Date post: | 05-Jun-2018 |
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Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Professur Formgebende Fertigungsverfahren
Fertigungstechnik II – Umformtechnik
Fließ- und Strangpressen
Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius
Dr.-Ing. Michael Schomäcker
8. Januar 2016
- 4 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Einordnung des Verfahrens Durchdrückennach DIN 8583
Durchdrücken Durchziehen Eindrücken WalzenSchmieden
Massivumformung
Fließpressen Verjüngen
h
d1
d0
α
F
F d0 d1
d1
d0
α
F
StempelStempel
Ste
mpe
l
Werkstück
Werk-stück
Matrize
Strangpressen
- 5 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Grundlegende Fließpressverfahren
Voll-Vorwärts
Stempel
Matrize
Werkstück
Napf-Rückwärts
Auswerfer+Gegenstempel
Stempel
Werkstück
Matrize
- 6 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
FließpressenEigenschaften und Beispielbauteile
WarmfließpressenKaltfließpressen
- Umformung oberhalb ϑrekristall
- Für schlecht umformbare Werkstoffe(hochfeste Stähle, Sonderqualitäten)
- Geringere Prozesskräfte- Werkzeugschonend- Größere Bauteile als beim Kaltfließpr.- Sehr hohe Umformgrade
- Raumtemperatur- Bauteilgröße beschränkt - Höchste Form- und Maßgenauigkeit,- keine oder wenig spanende Nachbe-
arbeitung- Höchste Oberflächengüte (Rz12- Rz25)- Kaltverfestigung begrenzt Umformgrad- Hohe Umformkräfte
- 7 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Prozessgrößen Fließpressen
h
d1
d0
α
F
Vergleichsumformgrad:
Flächenabnahme (%):
Eingangsquerschnitts-Fläche
Ausgangsquerschnitts-Fläche
Schulteröffnungswinkel
Stempel
Werk-stück
Matrize
=
1
0max ln
A
Aϕ
α2
200 4
dAπ=
211 4
dAπ=
0 1
0A
A A
Aε −=
- 8 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Spannungszustand im Werkstückbeim Voll-Vorwärts-Fließpressen
2 α = Schulteröffnungswinkel
FRW = Reibkraft an der Matrize
FRS = Reibkraft an der Fließpressschulter
kf,0 = Fließspannung imAusgangsquerschnitt A0
kf,1 = Fließspannung imEndquerschnitt A1
( nach K. Lange )
z
σz
σz
σr
σr
σt
σt~~
h
d1
r
z
d0
α
, 0fk
, 1fk
− =z r fkσ σ
FRW
FRS
1A
0A
F
DruckZug
- 9 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Kraft-Weg-Kurve beimVorwärtsfließpressen
Weg h
Kra
ft F
Fmax
Arbeit für das Fließpressen
A
C
EB D
Quasistationärer BereichInstationärer
Bereich
A: Prozessbeginn
A-C: Werkstoff füllt die Matrize
C-D: Übergang von Haft- zu Gleitreibung
D-E: Quasistationäres Fließpressen
D: Prozessende
- 10 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Umformarbeiten und Kräfte beim VorwärtsFließpressen (Siebel)
= + + +ges id RS RW SchF F F F F
max0= ⋅ ⋅id fmF A k ϕ
Gesamte Umformkraft :
0 max
2
sin 2RS fmF A kµ ϕ
α= ⋅ ⋅ ⋅
0 0RW fF d h kπ µ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
0
2tan
3Sch fmF A k α= ⋅ ⋅ ⋅
Ideelle Umformkraft
Kraft zur Überwindung der Schulterreibung
Kraft zur Überwindung der Wandreibung
Kraft zur Überwindung innerer Schiebungsverluste
= + + +ges id RS RW SchW W W W WGesamte Umformarbeit :
- 11 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Anteile der Kraftkomponenten beim Voll-Vorwärts-Fließpressen
0
1000
2000
3000
4000
10 30 50 70 90 110 130 150
Öffnungswinkel 2 α
Ideelle KraftReibkraft (Matrize)Reibkraft (Fließpressschulter)SchiebungskraftGesamtkraft
Kra
ft in
kN
mm 30
mm 50
1
0
==
d
d
1,0
mm 120
==
µh
0
0,25
320 MPa
700 MPa
f
f
k
k ϕ
=
= ⋅
Werkstoff:
- 12 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Ableitung der ideellen Umformarbeit
id r zdW zdA A d zσ σ= ∆ ⋅ + ⋅ ∆ ⋅
.,
0,
/
V A z const
d V dA z A d z
z dA A d z VdA A
∆ = ⋅ ∆ =∆ = ⋅ ∆ + ⋅ ∆ =
∆ ⋅ = − ⋅ ∆ = ∆
( )id r z
dAdW V
Aσ σ= ∆ −
Mit der Volumenkonstanz
wird
Die ideelle Umformarbeit kann auf folgende Weise berechnet werden
r
A0
A1
0
0* 1*
2*3*
123
σr
A
dA
03
0*
3* 2*
1*
1σz σr
∆zd z/2∆
2
