Radialschmieden versus Zylinderdrückwalzen; Radial Forming versus Flow Forming;

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    208 Kuss & Buchmayr Springer-Verlag Wien BHM,159.Jg.(2014),Heft 5

    BHM (2014) Vol. 159 (5): 208213DOI 10.1007/s00501-014-0243-3 Springer-Verlag Wien 2014

    Radialschmieden versus Zylinderdrckwalzen

    MarioKuss und BrunoBuchmayr

    Lehrstuhl fr Umformtechnik, Montanuniversitt Leoben, Leoben, sterreich

    these processes with FEM models, carried out with the software SIMUFACT, allows a view into the forming zone. The investigations give an overview about the difference of the material flow during the forming process. These views guide the way to a useful industrial application of Radial Forming and Flow Forming.

    Keywords: Radial forging, Flow forming, Finite element method (FEM), Incremental forming

    1. Prozess des Radialschmiedens

    Nach DIN 8583 Teil 3 stellt das Radialschmieden ein Freifor-men zur Querschnittsverringerung an Stben und Rohren aus Metall dar. Wie in Abb.1 dargestellt, wird der Werk-stoff radial mit zwei oder mehreren Werkzeugsegmenten, welche den zu vermindernden Querschnitt ganz oder teil-weise umschlieen, verdrngt. Dabei wird das Werkstck von einem Manipulator zwischen den Schlgen verdreht. Der groe Vorteil des Radialschmiedens besteht in seinem Einsatzbereich, der bei sehr hohen Druckspannungen und demzufolge hohem Bruchumformgrad liegt [1].

    1.1 Vor- und Nachteile von Radialschmieden

    Das Radialschmiedeverfahren zeigt alle Vorzge des Mas-sivumformens wie kurze Bearbeitungszeit, hohe Festig-keit bei gnstigem Faserverlauf, glatte Oberflchen, enge Toleranzen sowie in vielen Fllen eine beachtliche Werk-stoffersparnis [2]. Es bietet keine Temperatur- und Material-einschrnkungen, und durch den hohen hydrostatischen Spannungszustand knnen schwer umformbare Werk-stoffe bearbeitet werden. Die inkrementelle Umformung ermglicht im Bauteil eine verbesserte Homogenitt, und meist sind keine nachtrglichen Oberflchenbehandlun-gen ntig. Mit der Hilfe von Innenwerkzeugen besteht die

    Zusammenfassung: Radialschmieden und Zylinderdrck-walzen als inkrementelle Umformverfahren erfahren in Zeiten von steigender Materialeffizienz einen neuen Auf-schwung. Beide Verfahren zeichnen sich durch ihre breite Einsatzmglichkeit, Flexibilitt und die erreichbare Form-genauigkeit aus. Bei der Auswahl geeigneter Umformver-fahren stellt sich die Frage, welche Effekte diese beiden Verfahren unterscheiden. Ziel dieses Beitrages ist, die Un-terschiede durch eine Betrachtung des Spannungszustan-des whrend der Umformung herauszuarbeiten. Dabei wird mit der Finiten Elemente (FE) Software SIMUFACT ein Blick in das Bauteilinnere ermglicht. Die Untersu-chung ergibt einen deutlichen Unterschied des Werkstoff-flusses sowie die Abhngigkeit der Werkstckdicke. Das generierte Wissen ermglicht knftig einen gezielten Ein-satz der beiden Umformverfahren.

    Schsselwrter: Radialschmieden, Zylinderabstreckwal-zen, Finite Elemente Methode (FEM), Inkrementelle Um-formung

    Radial Forming versus Flow Forming

    Abstract: With the increasing pressure on the industry to save material, engineers are forced to come up with incremental forming processes like Radial Forming and Flow Forming. These processes are characterized by the excellent workpiece properties of the formed zones, the great variety geometries in net shape quality. It seems that the two processes are similar, but a closer exami-nation of the stress state shows differences. This paper deals with the different processes of radial forging and flow forming and their stress states. The simulation of

    M.Kuss() Lehrstuhl fr Umformtechnik, Montanuniversitt Leoben,Franz-Josef-Strae 18, 8700 Leoben, sterreichE-Mail: mario.kuss@unileoben.ac.at

    Eingegangen am 16. Februar 2014; angenommen am 27. Februar 2014; online publiziert am 25. Mrz 2014

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    Mglichkeit einer simultanen Auen- und Innenbearbei-tung [3]. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in den verwendeten Werkzeugen. Durch die relativ einfache Werk-zeugform knnen mit einem Werkzeugsatz unterschiedli-che Endgeometrien hergestellt werden. Als Nachteil des Verfahrens ist eine Beschrnkung auf axialsymmetrische Bauteile zu nennen.

