Auf den Schmierstoff kommt's an

Die Tribologie des IHU-Prozesses

Daß die richtige Schmierstoffauswahl entscheidenden Einfluß auf einen Fertigungsprozeß haben kann, wird vielen erst dann bewußt, wenn& pos;s nicht so richtig läuft. Eine der zahllosen Herausforderungen an den Schmierstoffexperten ist das Innenhochdruck-Umformen (IHU). Hier kommt es nicht nur darauf an, daß die Schmierstoffe den Werkstoff fließen lassen, sich das Werkstück leicht aus der Form löst und der Korrosionsschutz sichergestellt wird; entscheidend ist auch, daß die eingesetzten Schmierstoffe untereinander kompatibel sind.

Fachartikel

10. Juli 2002

Bild 1: Auf den Schmierstoff kommt's an (IHU-Teile: mit dem richtigen Schmierstoff zum Erfolg.)

Das Grundverfahren besteht darin, daß in einer Presse ein Rohr mit einer Druckflüssigkeit mit Drücken über 1.500 bar in eine Form gepreßt wird. Der Schmierstoff, der von außen auf das Rohr aufgebracht wird, hat die Aufgabe, zum einen das Werkstück und das Werkzeug wirksam zu trennen und zum anderen ein Fließen des Werkstückmaterials zu ermöglichen. Der IHU-Prozeß ist das Kernstück des Verfahrens. Der Gesamtprozeß umfaßt darüber hinaus das Vorbiegen der Rohre und die Reinigung sowie den Korrosionsschutz der fertigen Werkstücke. Eine für das IHU konstruierte und ausgelegte Maschine stellt daher ein sehr komplexes Gebilde dar. Innerhalb der gesamten Prozeßkette findet sich eine Vielzahl von Schmierstoffsystemen mit unterschiedlichsten Aufgaben, die miteinander kompatibel sein sollen. Dies beginnt mit der Primär-Hydraulik und erstreckt sich auf Korrosionsschutzöle und Rohrbiegemittel, das Wirkmedium (sekundäre Hydraulik) und die eigentlichen IHU-Schmierstoffe.

So ist etwa die Verträglichkeit von Biegemedium und Außenschmierstoff zu beachten, da eine Zwischenreinigung der Werkstücke nach dem Biegeprozeß, welcher der eigentlichen IHU vorgelagert ist, aus ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten zu vermeiden ist. Eine großtechnische Anwendung der IHU wird maßgeblich von der Lösung der tribologischen Aufgaben abhängen, wobei den Schmierstoffen eine Schlüsselfunktion zukommt. Die Shell Macron GmbH, Dortmund, bietet ein umfassendes Produktportfolio zu dieser Thematik und betreibt eine intensive Forschung zu den tribologischen Aufgaben, die dieses Verfahren stellt.

Öle, Fette, Gleitlacke...

Bei der Innenhochdruckumformung spielen die Reibungsverhältnisse im Wirkspalt zwischen Werkzeug- und Werkstückoberfläche die entscheidende Rolle. Erst die optimale Gestaltung des Reibpaares (Werkstück/Werkzeug) gewährleistet einen sicheren Umformprozeß. Der Schmierstoff ist dabei von größter Bedeutung, denn er soll den Abrasionsverschleiß verhindern oder zumindest deutlich vermindern, der durch die doch recht hohen Drücke und Umformgeschwindigkeiten zwischen Werkstück und Werkzeug entsteht. Schmierstoffe, die in der IHU eingesetzt werden, gibt es in verschiedensten Formen und Zusammensetzungen. Typische Schmierstoffsysteme zur Außenbeschichtung von IHU-Werkstücken sind heute Gleitlacke mit oder ohne Graphit und/oder Molybdänsulfid, Phosphatschichten und Polymerdispersionen. Aber auch Öle, Emulsionen und Seifen (oder eine Kombination aus diesen Stoffen), und selbst Fette und Folien werden hier erfolgreich eingesetzt.

Öle und Emulsionen für Sprühanlagen prädestiniert

Gleitlacke und Polymerdispersionen erfordern eine gewisse Vorlauf-(Trocken-) zeit nach der Aufbringung. Der Einsatz von Folien oder Fetten ist ebenfalls sehr zeit- und arbeitsintensiv. Moderne Verfahren, die durch eine zunehmende Leistungssteigerung und Automatisierung des Umformprozesses gekennzeichnet sind, setzen eine automatisierte Aufbringung des Schmierstoffs kurz vor der Umformung selbst voraus. Das ist mit Lacken oder Fetten kaum realisierbar. Öle beziehungsweise Emulsionen sind für die Applikation mit modernen Sprühanlagen geradezu prädestiniert. Mit diesen Anlagen lassen sich mit gut abgestimmten Schmierstoffen Ergebnisse erzielen, die denen von Gleitlacken in nichts nachstehen oder ihnen manchmal sogar überlegen sind.

Hohe Ansprüche an Umwelt- und Gesundheitsschutz

Zunehmend fließen Aspekte des Umwelt- und Gesundheitsschutzes sowie der Arbeitssicherheit in die Produktentwicklung nicht nur von Schmierstoffen für die IHU ein und werden zum Teil zum entscheidenden Faktor. Mineralöl wird zunehmend durch biologisch gut abbaubare Ester ersetzt werden. Dabei darf allerdings der ökonomische Aspekt nicht ganz aus den Augen verloren werden. Wie auch bei anderen Verfahren in der Metallverarbeitung ist die Erarbeitung von optimalen Systemlösungen nur in enger Zusammenarbeit von Maschinen(werkzeug)herstellern, Schmierstoffentwicklern und Anwendern möglich.