- 13 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Ableitung der ideellen Umformarbeit
1
0
1= ∫fm fk k dϕ
ϕ
ϕϕ
z r fkσ σ− =
1
0
/A
id f
A
W V k dA A= − ⋅ ∫
Unter Verwendung von:
und nach Integration zwischen A0 und A1erhält man die ideelle Umformarbeit:
(siehe Grundlagenvorlesung)
Wird mit einem verfestigenden Werkstoff gerechnet, wird anstellte von kf eine
mittlere Fließspannung kfm angenommen:
,0 ,1
2f f
fm
k kk
+≈oder
- 14 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Ableitung der ideellen Umformarbeit
0
1ln = ⋅ ⋅
id fmAW V k A
Daraus ergibt sich für die ideelle Umformarbeit:
0max
1ln =
AAϕ
max= ⋅ ⋅id fmW V k ϕ
max0= ⋅ ⋅id fmF A k ϕ
Für die ideelle Umformkraft folgt:
- 15 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Stationärer Zustand beim Fließpressen
Stationäre Eigenschaften
Rohteil SchaftSchulter
- 17 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Zentrales Aufreißen des Werkstoffs(Chevron Cracks)
(Quelle: Tekkaya & Yavuz)
(Quelle: Avitzur)
Rohteil
Stempel
Zentrale Aufreißer
Bereich der plastischenFormänderung
StarresProdukt
(Quelle: Metaldyne Zell)
Werkstoff: 100Cr62α = 100o
ϕ = 0,25
- 18 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Varianten des Fließpressens(am Beispiel Vollkörper)
Rückwärts-Fließpressen
Quer-Fließpressen
Vorwärts-Fließpressen
- 19 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Varianten des Vorwärts-Fließpressens
Hohl-VorwärtsVoll-Vorwärts Napf-Vorwärts
Stempel
Matrize
Werk-
stück
Dorn
Aus-
werfer
Gegen-
stempel
StempelWerk-
stück
- 20 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Beispiele Vorwärts-Fließpressen
Kammerer, StuttgartKammerer, Stuttgart
Kammerer, Stuttgart
HirschvogelHirschvogelHirschvogel
- 21 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Varianten des Rückwärts-Fließpressens
Voll-Rückwärts Napf-RückwärtsHohl-Rückwärts
Stempel
Matrize
Werk-
stück
Auswerfer
+Gegenstempel
Dorn
Auswerfer
+Gegenstempel
Stempel
Werkstück
Press-
büchse
- 22 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Beispiele Napf-Rückwärts-Fließpressen
(Quelle: Kammerer, Stuttgart)
(Quelle: Ladish Co., Inc.) (Quelle: Alutec)
- 23 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Varianten des Quer-Fließpressens
Hohl-QuerVoll-Quer Napf-Quer
Stempel
Matrize
Werk-
stück
Gegen-
stempel
Dorn
Dorn
Gegen-
stempel
Werkstück
Matrize
(Kammerer, Stuttgart)(Kammerer, Stuttgart) (IfU, Stuttgart)
- 24 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Beispiele Quer-Fließpressen
(IfU, Stuttgart)
(IfU, Stuttgart)
- 25 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Verfahrenskombinationen beimFließpressen
Napf-VorwärtsNapf-Rückwärts
Voll-VorwärtsNapf-Rückwärts
Hohl-VorwärtsNapf-Rückwärts
Voll-VorwärtsVoll-Rückwärts
Napf-Rückwärts/Flanschstauchen
Napf-RückwärtsNapf-Rückwärts
Voll-RückwärtsNapf-Rückwärts
- 27 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Prozessablauf beim Fließpressen
Trennen
Weichglühen
Schmierstoffaufttrag
Phosphatieren (Bondern),
MoS2, Graphit
Reinigen
Fließpressen (mehrstufig)
Wärmebehandlung
Mech. Weiterbearbeitung
Rohteil Phosphatiert
& Seife
Stauchen Napf-Rückwärts
-Fließpressen
Kammerer, Stuttgart
- 28 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Film: Fließpressen
(Quelle: Firma Alutec)
- 29 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Werkzeug zum Voll-Vorwärts-Fließpressen
Grundplatte
Druckplatte
Stempel
Preßbüchse
Schrumpfring
Werkstück
Zwischenplatte
GrundplatteDruckplatte
Auswerfer
Matrize
Stempel
Druckplatte
Grundplatte
Armierungsring
Werkstück
Zwischenplatte
Grundplatte
Druckplatte
Auswerfer
- 30 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Matrize zum Voll-Vorwärts-Fließpressen
Quelle: Universität StuttgartQuelle: Universität Stuttgart
- 31 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Spannungsverteilung in der Fließpressmatrize
pi 0
2.5
0.5
1.0
1.5
2 0.