    1.2 Einflussfaktoren auf den Werkstofffluss beim Radialschmieden

    Die Einflussfaktoren beim Radialschmieden sind die Geo-metrie der Werkzeuge, welche den Werkstofffluss beein-flussen, der Drehwinkel des Manipulators zwischen den einzelnen Schlgen und die Zustellung sowohl in axia-ler als auch in radialer Richtung. Diesen Einflussfaktoren bergeordnet stehen die Temperatur und die Werkstoffei- genschaften. Bei der Verwendung von Innenwerkzeugen sind fr das Ausformen die Schmierverhltnisse sowie die Khlung der Werkzeuge von groer Bedeutung [4].

    1.3 Mglichkeiten und Einsatz der Radialschmiedetechnologie

    Das Verfahren des Radialschmiedens bietet ein breites Spektrum von Einsatzgebieten, angefangen von Vor-formen bis hin zur Fertigung eines Bauteiles in Near-Net Shape bzw. Net Shape Qualitt. Zu den schmiedbaren Werkstoffen zhlen neben den Sthlen schwer umform-bare Werkstoffe wie Nickel-Basis Legierungen, Titanalu-minide oder Zirkon-Legierungen. Durch die Mglichkeit, Rohre ber einen Dorn zu schmieden, kann die Auen- und Innenkontur in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Somit knnen meist teurere und zeitaufwendige, nach-trgliche mechanische Bearbeitungen zu Erzeugung einer bestimmten Innengeometrie entfallen. Der Geometrie sind ebenso keine Grenzen gesetzt, so ermglicht das Ver-fahren gezielte Wandstrkeneinstellungen, Abstze und Radien sowie Hinterschnitte. Das Radialschmieden findet bei der Produktion von Turbinenschaufeln bis hin zum Bril-lenbgel seine Anwendung.

    2. Prozess des Zylinderdrckwalzens

    Nach DIN 8583 zhlt das Zylinderdrckwalzen (Flow Forming) aufgrund seines mehrachsigen Druckspan-nungszustandes bei der Umformung zu den Druckum-formverfahren. Die Umformung erfolgt durch die Rotation des Werkstckes (Abb. 2), welches die frei drehbar gela-gerten Walzen mittels Reibschluss ebenfalls in Rotation versetzt. Die Walzen sind auf zwei Achsen gefhrt und werden mittels CNC gesteuert. Aufgrund der Zustellung der Walzen bildet sich im Kontaktbereich zum Werkstck eine Zone des plastischen Flieens. Die Walzen verdrn-gen dabei das Material in radialer, axialer und geringfgig auch in tangentialer Richtung. Durch eine CNC basierte Ansteuerung der Walzen knnen in einem Arbeitsgang Abstze, bergnge, Hinterschnitte und Radien auf dem Auendurchmesser abgebildet werden. Ebenso knnen

    TABELLE 1:

    Prozessdaten der Radialschmiedesimulation

    Parameter Wert Einheit

    Hubanzahl 667

    Hubhhe 3 mm

    Drehschritt 17

    Axialvorschub 0,5 mm/sec

    Umformzeit 40 sec

    Zustellung 2,5 mm

    Verdrngtes Volumen 10,6 cm3

    TABELLE 2:

    Prozessdaten der Zylinderdrckwalzsimulation

    Parameter Wert Einheit

    Umdrehungen 31,5

    Axialvorschub 0,5 mm/sec

    Umformzeit 40 sec

    Zustellung 2,5 mm

    Verdrngtes Volumen 10,6 cm3

    Abb. 2: Schematische Darstellung des Zylinderdrckwalzprozesses

    Abb. 1: Schematische Darstellung des Radialschmiedeprozesses

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    schen Parameter der Werkzeuge und deren gegenseitigen Einfluss zu nennen. Darunter knnen Walzendurchmes-ser und Walzengeometrie, Winkelversatz zur Werkstck-drehachse, Axial- und Radialversatz und Zustellung der einzelnen Werkzeuge verndert werden. Neben den geo-metrischen Einflussfaktoren sind auch die Werkstoffpara-meter und die Temperatur ausschlaggebend [8].

    3. FEM-Simulation von Radialschmieden und Zylinderdrckwalzen

    Bereits in den Einleitungen sind die hnlichkeiten der bei-den Verfahren ersichtlich. Um jedoch einen Blick auf den inneren Werkstofffluss zu erhalten, wird mittels der Fini-

    spezielle Innengeometrien wie beispielsweise eine Verzah-nung ber Dorn hergestellt werden [5].

