Einbaufertige Umformteile

Maximale Ansprüche bei minimalen Toleranzen

Wachsende Qualitätsansprüche erfordern von der Zulieferindustrie im Anlagen-, Geräte- und Fahrzeugbau die Einhaltung minimaler Toleranzen für Maß-, Form- und Lageabweichungen bei der umformenden Herstellung komplexer Bauteile, um deren Montage- und Betriebsfähigkeit im Finalprodukt zu gewährleisten. Die relevanten Toleranzen bezüglich Rundlauf, Planlauf, Koaxialität oder Konzentrizität an inneren und äußeren Funktionsflächen liegen in Bereichen von 0,2 bis 0,01 mm.

10. Dezember 2002

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens sollten neben der Ermittlung der umformtechnischen Machbarkeitsgrenzen für eine ausgewählte Werkstückfamilie, unter Berücksichtigung optimierter Verfahrensabläufe und der zugehörigen Prozeßeinflüsse, Lösungswege zum Erreichen maximaler Genauigkeiten beim Tiefziehen unter konventionellen Fertigungsbedingungen aufgezeigt werden. Zum betrachteten Teilespektrum gehörten rotationssymmetrische Hohlkörper wie beispielsweise Lagerbuchsen, Tragrollenböden mit Lagersitzen, Armaturengehäuse oder Nocken. Daraus abgeleitet wurden als zu realisierende Toleranzforderungen für den Plan- und Rundlauf von 0,02 mm und besser sowie für die Zylindrizität von 0,07 mm und besser definiert.

Ermittlung der optimalen Technologie

Mit Bezug auf dieses spezifische Teilesortiment erfolgte nach der Auswahl repräsentativer Werkstückgeometrien die theoretische Ermittlung der optimalen Technologie und Parameter zu deren umformtechnischer Herstellung. Als anforderungsspezifisch geeignete Verfahren wurde das Tiefziehen mit und ohne Niederhalter in Kombination mit dem Abstreckgleitziehen berücksichtigt.

Für die eingesetzten Werkstückwerkstoffe konnten die in Tabelle 1 dargestellten dSt/s0-Verhältnisse ermittelt werden. Damit war die Möglichkeit der Anwendung des niederhalterlosen Tiefziehens als Verfahrensvariante für alle Werkstoffe gegeben.

Im Praxistest zum Ergebnis

Das Werkzeugkonzept sah vor, jede Stufe zunächst als Einzelwerkzeug umzusetzen, hinsichtlich der Aktivteilabmessungen jedoch den weiteren Ausbau zu einem Gesamtwerkzeug zu berücksichtigen. Zur Variierung der technologischen Parameter wurden die Aktivteile auswechselbar gestaltet, ebenso die Werkzeugführungen zur Ermittlung der anlagenseitigen Einflüsse. Für die entkoppelten Verfahrensuntersuchungen wurde eine hydraulischen C-Gestellpresse (2500 kN Preßkraft, mit Ziehkissen) verwendet. Der Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen lag zunächst in der quantitativen Ermittlung der Zusammenhänge zwischen erreichbaren Toleranzen, Werkstoffeigenschaften, Abstreckgraden sowie d/s-Verhältnissen. Ergänzende Untersuchungen zur Gewinnung qualitativer Aussagen bezüglich optimaler, konstruktiver Werkzeugauslegung und FertigungsProzeßeinflüsse sowie zur Beurteilung des Einflusses der Werkzeugführung auf die Maß- und Formabhängigkeit der Ziehteile wurden in einem Gesamtwerkzeug auf einer hydraulischen Zweiständerpresse mit 2500 kN Preßkraft, Ziehkissen und Kippungskompensationseinrichtung im Stößel durchgeführt.

Für die mittels Hommel-Tester und 3D-Koordinaten-Meßmaschine hinsichtlich Rundheit, Planheit und Zylindrizität gewonnenen Meßwerte erfolgte die Auswertung nach unterschiedlichsten Gesichtpunkten. Dabei wurden die verschiedenen Verfahrensvarianten für den Anschlagzug ebenso berücksichtigt, wie die Anzahl der Umformstufen, der Einsatz von unbeschichteten und TiN-beschichteten Aktivteilen oder die jeweilige Werkzeugvariante. Die weitere Bewertung der Meßdaten erfolgte mit Hilfe einer Pareto-Analyse. Als pareto-optimal erwiesen sich zum überwiegenden Teil Werkstücke aus isotropen Blechwerkstoffen.

Die praktischen Versuche wurden begleitet durch FEM-Simulationsrechnungen, die tendentiell qualitative Aussagen bezüglich erreichbarer Formabweichungen und auftretender Wanddickenverläufe ermöglichen. Im Hinblick auf die entsprechend der Zielstellung zu erreichenden Toleranzen ließen sich die in Tabelle 2 zusammengefaßten Bestwerte ermitteln. Im Ergebnis der Auswertung wurden deutlich höhere Formabweichungen an Teilen festgestellt, die im Gesamtwerkzeug bei außermittiger Kraftbelastung gefertigt wurden.

Außermittige Belastungen vermeiden

Derartige Belastungsfälle treten beispielweise in Folge-Verbund-Werkzeugen zu Beginn beziehungsweise am Ende der Fertigungsfolge auf. Für die Erarbeitung von Umformtechnologien kann aus den vorliegenden Ergebnissen zum Wanddickenverlauf abgeleitet werden, daß gegenüber dem Tiefziehen mit Niederhalter durch niederhalterloses Tiefziehen im Anschlagzug mehr Werkstoffreserve in der Zarge (werkstoffbezogen bis zu 15 Prozent) vorhanden ist. Daraus resultierend sind höhere Ziehverhältnisse realisierbar und einfache Werkzeuge möglich. Die bei dieser Verfahrensvariante wirkende, geringere Reibkraft hat einen positiven Einfluß auf die Oberflächenqualität und die Werkstoffbeanspruchung. Durch die Verfahrensvariante Tiefziehen ohne Niederhalter ließ sich beispielsweise auch für den Werkstoff P265 Nb ein Ziehverhältnis von 2,0 im Anschlagzug realisieren, das beim Tiefziehen mit Niederhalter nicht erreicht werden konnte.

Ohne Niederhalter zu höheren Ziehverhältnissen

Dieses Forschungsprojekt Nr. AiF 12288 BR wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) und die Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V. (FSV) im Rahmen der vorwettbewerblichen Gemeinschaftsforschung gefördert. Die Langfassung des Abschlussberichtes kann bei der FSV, Goldene Pforte 1, D-58093 Hagen, angefordert werden.

Erschienen in Ausgabe: 09/2002