nach DIN 8583 zählt das Zylinderdrückwalzen (Flow Forming) aufgrund seines mehrachsigen Druckspan-nungszustandes bei der Umformung zu den Druckum-formverfahren. Die Umformung erfolgt durch die Rotation des Werkstückes (Abb.  2), welches die frei drehbar gela-gerten Walzen mittels Reibschluss ebenfalls in Rotation versetzt. Die Walzen sind auf zwei Achsen geführt und werden mittels CNC gesteuert. Aufgrund der Zustellung der Walzen bildet sich im Kontaktbereich zum Werkstück eine Zone des plastischen Fließens. Die Walzen verdrän-gen dabei das Material in radialer, axialer und geringfügig auch in tangentialer Richtung. Durch eine CNC basierte Ansteuerung der Walzen können in einem Arbeitsgang Absätze, Übergänge, Hinterschnitte und Radien auf dem Außendurchmesser abgebildet werden. Ebenso können

TABELLE 1:

Prozessdaten der Radialschmiedesimulation

Parameter Wert Einheit

Hubanzahl 667 –

Hubhöhe 3 mm

Drehschritt 17 °

Axialvorschub 0,5 mm/sec

Umformzeit 40 sec

Zustellung 2,5 mm

Verdrängtes Volumen 10,6 cm3

TABELLE 2:

Prozessdaten der Zylinderdrückwalzsimulation

Parameter Wert Einheit

Umdrehungen 31,5 –

Axialvorschub 0,5 mm/sec

Umformzeit 40 sec

Zustellung 2,5 mm

Verdrängtes Volumen 10,6 cm3

Abb. 2: Schematische Darstellung des Zylinderdrückwalzprozesses

Abb. 1: Schematische Darstellung des Radialschmiedeprozesses

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

3. FEM-Simulation von Radialschmieden und Zylinderdrückwalzen

Bereits in den Einleitungen sind die Ähnlichkeiten 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 über Dorn hergestellt werden [5].

2.1 Vor und Nachteile des Zylinderdrückwalzens

Das Zylinderdrückwalzen findet von der Massivumfor-mung bis hin zur Fertigung von Präzisionsteilen Anwen-dung. Im Gegensatz zu Tiefziehen besitzt es durch seine inkrementelle Umformung niedrigere Umformkräfte. Der vorherrschende hohe hydrostatische Spannungszustand ermöglicht, neben Aluminiumlegierungen und 20MnCr5 auch Titanlegierungen wie Ti6Al4V oder Nickelbasislegie-rungen umzuformen [6]. Das Zylinderdrückwalzen zeichnet sich durch den flexiblen Einsatz von einfachen Werkzeug-geometrien aus. Es können endgeometriefertige Bauteile mit Oberflächenverfestigungen oder auch Innengeome-trien erzeugt werden [7]. Aufgrund der inkrementellen Umformung ergeben sich längere Bearbeitungszeiten als beim Tiefziehen. Der größte Teil der Kosten für den Zylinderdrückwalzprozess belaufen sich auf die Maschi-nenkosten, jedoch werden diese teilweise durch geringe Werkzeugkosten und kurze Rüstzeiten kompensiert.

2.2 Einflussfaktoren auf den Werkstofffluss beim Zylinderdrückwalzen

Das Zylinderdrückwalzen 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 für die Ergebnisauswertung

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

3.1 Simulationsaufbau

Die für die Radialschmiedesimulation und die Zylinder-drückwalzsimulation notwendigen Prozessdaten sind in Tab. 1 und 2 aufgelistet. Die Materialdaten wurden aus der Datenbank der verwendeten FEM Software SIMUFACT für das Werkstück 1.4301 und H13 für die Werkzeuge entnom-men. Der gesamte Umformprozess wurde bei Raumtempe-ratur (20 °C) simuliert. Für die 40 s der Umformsimulation wurden 15999 Inkremente verwendet. In Abb.  3 ist der Simulationsaufbau des Radialschmiedeprozess abgebil-det. Alle vier Hämmer sind verschiebungsgesteuert. Zwi-schen den Schlägen führen der Manipulator und der Dorn den Drehschritt durch. Als Kontaktbedingung wurde zwi-schen Manipulator und Werkstück „haften“ und zwischen den restlichen Bauteilen ein Reibwert nach dem Gesetz der maximalen Schubspannung von µ = 0,3 angenommen.

Abbildung  4 zeigt den Aufbau der Zylinderdrückwalz-simulation. Die Umformrolle wurde frei drehbar definiert und die z-Position ist verschiebungsgesteuert. Als Kon-taktbedingung wurde ebenfalls zwischen Werkstück und Manipulator „haften“ und zwischen den restlichen Bautei-len ein Reibwert nach dem Gesetz der maximalen Schub-spannung von µ = 0,3 angenommen. Um den Einfluss der Werkstückdicke zu untersuchen, wurden weitere Simula-tionen durchgeführt. Dabei beträgt der Durchmesser des Werkstückes 90 mm, und die Werkzeuge wurden mit dem Durchmesser proportional vergrößert.

