FTII Fließ- und Strangpressen WS2015-2016 - TU Dresden · FT II – Umformtechnik WS2015/16 | Fließ- und Strangpressen-9-Kraft-Weg-Kurve beim Vorwärtsfließpressen Weg h Kraft

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


Grundlegende Fließpressverfahren

Voll-Vorwärts

Stempel

Matrize

Werkstück

Napf-Rückwärts

Auswerfer+Gegenstempel

Stempel

Werkstück

Matrize


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


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 −=


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


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


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 :


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:


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



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



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:


Stationärer Zustand beim Fließpressen

Stationäre Eigenschaften

Rohteil SchaftSchulter


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


Varianten des Fließpressens(am Beispiel Vollkörper)

Rückwärts-Fließpressen

Quer-Fließpressen

Vorwärts-Fließpressen


Varianten des Vorwärts-Fließpressens

Hohl-VorwärtsVoll-Vorwärts Napf-Vorwärts

Stempel

Matrize

Werk-

stück

Dorn

Aus-

werfer

Gegen-

stempel

StempelWerk-

stück


Beispiele Vorwärts-Fließpressen

Kammerer, StuttgartKammerer, Stuttgart

Kammerer, Stuttgart

HirschvogelHirschvogelHirschvogel


Varianten des Rückwärts-Fließpressens

Voll-Rückwärts Napf-RückwärtsHohl-Rückwärts

Stempel

Matrize

Werk-

stück

Auswerfer

+Gegenstempel

Dorn

Auswerfer

+Gegenstempel

Stempel

Werkstück

Press-

büchse


Beispiele Napf-Rückwärts-Fließpressen

(Quelle: Kammerer, Stuttgart)

(Quelle: Ladish Co., Inc.) (Quelle: Alutec)


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)


Beispiele Quer-Fließpressen

(IfU, Stuttgart)

(IfU, Stuttgart)


Verfahrenskombinationen beimFließpressen

Napf-VorwärtsNapf-Rückwärts

Voll-VorwärtsNapf-Rückwärts

Hohl-VorwärtsNapf-Rückwärts

Voll-VorwärtsVoll-Rückwärts

Napf-Rückwärts/Flanschstauchen

Napf-RückwärtsNapf-Rückwärts

Voll-RückwärtsNapf-Rückwärts


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


Film: Fließpressen

(Quelle: Firma Alutec)


Werkzeug zum Voll-Vorwärts-Fließpressen

Grundplatte

Druckplatte

Stempel

Preßbüchse

Schrumpfring

Werkstück

Zwischenplatte

GrundplatteDruckplatte

Auswerfer

Matrize

Stempel

Druckplatte

Grundplatte

Armierungsring

Werkstück

Zwischenplatte

Grundplatte

Druckplatte

Auswerfer


Matrize zum Voll-Vorwärts-Fließpressen

Quelle: Universität StuttgartQuelle: Universität Stuttgart


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 :


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


Anwendungsbeispiele Strangpressen

(Quellen: Hesch, Audi, Adtranz, Airbus, SMS-Eumuco GmbH)


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


Direktes Strangpressen

Endzustand:

Profil

Endzustand:

Profil

Ausgangs-zustand:

Pressblock

Ausgangs-zustand:

Pressblock

Strangpress-prozess

Strang Gegenhalter

Matrize Blockaufnehmer

Block

Pressscheibe

Stempel


Verfahrensablauf:

Arbeitsschritte beim Strangpressen

Laden

Pressen

Strippen

Scheren

3 Strippen2 Pressen

1 Laden

4 Scheren


Werkzeugsatz in einer Strangpresse

Prinzip: Werkzeugsatz:

(Quelle: Müller)

Strang Gegenhalter

Matrize Blockaufnehmer(Rezipient)

Block

Pressscheibe

Stempel

Gegenholm

Profilstrang

Schleißring

WerkzeugsatzBolzen

PressscheibePressstempel

Werkzeugaufnahme (Kassette)Rezipient


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


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


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


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:


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


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


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


Prinzip Runden beim Strangpressen

vaußen

MatrizeLauffläche

Geschwindigkeitsprofil

ÜberlagerteQuerkraft

Lokale Austritts-geschwindigkeit

Stempel

Block Matrize Druckplatte

Führungs-werkzeug

Aufnehmer

vinnen

Strang

ÜberlagertesMoment

σZug

σDruck


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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