0
- .50
-1.0
-1.5
-2 0.
-2.5
sr / pi
st / pi
s / pi
_
max minσ σ σ= −
Werkstoffder Matrize
= − ≤t r fkσ σ σ
r tσ σ≈
Werkstoffder Matrize
2≤
f
i
kp
Annahme: Dicker, unendlich langer Zylinder unter Innendruck.
Versagen nach Tresca Fließkriterum:
Aber,
Der maximal zulässige Innendruck :
- 32 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Spannungsverteilung in derFließpressmatrize mit Armierungsring
Der maximal zulässige Innendruck:
Werkstoff Werkstoffder Matrize der Matrize
3 zu
4≤i f fp k k
Spannungen ohne Innendruck
Spannungen mit Innendruck
- 33 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Anwendungsbeispiele Strangpressen
(Quellen: Hesch, Audi, Adtranz, Airbus, SMS-Eumuco GmbH)
- 35 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Direkt
Strangpressverfahren
Indirekt Indirekt
Strang
Stempel Aufnehmer
Pressscheibe mit Matrize
Block
HydrostatischHydrostatisch
Stempel
Strang Block
Aufnehmer
DichtungMatrize
Wirkmedium
Dichtung
Strang Gegenhalter
Matrize Blockaufnehmer
Block
Pressscheibe
Stempel
- 36 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Direktes Strangpressen
Endzustand:
Profil
Endzustand:
Profil
Ausgangs-zustand:
Pressblock
Ausgangs-zustand:
Pressblock
Strangpress-prozess
Strang Gegenhalter
Matrize Blockaufnehmer
Block
Pressscheibe
Stempel
- 37 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Verfahrensablauf:
Arbeitsschritte beim Strangpressen
Laden
Pressen
Strippen
Scheren
3 Strippen2 Pressen
1 Laden
4 Scheren
- 38 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Werkzeugsatz in einer Strangpresse
Prinzip: Werkzeugsatz:
(Quelle: Müller)
Strang Gegenhalter
Matrize Blockaufnehmer(Rezipient)
Block
Pressscheibe
Stempel
Gegenholm
Profilstrang
Schleißring
WerkzeugsatzBolzen
PressscheibePressstempel
Werkzeugaufnahme (Kassette)Rezipient
- 39 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Fertigung von Hohlprofilen durchKammerwerkzeuge
KammerwerkzeugPressen über mitlaufenden Dorn
Tragarm
DornplatteMatrize
Hohlprofil
Rezipient
Al-Block
Dorn
Tote Zonen Fließlinien
Führungsfläche
Einlauf
Stempel mit DornPressblock
vWZ
vWZ
- 40 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Prozessgrößen beim Strangpressen
Matrize Kammerwerkzeug
bS
hS
AS
Komplexität der Profilgeometrie
Werkzeuggestaltung
- Schweißkammerhöhe hs
- Schweißkammerbreite bs
- Schweißkammerquerschnitt As
Pressverhältnis
Vges=ABlock/Aprofil , z.B. V = 40
Werkstoffe
Aluminium, Kupfer, Magnesium, Stahl, etc.
Temperaturen
Aluminium: ϑ = 450...500 °C
Stahl: ϑ = 1200...1300°C
(Quelle: Müller)
Pressgeschwindigkeit
FST=FM+FR , mit
- Stempelkraft FST
- Matrizenkraft FM
- Reibungskraft FR
Prozesskräfte
- 41 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Prozessgrößen beim Strangpressen
Komplexität der Profilgeometrie
Werkzeuggestaltung
- Schweißkammerhöhe hs
- Schweißkammerbreite bs
- Schweißkammerquerschnitt As
Pressverhältnis
Vges=ABlock/Aprofil , z.B. V = 40
Werkstoffe
Aluminium, Kupfer, Magnesium, Stahl, etc.