Die Auswahl ist entscheidend für das Ergebnis

Der Einfluß verschiedener in der Praxis verwendeter Schmierstoffsysteme wurde von Dohmann und Meyer untersucht. Für die Auswahl des Schierstoffs spielt neben dem umzuformenden Material, vor allem der Form des zu fertigenden Werkstücks und den damit verbundenen Schiebewegen eine entscheidende Rolle. Komplizierte Ausformungen mit langen Schiebewegen lassen sich besser mit gut haftenden Filmen beziehungsweise hochviskosen und schmierwirksamen Ölen erreichen. Demgegenüber genügen bei geringen Umformgraden niedrig viskose Öle und oft auch Emulsionen bei leicht umformbaren Werkstoffen. Das Außenmedium soll zum einen Werkstück und Werkzeug sicher voneinander trennen und Kaltverschweißungen verhindern, zum anderen soll es ein Fließen des Werkstückmaterials ermöglichen, ohne daß der Schmierfilm reißt oder sich wie ein Kissen aufbaut und so selbst zum Hindernis wird.

Die Oberflächenrauheit der Werkstücke richtet sich selbstverständlich nach der Rauheit der eingesetzten Rohre. Im allgemeinen ist mit einer Zunahme der Rauheit nach der IHU zu rechnen. Dies tritt besonders bei Teilen mit freier Aufweitungsphase hervor. Ist die Rauheit zu groß, ist es bei Einsatz von Ziehfolien oder ungeeigneten Schmierstoffen möglich, daß der Schmierfilm (Folie) reißt und es zu Metall-Metall-Kontakt kommt, der dann zu Kaltaufschweißungen führen kann. Die ist unter allen Umständen zu verhindern. Innenmedium zur Druckerzeugung für den Aufweitvorgang ist in der Regel eine wäßrige Emulsion oder Lösung. Diese sollte langlebig und relativ unempfindlich gegenüber Hefen, Pilzen und Bakterien sein. Außerdem erwartet der Anwender zu Recht, daß die Emulsion viele tausend Lastwechsel von Normaldruck bis zu einigen tausend Bar und umgekehrt ohne merkliche Veränderung übersteht.

Anforderungen an die Außenschmierstoffe

Gute Schmiereigenschaften, eine gleichmäßige Benetzung, keine Korrosion am Werkzeug und am Werkstück, kein Aufbau von Schmierstoffbestandteilen im Werkzeug, keine Neigung zum Diesel-Effekt, einfache Applikationsmöglichkeit, frei von gesundheits- und umweltschädigenden Bestandteilen, Kompatibilität zu den anderen Medien, die im Gesamtprozeß zur Anwendung kommen, speziell zum Druckmedium und die leichte Entfernbarkeit nach der Umformung in wäßrigen Reinigern, so lautet der Anforderungskatalog an die Außenschmierstoffe. In der Praxis werden eine Vielzahl an Schmierstoffsystemen eingesetzt, die in einzelnen Punkten immer wieder mit diesem Anforderungskatalog kollidieren.

Von modernen Konzepten

Moderne Konzepte für die Außenschmierung sind als Weiterentwicklung zu verstehen. Sie bieten gegenüber den älteren Konzepten einige Vorteile. Eine weitgehende Unlöslichkeit und überragende Demulgierneigung im Druckmedium, die hohe Haftwirkung am Bauteil und die Anpassung an das umzuformende Material (keine Verfärbung, Korrosion et cetera), die Möglichkeit, die Viskosität der Materialstärke des umzuformenden Materials anzupassen, wären da zu nennen. Zudem sind Ziehöle frei von Festschmierstoffen, die im Werkzeug zu Aufbauten führen könnten. Speziell für polymere Filmbildner gilt, daß ein stabiler, trockner, griffester und vor allem elastischer Film entsteht, es lösemittelfrei ist, eventuell überschweißbar und dass das Trägermedium möglichst schnell abtrocknen muß.

Anforderungen an das Druckmedium

Der Anforderungskatalog an das Druckmedium selbst ist nicht minder lang. Es muß einen guten Druckaufbau gewährleisten und die Minimierung der Wandstärkenabnahme während der Umformung erreichen. Die gute Filtrierbarkeit, die Kompatibilität mit dem Außenmedium sowie ein guter Korrosionsschutz und die Schmierung des Hydrauliksystems muß gewährleistet sein, ebenso die Schmierung des Druckstempels. Dazu muß das Druckmedium für eine gute Innenschmierung der Werkstücke sorgen, und es darf auch nach vielen Lastwechseln keine Schaumneigung zeigen. Auch die Stabilität gegenüber Hefen, Pilze und Bakterien muß gewährleistet sein.

Das komplette Produktfolio aus einer HandEin kompetenter Anbieter von Flüssigkeiten für die Metallbearbeitung stellt das komplette Produktportfolio für die IHU zur Verfügung. Dieses umfaßt Biegeöle, Schmierstoffe für die Außenschmierung beim IHU (sowohl Öle als auch Polymere), Druckflüssigkeiten für die Innenschmierung, Reinigungs- und Korrosionsschutzmittel. Sämtliche Produkte der Prozeßkette sind hinsichtlich ihrer Kompatibilität untereinander abgestimmt. Freigaben von namhaften Systemherstellern für die IHU sollten vorliegen. Zwischen den IHU-Systemherstellern und dem Schmierstofflieferanten sollte ein reger Erfahrungsaustausch bestehen, so daß die Schmierstoffe bereits in das Prototyping von neuen Werkstücken mit einbezogen werden. Hinsichtlich der Werkstoffe gibt es keine Einschränkungen

Profile für Hydroforming

Grundprinzip des Hydroformings

Viele Schmierstoffe für einen Prozeß: Die Schmierstoffe müssen untereinander kompatibel sein.

Erschienen in Ausgabe: 03/2002