Die Schmiedeversuche zur Erprobung und Verifikation der Stadien- und Werkzeugfolge er folgten auf einer hydraulischen Presse der Firma Schirmer & Plate mit einer Presskraft von 12,5 MN. Die Wahl einer hydraulischen Presse ist damit begründet, dass insbesondere das mehr direktional wirkende Werkzeug einer kontrollierten Umformung bedarf und die Kraft bei dieser Art Presse während der Um formung individuell regelbar ist. Für die Schmie de ver suche wurde der für Kur bel wel len üblicherweise verwendete Ver gütungs stahl 42CrMo4 (Werkstoff - nummer: 1.7225) verwendet. Die Zu schnitte wurden spanend mit einer Masse genauigkeit von ± 0,5 % ge fer tigt und vor dem Einsatz zur Kontrolle gewogen. Nach dem Schmieden wurden mithilfe der Koordinaten mess tech nik die Vermessung der geometrischen Größen des Werk stücks durch dis krete Punkte in einem nach gebildeten Ko or - di na ten sys tem durchgeführt und die Punkte mit Methoden der Statistik ausgewertet. Mit telwerte und statistische Kenn werte wurden berechnet und geprüft auf: • Ausreißer nach Grubbs-Test (Signi fi - kanzniveau 95 %); • Normalverteilung durch Faust re geln und Vortest nach David-Hartley-Pearson (Sig nifi - kanz niveau 95 %); • Normalverteilung mittels Chi-Quadrat-Test (Signifi kanz ni veau 95 %). Durch die Analyse der Messreihen wurde festgestellt, dass nur Toleranzen der Klas sen IT 12 bis IT 13 er reicht werden konnten, was auf die stark inhomogenen Tem pe ratur- und Span nungs zu - stände im Schmie de bauteil und somit auf ein inhomogenes Schrump f ungs ver hal ten zu rück - geführt werden kann. Das Tole - ranzband sowie die Messreihen für zwei Kur bel wan gen abstände sind in Bild 1 als Bei spiel in einem Box- Whiskers-Dia gramm dargestellt. Üblicherweise wird die Schrumpfung beim Schmieden mit einem einheitlichen prozentualen Schrumpfmaß 8, das die Schrum pfung des Werk stückes und die Dehnung des Werk zeuges berücksichtigt, korrigiert 9. Für Pkw-Kur bel wellen werden maximal 3 mm Schmie deaufmaß zugelassen 2. Für das Präzisions schmie den ist diese Form der Schrumpfungs kor rek tur zu un genau, da die Funk tionsfläche nicht in dem gleichen Maß wie beim konventionellen Schmie den spanend nachgearbeitet werden 9. N·I E·A σ·I E ΔIK = ––– = ––– (Gl. 2) ΔIges = α · ΔT · I + ––– =(α · ΔT + ––– )· I ΔIges(T)=α(T)·ΔT· I+ –––––– =(α(T)·ΔT+ –––––– )· I Bild 1: Statistische Aus wer tung der Kurbelwangenabstände mit dem Box- Whiskers-Diagramm. Für präzisionsgeschmiedete Bau teile wurde ein Kor rek tur ver fah ren zur Kom pen sa tion der Schwindung am Ins titut für Umform technik und Umform ma schi nen der Leibniz Uni ver si tät Hannover entwickelt. Bei diesem Korrek tur ver - fahren werden die Abweich ungen in Schmie de - ver suchen iterativ ermittelt und dabei in Schrum pfungs charakte ristiken verallgemeinert. Die Schrumpfung wird anhand dieser Schrum p - fungs charakte ristika bei der Werk zeug kon - struktion im CAD-Sys tem durch Ver größerung der Gravur kompensiert. Dabei werden die geometrieabhängige Schrumpfung und die thermische Deh nung berücksichtigt 9. Die Genauig - keit dieser Verfahren ist allerdings nicht ausreichend für das Präzi sions schmieden der Kur bel - welle, da aufgrund stark unterschiedlicher Span - nungs- und Tempe ra tur profile der Bauteile eine ungleichmäßige Schrum pfung resultiert, die durch ein