    2.1 Vor und Nachteile des Zylinderdrckwalzens

    Das Zylinderdrckwalzen findet von der Massivumfor-mung bis hin zur Fertigung von Przisionsteilen Anwen-dung. Im Gegensatz zu Tiefziehen besitzt es durch seine inkrementelle Umformung niedrigere Umformkrfte. Der vorherrschende hohe hydrostatische Spannungszustand ermglicht, neben Aluminiumlegierungen und 20MnCr5 auch Titanlegierungen wie Ti6Al4V oder Nickelbasislegie-rungen umzuformen [6]. Das Zylinderdrckwalzen zeichnet sich durch den flexiblen Einsatz von einfachen Werkzeug-geometrien aus. Es knnen endgeometriefertige Bauteile mit Oberflchenverfestigungen oder auch Innengeome-trien erzeugt werden [7]. Aufgrund der inkrementellen Umformung ergeben sich lngere Bearbeitungszeiten als beim Tiefziehen. Der grte Teil der Kosten fr den Zylinderdrckwalzprozess belaufen sich auf die Maschi-nenkosten, jedoch werden diese teilweise durch geringe Werkzeugkosten und kurze Rstzeiten kompensiert.

    2.2 Einflussfaktoren auf den Werkstofffluss beim Zylinderdrckwalzen

    Das Zylinderdrckwalzen ist durch eine Vielzahl von Ein-flussfaktoren gekennzeichnet. Vorrangig sind die geometri-

    Abb. 3: Modellaufbau der Radialschmiedesimulation

    Abb. 4: Modellaufbau der Zylinderabstreckwalzsimulation

    Abb. 5: Darstellung der Schnittebenen fr die Ergebnisauswertung

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    ten Elemente Methode (FEM) eine Simulation beider Ver-fahren erstellt. Dadurch knnen beide Verfahren bezglich Spannungsverlauf und Werkstofffluss verglichen werden.

    3.1 Simulationsaufbau

    Die fr die Radialschmiedesimulation und die Zylinder-drckwalzsimulation notwendigen Prozessdaten sind in Tab.1 und 2 aufgelistet. Die Materialdaten wurden aus der Datenbank der verwendeten FEM Software SIMUFACT fr das Werkstck 1.4301 und H13 fr die Werkzeuge entnom-men. Der gesamte Umformprozess wurde bei Raumtempe-ratur (20C) simuliert. Fr die 40s der Umformsimulation wurden 15999 Inkremente verwendet. In Abb. 3 ist der Simulationsaufbau des Radialschmiedeprozess abgebil-det. Alle vier Hmmer sind verschiebungsgesteuert. Zwi-schen den Schlgen fhren der Manipulator und der Dorn den Drehschritt durch. Als Kontaktbedingung wurde zwi-schen Manipulator und Werkstck haften und zwischen den restlichen Bauteilen ein Reibwert nach dem Gesetz der maximalen Schubspannung von =0,3 angenommen.

    Abbildung 4 zeigt den Aufbau der Zylinderdrckwalz-simulation. Die Umformrolle wurde frei drehbar definiert und die z-Position ist verschiebungsgesteuert. Als Kon-taktbedingung wurde ebenfalls zwischen Werkstck und Manipulator haften und zwischen den restlichen Bautei-len ein Reibwert nach dem Gesetz der maximalen Schub-spannung von =0,3 angenommen. Um den Einfluss der Werkstckdicke zu untersuchen, wurden weitere Simula-tionen durchgefhrt. Dabei betrgt der Durchmesser des Werkstckes 90mm, und die Werkzeuge wurden mit dem Durchmesser proportional vergrert.

    4. Ergebnisdarstellung

    Um das Umformverhalten der beiden Verfahren darzustel-len, werden die Ergebnisse als Schnitte (Abb.5) gezeigt. Dies ermglicht einen Blick in das Innere der Umformzone

    Abb. 6: Darstellung der Vergleichs-spannung von Radialschmieden und Zylinderabstreckwalzen im Axialschnitt

    Abb. 8: Darstellung der Tangentialspannungen von Radialschmieden und Zylinderabstreckwalzen

