UMFORMtechnik (Massiv)

 
 
   

Wie die Losgröße den Gesenkverschleiß bestimmt

Experimentell wurde am Institut für Integrierte Produktion Hannover untersucht, wie weit der Verschleiß von Schmiedewerkzeugen von der gewählten Losgröße abhängt. Auf Basis der Ergebnisse können künftig Instandhaltungsabläufe optimiert und Kosten reduziert werden.

Aufgrund der thermischen und mechanischen Belastungen infolge der hohen Rohteiltemperaturen von bis zu 1280 °C, der großen Gesenk-Innendrücke und des ausgeprägten Werkstoffflusses entlang der Gesenkoberflächen ist der Werkzeugverschleiß beim Gesenkschmieden besonders hoch. Ein fortgeschrittener Werkzeugverschleiß führt zu Instandhaltungsaufwänden, Produktionsstillstandzeiten, und im schlimmsten Fall zum Werkzeugbruch und ist daher ein Hauptkostenfaktor beim Gesenkschmieden.

Der Werkzeugverschleiß wird unter anderem beeinflusst durch die Anzahl der thermischen Zyklen (Erwärmung und Abkühlung der Werkzeuge). Die Anzahl dieser Zyklen und damit der Verschleiß kann durch die Anpassung der Losgröße beziehungsweise der Anzahl der Fertigungslose beeinflusst werden. Mit diesem Thema beschäftigt sich das im Januar 2016 am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gestartete Forschungsprojekt „Losgrößenabhängiger Werkzeugverschleiß“ (Löwe). Durch das Forschungsvorhaben soll eine Reduzierung der gesamten Herstellungskosten in der Warmmassivumformung sowie eine Erhöhung der Prozessstabilität erreicht werden. Das Projekt wird mit der Unterstützung der Firmen Dr.-Bergfeld-Schmiedetechnik, KB Schmiedetechnik, GTT und Karl Groll Schmiedetechnik durchgeführt.

Beim Gesenkschmieden wird eine bestimmte Produktionsmenge mit mehreren Losen hergestellt. Dabei werden verschiedene thermische Zyklen durchlaufen. Der elementare thermische Zyklus bezeichnet die Temperaturschwankung im Werkzeug, die aus dem Kontakt des Werkzeuges mit den heißen Rohteilen - T >1000 °C - während der Umformung sowie aus dem anschließenden Abkühlen und Schmieren des Werkzeuges vor einem erneuten Schmiedehub innerhalb von Sekunden entsteht (Temperaturschwankungen je nach Prozess bei ca. ΔT = 400 °C in oberflächennahen Bereichen). Darüber hinaus entstehen losgrößenabhängige thermische Belastungen, da beim Schmieden eines Loses ein weiterer thermischer Zyklus durchlaufen wird. Dieser weitere thermische Zyklus beinhaltet die Erwärmung des Gesenkes auf die Werkzeuggrundtemperatur (Werkzeug wird eingebaut und vorgewärmt), den der Losgröße entsprechenden Schmiedehüben und der abschließenden Abkühlung bei Produkt- oder Schichtwechsel.

Je mehr thermische Zyklen durchlaufen werden, umso größer sind die Belastungen durch thermisch bedingte Dehnung und Schrumpfung des Werkzeuges und damit der resultierende Werkzeugverschleiß. Ein höherer Werkzeugverschieiß bewirkt höhere Instandhaltungsaufwände beziehungsweise -kosten, weshalb vor diesem Hintergrund weniger und dafür größere Lose vorteilhaft erscheinen. Die Forderung der betrieblichen Logistikplanung nach geringen Beständen und damit kleinen Fertigungslosen steht dem entgegen.

In Betrieben basiert die Bestimmung der Losgröße meist ausschließlich auf Logistikkosten wie Flexibilität, Durchlaufzeit oder Lagerhaltung und Auftragswechselkosten (beispielsweise Rüstaufwand) und berücksichtigt damit die Folgen des Werkzeugverschleißes nicht. Diese Betrachtungsweise ist gerade bei Schmieden, deren Prozesse meist mit hohen Werkzeugkosten verbunden sind, nicht sinnvoll. Ziel des Projekts ist daher, die Losgröße unter Berücksichtigung des Werkzeugverschleißes zu optimieren. Auf Basis der Ergebnisse soll es wahlweise möglich sein, durch Anpassung der Losgröße die Prozessstabilität (Wahrscheinlichkeit für Gutteile) zu erhöhen, die Werkzeugverschleißkosten beziehungsweise Instandhaltungskosten zu reduzieren oder die Werkzeugstandzeit zu erhöhen. 

An konvexen Radien in Schmiedewerkzeugen tritt in der Theorie vermehrt Verschleiß auf. Daher wurde für experimentelle Verschleißuntersuchungen eine Geometrie gewählt, deren Werkzeuge einen ausgeprägten konvexen Radius im Bereich des Dorns im Obergesenk aufweist, siehe Bild 2. Während des Schmiedens fließt der Werkstoff stetig über den konvexen Radius des Stempels, weshalb an dieser Stelle ein erhöhter Verschleiß zu erwarten ist.

Um den Einfluss der Anzahl der thermischen Zyklen (hier abgebildet durch die Anzahl der Fertigungslose) auf den Werkzeugverschleiß zu untersuchen, wurden in einem einstufigen Schmiedeprozess mit zwei baugleichen Schmiedewerkzeugsätzen je 1000 Demonstratorbauteile in zwei verschiedenen Losgrößen (L1 = 100, L2 = 500) geschmiedet, siehe Versuchsplan in Tabelle. Die Werkzeuge wurden aus derselben Charge des Werkzeugstahls 1.2343 gefertigt und durch denselben Wärmebehandlungsprozess auf 44 HRC gehärtet. In den Verschleißuntersuchungen wurden somit ausschließlich die Anzahl der thermischen Warm-Kalt-Zyklen variiert.