prozentuales oder konstantes Auf maß kompensiert werden kann. Die mithilfe der FEM ermittelte Spannung variiert um bis 300 MPa und die Bauteil tempe ratur um bis zu 500 °C und ist durch das gratlose Form pressen im geschlossenen Ge senk zu begründen. Die ermittelte Spannungs- und Tempera tur ver - teilung nach dem gratlosen Präzisions schmie - den ist in Bild 2 dargestellt. Thermomechanisches Schrumpfungs ver - halten Bei Schmiedebauteilen haben die Tempe ra tur und die sich während der Umformung einstellenden Spannungs - zustände einen starken Ein fluss auf das Schrumpfungsverhalten. Da bei kön nen zwei wesentliche physikalische Effekte (temperatur und spannungsbedingte Längen än de rung) zu Grunde gelegt werden. Diese Effekte werden hier zur Veranschau lichung am Beispiel eines zweidimensionalen Balkens erläutert. Die Längenänderung ΔIT resultiert aus dem Ein fluss von Temperaturänderungen und er gibt sich aus der Anfangslänge I des Bauteils, dem Wärmeausdehnungs koeffizient α und der Tem - pe raturdifferenz ΔT. Fachbeiträge Wird die Längenänderung ΔlK durch eine Kraft N oder Spannung σ (N/A) erzeugt, dann nehmen die Kraft oder Spannung, die Aus - gangs länge l des Bauteils, der Elastizitäts mo dul E und der Spannungsquerschnitt A Ein fluss auf die Längenänderung: Für die gesamte Längenänderung Δlges werden die beiden Formeln (Gl. 1 und Gl. 2) addiert: N E·A (Gl. 3) N·I E·A Aufgrund der Abhängigkeit der Werkstoff - para meter σ und E von der Tempe ratur müssen diese Cha rakteristika in der Gleichung be - rücksichtigt werden: N E(T)·A (Gl. 4) N·I E(T)·A Sensitivitätsanalyse des thermome cha - nischen Schrumpfungs ver haltens Die identifizierten Ein gangs grö ßen der Glei - chungen haben einen unterschiedlich starken Ein fluss auf die Längenänderung. Da her wird zusätzlich zur Überprüfung der Ein flüsse auf die Längen än de rung eine Sen si ti vitäts stu die durchgeführt. In dieser Sen si ti vi täts studie werden die Einflüsse der Tem pe - raturab hän gigkeit der Werk stoff pa - ra meter und die Vari anz von Tem - pe ratur und Span nung des Bau teils untersucht. Für die Sen si tivitäts - analyse werden die Ein gangs - größen Elas tizitäts modul E, Wärme aus deh nungs ko effizient α, Bauteil länge l, Tem pe ra tu r dif - ferenz ΔT und Span nung σ unabhängig betrachtet. Dazu wird zu erst jeder Variablen ein konstanter Wert zugewiesen. Hierfür wurden folgende Werte gewählt: Elastizitäts modul: E = 208330 N/mm2 (bei 20 °C) Wärmeausdehnungskoeffizient: α = 0,00001522 1/K (bei 20 °C) Spannung: σ = 1000 N/mm2 Temperaturdifferenz: ΔT = 1000 K Bauteill änge: I = 100 mm. Die zugewiesenen Werte werden an schlie ßend einzeln um bis zu ± 20 % variiert, wo durch die Varianz der schmiedebedingten Bau teil tem - peraturen und -spannungen sowie der tem pe ra - tur abhängigen Werkstoff para meter ab ge bil det werden. Mit den einzelnen Variationen der Vari - ab len werden über die Gleichung 3 mehrere 24,18 24,07 23,97 23,86 23,76 23,65 23,55 23,44 23,34 23,23 23,86 23,86 IT 13 (+ 0,165) IT 12 (+ 0,105) Nulllinie IT 12 (-0,105) IT 13 (-0,165) Kurbelwangenabstand Soll-Word = 23,24 A_1 A_2 Bild 2: Temperatur- und Spannungs ver t eilung nach dem gratlosen Präzisions schmie den. ΔlT = α • ΔT • I (Gl. 1) Schmiede-Journal September 2009 27
2009-09-Schmiede-Journal
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