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Zuverlässige Schmierung steigert die Produktivität

Halbwarmumformen erfordert spezielle Vorkehrungen
Zuverlässige Schmierung steigert die Produktivität

Beim Halbwarmumformen sind diverse verfahrensspezifische Gegebenheiten zu beachten. So ist beispielsweise eine prozeßsichere Schmierung unbedingt notwendig, da bereits nach wenigen nicht geschmierten Pressenhüben die Preß- und Auswerferkräfte zu stark ansteigen.

Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Ekkehard Körner ist Bereichsleiter Massivumformung bei der Schuler Pressen GmbH & Co. in Göppingen

Hervorgegangen aus dem Kalt- und Warmumformen, ist das Halb-warmumformen durch eine spezielle Systementwicklung in den letzten Jahren zu einer eigenständigen Technologie geworden. Sie konnte sich im Substitutionswettbewerb aufgrund hoher Produktivität und Zuverlässigkeit behaupten.
Für ein bestimmtes Werkstückspektrum im Bereich der Massivumformung gibt es keine wirtschaftlichere Lösung als das Halbwarmumformen. Beispiele sind Pol-, Kegel- oder Getrieberäder sowie Glockenteile. Eine Folge ist, daß bestehende Anlagen zum Teil nochmals baugleich installiert werden.
Zu beachten ist allerdings, daß das Halbwarm- gegenüber dem Kalt- und Warmumformen eine ganze Reihe an besonderen Vorkehrungen voraussetzt. Eine dahingehende Verfahrensbetrachtung erstreckt sich auf den gesamten Prozeß und die komplette Anlage. Sie beginnt bei der Behandlung der Rohteile und beinhaltet wichtige Aspekte hinsichtlich der eingesetzten Pressensysteme, des Teiletransports sowie der zu verwendenden Werkzeuge.
Das häufigste Verfahren zum Herstellen der Rohteile ist das Scheren von Abschnitten im kalten Zustand. Ein Halbwarm-Scheren im Durchlauf zeigte im Versuch an den Stirnflächen mangelhafte Oberflächenqualitäten und reduzierte im Originalprozeß die Effizienz der gesamten Anlage.
Beim Kühlen und Schmieren der Rohteile führten die Entwicklungen der letzten Jahre zu zwei Grundsystemen: Bei kompakten, flachen Teilen ist das System „Fluten” ausreichend, während bei langen das System „Sprühen” zum Einsatz kommt. Letzteres erfordert – im Gegensatz zum Fluten – eine Vorbeschichtung. Sie erfolgt, indem die Rohteile in ei-ne Wasser-Graphit-Suspension getaucht oder damit gespült werden. Die Feststoffpartikel der Suspension bleiben durch Rühren oder Einleiten von Luftblasen in der Schwebe.
Vor dem Beschichten werden die Teile induktiv auf 140 bis 170 °C, das Schmiermittel durch Heizbatterien auf 70 bis 90 °C erwärmt. Der Schmierfilm muß vor der Haupterwärmung trocken sein. Er sollte bei leichtem Umformen 4 mg/cm² und bei schwierigem 6 mg/cm² aufweisen. Bislang sind keine ölfreien Schmiermittelkonzeptionen bekannt, die bei schwierigen Umformoperationen ein Vorbeschichten erübrigen.
Für die Massenproduktion hat sich beim Halbwarmumformen das induktive Erwärmen durchgesetzt. Wesentliche Vorteile sind die schnelle Betriebsbereitschaft und die exakte Steuerbarkeit. Bei typischen Rohteildurchmessern von etwa 25 bis 60 mm liegen die optimalen Frequenzen zwischen 1 und 10 kHz.
Niedrigere Frequenzen erhöhen das Eindringmaß, so daß die Durchwärmung gleichmäßiger verläuft. Eine konstante Erwärmung wird auch durch zwei hintereinandergeschaltete Spulen erreicht. Die erste Spule dient der Aufheizphase, die zweite einer Durchwärmphase. Die Energiedichte ist somit relativ gering und die Induktionsspulen verhältnismäßig lang, verglichen mit dem Erwärmen von Rohteilen für das Warmumformen.
Bezüglich der Anlagen gilt, daß sich mechanische Exzenter- und Kniehebelpressen für das Halbwarmumformen sehr gut eignen. Bei konstanter Hubzahl beeinflußt ein größerer Hub die Druckberührzeit deutlich positiv. Was diesen Faktor angeht, so bieten Exzenterpressen bei gleichem Hub und gleicher Hubzahl Vorteile von rund 30 Prozent gegenüber Kniehebelpressen. Dennoch kommen in der Praxis im allgemeinen Kniehebelpressen zum Einsatz. Der Grund: Die auftretenden Temperatur- und Druckbelastungen der Werkzeuge sind mit Hilfe entsprechender Kühl- und Schmiersysteme leicht zu beherrschen.
Dank spezieller Vorkehrungen beim Kühlen und Schmieren können heute mit jedem Hub viele Teile gepreßt werden. Die erreichbaren Stückzahlen liegen bei etwa 23 bis 50 pro Minute. Der niedrigere Wert gilt für lange Schaft- und Napfteile, der höhere für kompakte, flache Werkstücke.
Eine Voraussetzung ist, daß die eingesetzte Presse die angegebenen Momente über Ständer und Pleuel aufnehmen kann. Beim Pressen mit jedem zweiten Hub besteht ein ständiger Wechsel zwischen hohen rechts- und linksdrehenden Momenten. Beim Fertigen mit jedem Hub liegt ein konstantes, deutlich niedrigeres Moment vor.