4. Ergebnisdarstellung

Um das Umformverhalten der beiden Verfahren darzustel-len, werden die Ergebnisse als Schnitte (Abb. 5) gezeigt. Dies ermöglicht einen Blick in das Innere der Umformzone

Abb. 6: Darstellung der Vergleichs-spannung von Radialschmieden und Zylinderabstreckwalzen im Axialschnitt

Abb. 8: Darstellung der Tangentialspannungen von Radialschmieden und Zylinderabstreckwalzen

Abb. 7: Darstellung der Vergleichsspannung in einem Radialschnitt

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gen zeigen hohe Druckspannungen in radialer und axia-ler Richtung. In Abb. 8 sind die Tangentialspannungen von Radialschmieden und Zylinderabstreckwalzen dargestellt. Abheben des Werkstückes vom Dorn vor der Umformzone beim Zylinderabstreckwalzen ist eine Reaktion der tangen-tialen Wulstbildung. Die Größe und Form der Tangential-wulst ist gleich wie die Axialwulst von den geometrischen Werkzeugparametern wie Einlaufwinkel, Umformradius und Achsstellung abhängig. In Abb. 9 ist der Umformgrad des dünn- und dickwandigen Bauteils in einem Axialschnitt beim Zylinderabstreckwalzen dargestellt. Zu erkennen ist

und soll die Umformvorgänge erklären. Abbildung 6 zeigt die Vergleichsspannung beim Radialschmieden sowie Zylinderabstreckwalzen. Deutlich zu erkennen ist die ähn-liche Vergleichsspannungsverteilung der beiden Verfah-ren. Die Wulstbildung der Umformzone ist allerdings beim Zylinderabstreckwalzen deutlich höher. Dieser Effekt kann durch gezielte Einstellung der geometrischen Prozessva-riablen stark verringert werden. Abbildung  7 zeigt deut-lich den Ovalisierungseffekt beim Radialschmieden. Dies zeigen die verringerten Vergleichsspannungen auf der Außenseite neben dem Werkzeug. Weitere Untersuchun-

Abb. 9: Darstellung des Um-formgrades von unterschied-lichen Wandstärken beim Zylinderabstreckwalzen

Abb. 10: Darstellung des Umformgrades von unter-schiedlichen Wandstärken beim Radialschmieden

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Verfahren. Zukünftige Untersuchungen werden sich mit dem Einfluss der Geometrieparameter und dessen Aus-wirkungen auf den Materialfluss sowie dessen Simulation beschäftigen.

Literatur

1. Wieser, R.: GFM Radial Schmieden – Technologie und Weiterent-wicklungen, Sommerschule Schmiedetechnik, Teichalm, Steier-mark, 2005, S. 229–243

2. Kienhöfer, C.; Schmid, S.: Auch Hohles lässt sich kneten, Maschi-nenmarkt, 36 (2004), S. 18–21

3. Haug, R.: Rundkneten im Vorschubverfahren, Beiträge zur Umformtechnik, Diss., Universität Stuttgart, DGM Informations-gesellschaft mbH Verlag,1996

4. Runge, M.: Drücken und Drückwalzen, Die Bibliothek der Technik Bd. 72., Verlag moderne Industrie, 1993

5. Ufer, R.: Modellierung und Simulation von Drückwalzprozessen, Diss., Chemnitz, TU, Fakultät für Maschinenbau, 2006

6. Sivanandini, M.; Dhami, S. S.; Pabla, B. S.: Flow Forming Of Tubes – A Review, International Journal of Scientific Engineering Research, 3 (2012), No. 5

7. Birk, K.: Untersuchungen zur Anwendung des Abstreckdrückens bei der Fertigung rotationssymmetrischer Hohlkörper mit Innen-verzahnung, Diss., Karl-Marx-Stadt, Technische Hochschule, 1985

8. Thamasett, E.: Kräfte und Grenzformänderungen beim Abstreck-drücken zylindrischer, rotationssymmetrischer Hohlkörper aus Aluminium, Diss., Stuttgart, Technische Hochschule, Max-Plank-Institut für Metallforschung, 1961

der hohe Umformgrad an der Oberfläche und die geringe Eindringtiefe bei dem dickwandigen Bauteil. Der Dicken-einfluss über den Umformgrad für das Radialschmieden ist in der Abb. 10 dargestellt. Bei geringerem Umformgrad wirkt das Radialschmieden tiefer in das Bauteil ein. Dies führt zu einer geringen Schrägstellung der Stirnfläche des Werkstückes im Gegensatz zum Zylinderabstreckwalzen. In beiden Verfahren verringert sich das Abheben des Werk-stückes vom Dorn vor der Umformzone. Die Wulstbildung wird ebenso bei gleicher Stichabnahme bei beiden Verfah-ren größer.

5. Schlussfolgerung

So ähnlich die beiden Umformverfahren Radialschmie-den und Zylinderabstreckwalzen auch sein mögen, die Untersuchungen zeigen einen deutlichen Unterschied im Materialfluss. Radialschmieden eignet sich somit für eine globale Massenverteilung für Vorformgenerierung mit einer Umformung, welche den gesamten Querschnitt umfasst beziehungsweise welche tief in den Werkstoff eindringt. Durch Zylinderabstreckwalzen können feine Geometrien mit einer großen Oberflächenverfestigung erzeugt werden. Durch die unterschiedliche Eindringtiefe bildet sich ein unterschiedliches Gefüge bei den beiden