Temperaturen
Aluminium: ϑ = 450...500 °C
Stahl: ϑ = 1200...1300°C
(Quelle: Müller)
Pressgeschwindigkeit
FST=FM+FR , mit
- Stempelkraft FST
- Matrizenkraft FM
- Reibungskraft FR
Prozesskräfte
- 42 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Kräfte beim Strangpressen
mit:• FSt : Stempelkraft• Fr : Reibungskraft• Fm : Umformkraft (Matrize)
• SSt : Stempelweg• L1 : Anpressweg• L0 : Strangpressweg
• Lb : Blocklänge• Lr : Pressresthöhe
Stempelkraft = Reibungskraft + Umformkraft
FSt
F
L1 L0
Lb
Lr
Fr
Fm
S St
St,min
FSt,max
FSt Fr Fm= +Pressverlauf:
Stauchen:
- 43 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Versagensfälle beim Strangpressen
Schlechte Pressnähte (quer, längs):
– Gegenmaßnahmen (Querpressnaht): • sauberes, schmiermittelfreies
Abscheren des Pressrestes
Querpressnaht
Block 2
Block 1
Block 3
– Ursache (Querpressnaht):
• Verunreinigungen auf der Blockoberfläche
Querrisse:
– Ursache: Schmelzen des Werkstoffs durch zu hohe Temperatur (zu starkes Vorwärmen, zu große Reibung, …)
– Gegenmaßnahmen:
• Kühlung des Werkstoffs
• Reduktion der Reibung tannenbaumartige Querrisse am Strang
Quelle: IWK Aachen
– Gegenmaßnahmen (Längspressnaht): • Einsatz „sauberer“ Blöcke, höhere
Werkstofftemperatur
– Ursache (Längspressnaht):
• Verunreinigungen und zu geringe Werkstofftemperatur
- 44 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Versagensfälle beim Strangpressen
Fehlerfreie Profile
Schlechte Oberfläche (z. B. Pressflöhe)Schlechte Oberfläche (z. B. Pressflöhe)
Ursache: - Abgenutzte Werkzeuggleitfläche,
- Materialanlagerungen am Ende der
Werkzeuggleitflächen, etc.
Gegenmaßnahmen:- Nachbearbeitung der Werkzeuggleitflächen
- Mechanische Bearbeitung der Profile/ Beizen
Ursache: - Abgenutzte Werkzeuggleitfläche,
- Materialanlagerungen am Ende der
Werkzeuggleitflächen, etc.
Gegenmaßnahmen:- Nachbearbeitung der Werkzeuggleitflächen
- Mechanische Bearbeitung der Profile/ Beizen
Quelle: IWK Aachen
Schlechte Querpressnähte (mech. Eigenschaften)Schlechte Querpressnähte (mech. Eigenschaften)
Ursachen: - Verunreinigungen auf der Blockoberfläche
Gegenmaßnahmen:- sauberes, schmiermittelfreies Abscheren des Pressrestes
Ursachen: - Verunreinigungen auf der Blockoberfläche
Gegenmaßnahmen:- sauberes, schmiermittelfreies Abscheren des Pressrestes
Quelle: IWK Aachen
Querpressnaht
Block 2
Block 1
Block 3
- 45 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Sonderverfahren –Runden beim Strangpressen
Stempel
Block Matrize Druckplatte
Führungs-werkzeug
Aufnehmer
StrangAusgangssituationAusgangssituation NeuerungNeuerung
Ausgangssituation
� Querschnittsdeformation
� Hohe Eigenspannungen
� Geringes verbleibendes
Umformvermögen
Runden beim Strangpressen als
� Auslenken des austretenden Stranges
� Umformung im plastischen Werkstoffzustand
� Kürzere Prozesskette
Recken
Strangpressen
Biegen
- 46 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Prinzip Runden beim Strangpressen
vaußen
MatrizeLauffläche
Geschwindigkeitsprofil
ÜberlagerteQuerkraft
Lokale Austritts-geschwindigkeit
Stempel
Block Matrize Druckplatte
Führungs-werkzeug
Aufnehmer
vinnen
Strang
ÜberlagertesMoment
σZug
σDruck
- 48 -FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen
Literatur
Lange, K. Umformtechnik – Band 2: Massivumformung. Springer-Verlag, Berlin,
Spur, G. Handbuch der Fertigungstechnik, Carl Hanser Verlag,
Müller, K. Grundlagen des Strangpressens.Renningen-Malmsheim: expert-Verlag 1995
Schuler GmbH Handbuch der Umformtechnik. Berlin: Springer 1998
König, W.; Klocke, F.: Fertigungsverfahren Band 4, Massivumformung. Düsseldorf: VDI-Verlag 1995
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