Das Halbwarmumformen ist auf eine zuverlässige Schmierung angewiesen, da bereits nach zwei bis drei nicht ausreichend geschmierten Hüben die Preß- und Auswerferkräfte stark ansteigen. Die Absicherung erfolgt zunächst durch Abschalten der Presse, nachdem eine maximal zulässige Preßkraft in einer Stufe erreicht wurde.
Schutzabdeckungen wirken dem Verschleiß entgegen
Wird erst unmittelbar beim Auswerfen eine zu hohe Auswerferkraft registriert, dann fährt die Auswerferdruckstange – ausgelöst durch einen Bruch der Scherplatte – in sich zusammen. Ein Näherungsschalter löst dann einen Nothalt der Presse aus. Vorteilhaft ist der pneumatische Zusatzauswerfer, der als Handhabungshilfe für die Entnahme der abgekühlten Teile aus ihren Matrizen dient.
Unter dem maschinenbaulichen Aspekt stellt eine starke Verschmutzung für die Presse, die Ladestation und den Transfer eine große Herausforderung dar. Bei Sprühsystemen, die mit pigmentierten graphithaltigen Schmierstoffen auf Wasserbasis arbeiten, bilden die erforderlichen organischen oder anorganischen Binder auf den Werkzeugen und im gesamten Werkzeug-Einbauraum extrem harte, sich langsam aufbauende Schichten. In diesem Fall müssen bewegliche Elemente fettgeschmiert sein, und aufwendige Abdeckungen sollen ein Eindringen des Graphitschmierstoffs in Funktionsbaugruppen verhindern.
Unumgänglich sind zudem regelmäßige, gründliche Reinigungen, da die verbleibenden Restschmierstoffe nicht abfließen, sondern verdampfen. Für diese Arbeiten existieren Abwasser-Auffangbehälter bis etwa 5000 l sowie Umschaltventile vom normalen Kühl-Schmier- zum Reinigungskreislauf.
Bei Flutsystemen, die mit pigmentfreien esterhaltigen Emulsionen auf Wasserbasis arbeiten, liegt der Kühl- und Schmiermittelstrom stets flüssig vor. Aufgrund seiner Schmiereigenschaften bestehen an das Auffangsystem, an das Schmieren der bewegten Elemente und an die Abdeckungen keine besonderen Anforderungen.
Den sicheren Transport der Werkstücke von Stufe zu Stufe übernehmen – je nach Teilespektrum – 2D- und 3D-Transfergeräte. Ihr Antrieb erfolgt in der Regel pressenseitig, seltener elektrisch. Da auch der Transfer-Bereich der Verschmutzungsproblematik unterliegt, werden die Hauptbewegungen über Koppel-, nicht über Zahnradgetriebe eingeleitet. Die Bolzenlager müssen von innen automatisch gefettet werden. Die Führung der Greiferschienen erfolgt über Rollen. Die beweglichen Zangenträger sind gut abzudichten und bei Graphitschmierstoffen mit Fettschmierung zu versehen.
Die Massekontakt- oder Näherungsschalter für die Zangenkontrolle sind im Greiferschienenprofil integriert, eine Druckluftbeaufschlagung soll ein Eindringen des Kühl- und Schmiermittels verhindern. Schutzabdeckungen an kritischen Führungselementen, aber auch an vorgeschalteten Elementen, wie zum Beispiel der Zuführrinne für die Rohteile, wirken vorzeitigem Verschleiß entgegen.
Bei den Greiferklemmkräften ist das Eigengewicht und die vertikale Beschleunigung beim Hebehub zu berücksichtigen. Außerdem ist zu beachten, daß die Teile graphitiert sind und reiner Kraftschluß vorliegt. Bei hohen vertikalen Beschleunigungen von etwa 8 m/s² betragen die Greifkräfte pro Zange ungefähr das 10- bis 15fache des Teilgewichts.
Hinsichtlich der Werkzeug-Kühlung und -Schmierung ist anzumerken, daß Sprühsysteme eine bessere lokale Kühlwirkung erzielen, solange das Kühl-wasser am Werkzeug verdampfen kann. Kritische Werkzeugzonen sollten daher besprüht werden.
Moderne Kühl- und Schmiersysteme behandeln die Werkzeug-Stufen individuell. Dies trifft sowohl für die Auslegung der Kühl- und Schmierkanäle, als auch für das individuelle Ansteuern von Luft, Wasser und Schmiermittel zu. Letztere wurden deutlich verbessert: Zum einen stieg die Temperaturbeständigkeit der Vorbeschichtungen von 800 auf 900 ºC. Zum anderen wurde der Temperaturbereich, in dem die Schmiermittel in den Werkzeugen Schichten bilden können, von 150 bis 350 ºC auf jetzt bis zu 450 ºC erhöht.
Vorzüge des Verfahrens
Das Halbwarmumformen ist ein Massivumformverfahren, das zum Beispiel bei Stahlwerkstoffen im Temperaturbereich zwischen 750 und 950 ºC angewandt wird. Es vereinigt für zahlreiche Bauteile und für spezielle Werkstoffe mit höheren Kohlenstoffanteilen die technischen Vorteile des Warm- und
Kaltumformens. Das Warmumformen zeichnet sich durch einen geringeren Kraftaufwand und ein höheres Formänderungsvermögen aus, das Kaltumformen durch höhere Genauigkeit und bessere Oberflächenbeschaffenheit.
Wird das Halbwarmumformen für Fließpreßteile als wirtschaftlichstes Verfahren mit dem Kostenfaktor 100 versehen, so liegen die Vergleichskosten beim Warmumformen bis zu 13 Prozent höher. Beim Kaltumformen sind analog bis zu 47 Prozent höhere Kosten zu veranschlagen.
Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 19
Ausgabe
19.2021
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