Querkeilwalzen im halbwarmen Temperaturbereich als zukunftsweisendes Verfahren der Umformtechnik

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Das halbwarme Querkeilwalzen

Das geometrische Spektrum halbwarm geschmiedeter Bauteile ist durch die Massenverteilung limitiert. Je stärker die Masse entlang der Längsachse variiert, desto mehr Schmiedeoperationen sind erforderlich. Zusätzliche Schmiedeoperationen haben jedoch einen negativen Einfluss auf die erreichbaren Toleranzen. Dies wird durch das Abkühlen der Bauteile in jeder Umformstufe verursacht [Beh08].

Um geometrische Limitierungen zu erweitern, wird im Projekt DeVaPro – Development of a Variable Warm Forgin Process Chain der Europäischen Kommission [Beh09] ein adaptiver Vorformprozess entwickelt. Gelingt die Vorformung der Halbzeuge durch einen Walzprozess im halbwarmen Temperaturbereich in Verbindung mit einer definierten Erwärmung und optimaler Kühl-Schmierung, kann eine vollständige Prozesskette zur halbwarmen Herstellung von Langteilen in Betrieb genommen werden. Eine Vorformung durch halbwarmes Walzen wurde bisher weder industriell noch in der Forschung realisiert. Ein Grund hierfür sind die höheren Umformkräfte in Folge der niedrigeren Temperatur im Vergleich zum warmen Temperaturbereich. Die Übertragung der Idee der Halbwarmumformung auf das QKW ist eine entscheidende Herausforderung zur Erweiterung des geometrischen Spektrums halbwarm geschmiedeter Bauteile.

Industrielle Walzprozesse liegen im warmen Temperaturbereich bei etwa 1.250°C. Ein Teilziel des Projektes ist die Auslegung eines QKW-Prozesses im halbwarmen Temperaturbereich, bei ca. 900 °C. Halbwarm umgeformte Werkstücke weisen im Vergleich zu warm umgeformten eine bessere Oberflächenrauheit von maximal 20 µm, eine geringere Randentkohlung bis zu einer Tiefe von ca. 50 µm und bessere Maßgenauigkeiten von IT 10 bis IT11 auf [Beh08].

Versuchstand für Parameteruntersuchungen

Für experimentelle Untersuchungen im Rahmen der Auslegung eines halbwarmen QKW-Prozess wurde am IPH ein Versuchstand entwickelt. Ziel der Untersuchungen ist die praktische Ermittlung des Einflusses unterschiedlicher Temperaturen und Walzkeilgeometrien auf verschiedene Werkstoffe und Rohteildurchmesser beim QKW. Dieser Teststand wird in eine hydraulische Presse des Herstellers Neff integriert. Die Keilsegmente sind in Flachbackenbauform konstruiert und werden linear durch die Kraft von Hydraulikzylindern bewegt. Diese Bauform ist durch den flachen und somit konstruktiv und fertigungstechnisch simpleren Aufbau im Gegensatz zu einer gekrümmten Walze gekennzeichnet, weist aber die gleichen Auslegungsparameter auf. Der untere Teil des Werkzeugsystems für den QKW-Versuchstand ist in Abbildung 2 dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert:

Im Werkzeugschlitten können verschiedene Keilsegmente montiert werden. Dies erlaubt die Untersuchung unterschiedlicher Walzkeilgeometrien. Um den Wärmeübergang bei dem halbwarmen Walzprozess vom Bauteil in das Werkzeug zu reduzieren, wurden in den Werkzeugschlitten Heizpatronen integriert, die durch die Erwärmung des Werkzeugschlittens das Keilsegment mit aufwärmen. Die Werkzeugschlitten werden mit zwei Hydraulikzylindern angetrieben und mit einem Schwenklagerbock zur Befestigung des Zylinders ausgestattet. Somit befinden sich die Kraftlinien des Antriebes und der wirkenden Axialkraft beim Walzvorgang in einer Ebene. Dadurch werden Querkräfte und -momente um die vertikale Achse vermieden. Ein Gelenkkopf, durch dessen Spiel Versatz und Kippungen ausgeglichen werden können, wird über einen Bolzen mit dem Schwenklagerbock verbunden.

Zur Aufzeichnung der Kräfte, die nötig sind um das Werkzeug zu bewegen, ist zwischen den Kolbenstangen der Hydraulikzylinder und den Gelenkköpfen jeweils ein Kraftaufnehmer montiert. Dieser sendet die Messdaten an einen Messrechner, der den Kraftverlauf der Hydraulikzylinder über den Weg des Werkzeugschlittens in einem Diagramm darstellt. Somit können die Walzversuche messtechnisch begleitet werden.

Das QKW-werkzeug wird mittels Flachführung geführt. Diese zeichnet sich durch ihre hohe Kraftaufnahme und Belastbarkeit aus, da ein großflächiger Auflage- und Stützbereich gegeben ist. Die hohe Reibung und der auftretende Verschleiß der Flachführungen können durch eine Schmierung, die die Kontaktflächen voneinander trennt, minimiert werden. Tangentiale Kräfte können von seitlichen Führungsflächen aufgenommen werden. Die radial wirkenden Kräfte werden während der Umformung von der Hydraulikpresse aufgenommen. Somit können alle Kräfte während des QKW-Prozesses sicher geführt und aufgenommen werden.

Neben dem unteren Teil des Werkzeugsystems besteht ein oberer Teil, das dem unteren gleicht und am oberen Stößel der Hydraulikpresse befestigt wird. Ober- und Unterwerkzeug bilden das Werkzeugssystem des QKW-Versuchstandes. Die Höhe des Walzspaltes wird mit Hilfe des oberen beweglichen Pressenstößels eingestellt und während der Umformung konstant gehalten. Die Presse kann durch eine Veränderung der Stößelhöhe den Spalt zwischen den Walzplatten variieren. Dies erlaubt die Untersuchung verschiedener Bauteildurchmesser.

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