Die experimentellen Schmiedeversuche wurden bei einer Rohteiltemperatur von rund 1200 °C durchgeführt, wobei die Rohteile induktiv erwärmt und mit einem Manipulator zugeführt wurden. Die zylindrischen Rohteile hatten einen Durchmesser von 30 mm bei einer Höhe von 40 mm. Um das Verschleißverhalten an den Werkzeugen zu forcieren, wurden pro Werkzeugsatz die ersten 80 Teile aus dem Edelstahl 1.4301 geschmiedet. Durch die höhere Fließspannung dieses Werkstoffs steigt der Werkzeugverschleiß. Weitere 920 Teile wurden aus dem Werkstoff 1.0503 (C45) geschmiedet. Nach jedem Fertigungslos wurden die Werkzeuge 45 min bei Raumtemperatur abgekühlt, um den thermischen Zyklus abzubilden. Die Versuche wurden auf einer Eumuco-Exzenterpresse durchgeführt.

Nach der Versuchsdurchführung wurde der Werkzeugverschleiß am konvexen Radius im Bereich des Dornes am Obergesenk mittels optischer Vermessung erfasst. In Bild 2 sind oben die jeweiligen Messaufnahmen der Werkzeuge im Bereich des Dorns zu sehen, während unten die ermittelten Verschleißwerte gezeigt sind. In Bild 2 links wird deutlich, dass der abrasive Verschleiß im Bereich des konvexen Radius des Dorns beim Schmieden von 10 x 100 Teilen -0.73 mm beträgt während der Verschleiß beim Schmieden von 2 x 500 Teilen bei lediglich -0,53 mm liegt (Bild 2 rechts). Als Vergleichsbasis diente die vor den Versuchen durchgeführte 0-Messung des unverschlissenen Werkzeugzustands der baugleichen Gesenke. Durch die jeweiligen Punkte des maximalen Verschleißes wurde zudem eine fiktive Konturlinie über die Flanke des Dorns und die jeweiligen konvexen Radien gezogen, anhand derer wiederrum Verschleißmesswerte für die Gesenke I und II ermittelt wurden. Bild 3 zeigt den Vergleich der so ermittelten Verschleißmesswerte.

Die Ergebnisse in Bild 3 zeigen, dass der Verschleiß entlang der Schnittlinie durch das jeweilige Verschleißmaximum im Falle von Gesenk I (10 x 100 Teile) in jedem Punkt der Konturlinie größer ist als bei Gesenk II (2 x 500 Teile). Dabei steigt der maximale abrasive Verschleiß um ca. 37 % (0,2 mm), wenn bei gleicher Gesamtmenge in zehn Losen à 100 statt in zwei Losen à 500 Teilen geschmiedet wird. Diese Ergebnisse zeigen, dass die über die Losgröße geregelte Variation der thermischen Zyklen einen deutlichen Einfluss auf den Werkzeugverschleiß hat.

Weitere Verschleißuntersuchungen sollen anhand der Werkzeugquerschliffe unter Betrachtung von thermischer Rissbildung durchgeführt werden. Zudem soll der Verschleißzustand der Werkzeuge hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Gutteile zu produzieren, beurteilt werden. Dazu werden die jeweils letzten mit den Werkzeugen geschmiedeten Bauteile auf Basis der allgemeinen Maßtoleranzen für Gesenkschmiedeteile aus Stahl (DIN EN 10243) evaluiert. So sollen etwaige Instandhaltungsaufwände zu den entsprechenden Verschleißzuständen der Werkzeuge zugeordnet werden können. Anschließend wurde eine von der Losgröße abhängige Instandhaltungskosten-Funktion entwickelt auf Basis der Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen. Parallel wird ein Konzept zur verschleißzustandsorientierten Instandhaltung ausgearbeitet, worin Kriterien berücksichtigt werden wie die Prozessstabilität, die Werkzeugstandzeit oder Wiederbeschaffungskosten von Werkzeugen. Hierdurch soll eine ganzheitliche Kostenbetrachtung und Optimierung ermöglicht werden.

Schlussendlich soll das im Projekt entwickelte Vorgehen anhand eines industriellen Bauteils validiert sowie in einem Leitfaden zusammengefasst und verallgemeinert werden. Ferner sollen die Ergebnisse durch die Erstellung eines Softwaredemonstrators visualisiert werden. Durch die Eingabe von elementaren, bekannten Prozessdaten wie Fertigungs-Deckungsbeitrag oder Werkzeug-Anschaffungskosten in einen Softwaredemonstrator soll den Unternehmen eine einfache bauteilspezifische Kostenschätzung bei Änderung der Losgröße ermöglicht werden.

Das IGF-Vorhaben 18780 N der Forschungsvereinigung Gesellschaft für Verkehrsbetriebswirtschaft und Logistik e.V. (GVB) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert.

Johannes Richter, Henrik Prinzhorn, Thoms Blohm, Jan Langner, Malte Stonis und Bernd-Arno Behrens, Institut für Integrierte Produktion Hannover: Der ungekürzte Beitrag der Autoren steht zur Verfügung unter www.umformtechnik.net/whitepaper/.

Institut für Integrierte Produktion
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