    Abb. 7: Darstellung der Vergleichsspannung in einem Radialschnitt

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    gen zeigen hohe Druckspannungen in radialer und axia-ler Richtung. In Abb.8 sind die Tangentialspannungen von Radialschmieden und Zylinderabstreckwalzen dargestellt. Abheben des Werkstckes vom Dorn vor der Umformzone beim Zylinderabstreckwalzen ist eine Reaktion der tangen-tialen Wulstbildung. Die Gre und Form der Tangential-wulst ist gleich wie die Axialwulst von den geometrischen Werkzeugparametern wie Einlaufwinkel, Umformradius und Achsstellung abhngig. In Abb.9 ist der Umformgrad des dnn- und dickwandigen Bauteils in einem Axialschnitt beim Zylinderabstreckwalzen dargestellt. Zu erkennen ist

    und soll die Umformvorgnge erklren. Abbildung6 zeigt die Vergleichsspannung beim Radialschmieden sowie Zylinderabstreckwalzen. Deutlich zu erkennen ist die hn-liche Vergleichsspannungsverteilung der beiden Verfah-ren. Die Wulstbildung der Umformzone ist allerdings beim Zylinderabstreckwalzen deutlich hher. Dieser Effekt kann durch gezielte Einstellung der geometrischen Prozessva-riablen stark verringert werden. Abbildung 7 zeigt deut-lich den Ovalisierungseffekt beim Radialschmieden. Dies zeigen die verringerten Vergleichsspannungen auf der Auenseite neben dem Werkzeug. Weitere Untersuchun-

    Abb. 9: Darstellung des Um-formgrades von unterschied-lichen Wandstrken beim Zylinderabstreckwalzen

    Abb. 10: Darstellung des Umformgrades von unter-schiedlichen Wandstrken beim Radialschmieden

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    Verfahren. Zuknftige Untersuchungen werden sich mit dem Einfluss der Geometrieparameter und dessen Aus-wirkungen auf den Materialfluss sowie dessen Simulation beschftigen.

    Literatur

    1. Wieser, R.: GFM Radial Schmieden Technologie und Weiterent-wicklungen, Sommerschule Schmiedetechnik, Teichalm, Steier-mark, 2005, S.229243

    2. Kienhfer, C.; Schmid, S.: Auch Hohles lsst sich kneten, Maschi-nenmarkt, 36 (2004), S.1821

    3. Haug, R.: Rundkneten im Vorschubverfahren, Beitrge zur Umformtechnik, Diss., Universitt Stuttgart, DGM Informations-gesellschaft mbH Verlag,1996

    4. Runge, M.: Drcken und Drckwalzen, Die Bibliothek der Technik Bd.72., Verlag moderne Industrie, 1993

    5. Ufer, R.: Modellierung und Simulation von Drckwalzprozessen, Diss., Chemnitz, TU, Fakultt fr Maschinenbau, 2006

    6. Sivanandini, M.; Dhami, S. S.; Pabla, B. S.: Flow Forming Of Tubes A Review, International Journal of Scientific Engineering Research, 3 (2012), No.5

    7. Birk, K.: Untersuchungen zur Anwendung des Abstreckdrckens bei der Fertigung rotationssymmetrischer Hohlkrper mit Innen-verzahnung, Diss., Karl-Marx-Stadt, Technische Hochschule, 1985

    8. Thamasett, E.: Krfte und Grenzformnderungen beim Abstreck-drcken zylindrischer, rotationssymmetrischer Hohlkrper aus Aluminium, Diss., Stuttgart, Technische Hochschule, Max-Plank-Institut fr Metallforschung, 1961

    der hohe Umformgrad an der Oberflche und die geringe Eindringtiefe bei dem dickwandigen Bauteil. Der Dicken-einfluss ber den Umformgrad fr das Radialschmieden ist in der Abb.10 dargestellt. Bei geringerem Umformgrad wirkt das Radialschmieden tiefer in das Bauteil ein. Dies fhrt zu einer geringen Schrgstellung der Stirnflche des Werkstckes im Gegensatz zum Zylinderabstreckwalzen. In beiden Verfahren verringert sich das Abheben des Werk-stckes vom Dorn vor der Umformzone. Die Wulstbildung wird ebenso bei gleicher Stichabnahme bei beiden Verfah-ren grer.

    5. Schlussfolgerung

    So hnlich die beiden Umformverfahren Radialschmie-den und Zylinderabstreckwalzen auch sein mgen, die Untersuchungen zeigen einen deutlichen Unterschied im Materialfluss. Radialschmieden eignet sich somit fr eine globale Massenverteilung fr Vorformgenerierung mit einer Umformung, welche den gesamten Querschnitt umfasst beziehungsweise welche tief in den Werkstoff eindringt. Durch Zylinderabstre...

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