09.10.2018

Inhomogene Erwärmung verkürzt den Schmiedeprozess

Verfahren vereinfacht komplexe Vorform­opera­tionen – oder macht sie ganz über­flüssig.

Vorformoperationen dienen dazu, die Massenverteilung eines Rohteils dem gewünschten Schmiede­teil anzu­nähern, um den Grat­anteil sowie den Gesenk­ver­schleiß zu redu­zieren. Ein geringerer Grat­anteil bedeutet geringere Material- und auch Energie­kosten. Ein gerin­gerer Gesenk­ver­schleiß führt zu einer Redu­zierung der Produk­tions­kosten bei gleich­zeitiger Erhöhung der Prozess­stabi­lität. Mit einem neuen Ver­fahren, das am Institut für inte­grierte Produk­tion Hannover erforscht wird, sollen solche Vorform­opera­tionen ver­kürzt oder gänz­lich ein­ge­spart werden.

Abb.: Vorformoperationen bringen die Masse dort­hin, wo sie später ge­braucht wird. In Zukunft soll das auch durch in­homo­gene Er­wär­mung ermög­licht werden. (Bild: R. Büchler, IPH)

Bislang waren vergleichbare Ergebnisse auch durch das Vorformen im Gesenk oder durch Quer­keil­walzen zu erzielen. Das Gesenk­schmieden kann unter Umständen zwar günstiger sein, setzt aber beim Vor­formen im geschlos­senen Gesenk eine auf­wändige Aus­legung voraus oder verur­sacht beim Vor­formen im offenen Gesenk einen hohen Grat­anteil. Quer­keil­walzen hingegen ver­ur­sacht weniger Grat, ist jedoch sehr viel teurer und lohnt sich deshalb erst ab einer großen Stück­zahl, was es vor allem für kleine und mitt­lere Unter­nehmen unattraktiv macht.

Am IPH wird nun ein dritter Weg untersucht: Indem das Rohteil durch Induk­tion inhomogen erwärmt und anschlie­ßend gestaucht wird, soll die Massen­vertei­lung dem Bauteil ange­nähert werden. Die Wissen­schaftler wollen ermitteln, welchen Effekt die inhomo­gene Erwär­mung von Roh­teilen auf die nach­fol­genden Schritte der Schmiede­prozess­kette hat. „Die Vor­versuche zeigen in eine viel­ver­spre­chende Rich­tung“, sagt Arne Jagod­zinski vom IPH. „In ein paar Jahren wird daraus eine industrie­reife Ferti­gungs­methode.“ Wenn es so weit ist, soll die inhomo­gene Erwär­mung den Schmiede­prozess ver­kürzen und energie­effi­zienter aus­ges­talten.

Induktion wird bereits seit langem im Schmiedeprozess eingesetzt – doch bis­lang nur zur homo­genen oder auch zur parti­ellen Erwär­mung von Bau­teilen. Bei der parti­ellen Erwär­mung werden ein­zelne Bereiche eines Roh­teils auf eine gewünschte Tempe­ratur erwärmt, während andere Bereiche kalt bleiben. Die Besonder­heit an dem neuen Ver­fahren ist die Ver­wen­dung von inhomo­gener Erwär­mung. Das heißt, dass das Roh­teil insge­samt erwärmt wird – manche Bereiche aller­dings auf beispiels­weise 900, andere wiederum auf 1250 Grad Celsius. Beim Stauchen kann so in dem wärmeren Bereich mehr Masse kumu­liert werden als in den kälteren Bereichen. Beson­ders interes­sant ist dabei der Über­gangs­bereich zwischen den warmen und den weniger warmen Zonen. Wie groß und wie stabil ist dieser – und wie lässt er sich ein­stellen?

Dazu identifizieren die Wissenschaftler in Vorversuchen Kenn­zahlen, die den Über­gangs­bereich charak­teri­sieren. Sie ermitteln auf diese Weise Para­meter, die es ihnen später in der Praxis erlauben, den Über­gangs­bereich mög­lichst genau einzu­stellen. Idealer­weise ist dieser stabil, klein und weist einen großen Tempe­ratur­sprung auf. Ein Problem kann aber beispiels­weise sein, dass sich die unter­schied­lich warmen Bereiche zu schnell ein­ander annähern und keine klare Trennung zwischen den Zonen auf­recht­erhalten werden kann. Anhand eines Common-Rails – ein Bau­teil aus der Kraft­stoff­ein­spritzung eines Ver­bren­nungs­motors – wollen die Wissen­schaftler unter­suchen, wie sich ein inhomogen erwärmtes Gefüge beim Schmieden ver­hält. Später könnte die ent­wickelte Methode auch auf andere Bau­teile zum Beispiel aus der Auto­mobil­industrie ange­wendet werden, wie bei Pleuel oder sogar bei Kurbel­wellen.

Um den Nutzen der neuen Methode feststellen zu können, ver­gleichen die Wissen­schaftler die Ver­wen­dung von inhomo­gener Erwär­mung in ver­schie­denen Prozess­ketten mit dem Quer­keil­walzen. Jagod­zinski geht davon aus, dass die ver­schie­denen Prozesse Abwei­chungen bei den Tempe­ratur­feldern oder beim Schmiede­prozess auf­weisen werden. Es wird unter anderem auch betrachtet, ob das freie Stauchen als Zwischen­schritt aus­ge­lassen werden und das inhomogen erwärmte Roh­teil direkt fertig­geschmiedet werden kann. Sollte diese Variante gelingen, böte die neue Methode eine erheb­liche Erleich­terung für die Industrie, die ihre Bau­teile so sehr viel schneller, energie- und ressourcen­schonender produ­zieren könnte.

Schließlich soll ein Modell entwickelt werden, das Vorhersagen darüber zulässt, wie sich inhomo­gene Erwär­mung auf den Schmiede­prozess aus­wirkt und wie dieser Prozess aus­ge­legt werden kann. Dazu sollen die gewon­nenen Ergeb­nisse extra­poliert und die daraus ermit­telten Werte stich­proben­artig über­prüft werden. Nachdem die Simu­la­tion und die Werk­zeug­konstruk­tion abge­schlossen und das Para­meter­feld identi­fi­ziert ist, werden die Wissen­schaftler vom IPH zur Verifi­zie­rung ihrer Ergeb­nisse experi­men­telle Unter­suchungen vor­nehmen. Anschlie­ßend werden die Anlagen eines Industrie­partners umge­rüstet und das neue Ver­fahren unter realen Bedin­gungen erprobt.

IPH / RK

Veranstaltung

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Die neue Kongressmesse für Quanten- und Photonik-Technologien bringt vom 13. bis 14. Mai 2025 internationale Spitzenforschung, Industrieakteure und Entscheidungsträger in der Messe Erfurt zusammen

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Meist gelesen

Themen