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Thermische MatrizeThermal Dies
Es bewegt sich was
 
Die Firma SIEBER wurde insbesondere durch ihren Gründer Karl SIEBER bekannt, der mit armierten Werkzeugen in der Kaltmassivumformung vor mehr als 50 Jahren neue Impulse setzte.
 
Mit armierten, vorgespannten Werkzeugen konnten wesentlich höhere Kräfte aufgenommen werden, was einen enormen Schub in der Kaltmassivumformung auslöste.
 
Heute gehört dies längst zu Stand der Technik. Die Herausforderung besteht in noch höheren Genauigkeiten, höherfester Materialien, kurzen Einlaufkurven und natürlich in einer höheren Flexibilität um kleinere Losgrößen wirtschaftlich herstellen zu können.
 
Bild 1: Matizenverband Laboraufbau
 
Insbesondere für den Anspruch, noch genauer zu werden oder sogar in einem geschlossenen Regelkreislauf Maße feinfühlig und flexibel einzustellen bzw. auf Materialeigenschaften reagieren zu können, könnte das eigentlich sehr steif gewünschte Werkzeug jetzt doch lieber etwas flexibler sein.
 
Angeregt durch das Pressen von Steckverzahnungen, wo zur Gewährleistung der Genauigkeiten es üblich ist, die Kerne umzupressen, um durch minimale Veränderung der Bohrungsmaße auf Einflüsse des Materials oder  Wärmebehandlungsprozesse reagieren zu können, wurde eine Werkzeugkonzept entwickelt, mit dem die Bohrung bis zu 0,06mm flexibel, ohne Veränderung der Vorspannung,  einstellbar ist. Das Werkzeug muss nicht ausgebaut oder mechanisch betätigt werden.
Einstellungen sind selbst im vollen Betrieb der Presse möglich, wodurch keine Prozessunterbrechung
erforderlich wird, was zum Abkühlen der Werkzeuge führen kann.
 
Gelöst wurde die Aufgabe durch das gleichzeitige Erwärmen und Kühlen eines Schrumpfverbundes.
 
Während der Kern auf eine Temperatur von bis zu 500 C° erwärmt werden kann, wird die Armierung zur Einstellung des Schrumpfverbandes gleichzeitig gekühlt.
 
Das Aufheizen geschieht mit einem neuartigen Induktionsverfahren, das bei einem Kaltstart eine Bereitschaftszeit von kleiner 5 Minuten ermöglicht und für die Steuerung oder Regelung des Bohrungsdurchmessers praktisch ein Echtzeitverhalten gewährleistet.
Eine Temperaturveränderung von 10C° führt zu einer Durchmesseränderung von 0,001.
 
Anders als bei den am Markt bekannten Lösungen, die das Einstellen der Bohrung ausschließlich durch die Vorspannung lösen, kann mit diesem Konzept die Vorspannung durch einen getrennt geregelten Kühlkreislauf weitgehend beibehalten oder selbst aktiv zur Erweiterung des Arbeitsbereiches genutzt werden.
 
Im Versuch wird eine Werkzeugverband mit einer Kernbohrung von 27,8 mm und einem Armierungsaußendurchmesser von 200 mm eingesetzt.
 
Im Bild 2 ist ein Testlauf  über 75 Minutendargestellt. In Dunkelblau ist die Temperatur des Kernes und in Hellblau die Außentemperatur der Armierung abgetragen.
 
Nach ca. 7 Minuten beträgt die Kerntemperatur bereits 250°C. Die Armierungstemperatur wurde auf ca. 80°C eingestellt, was zu einer Öffnung der Bohrung um 0,05mm führt.
Als Kernmaterial wird Hartmetall eingesetzt.
 
Hartmetall würde sich bei diesen Temperaturen nur ca. 0,035mm in der Bohrung erweitern. Durch die Erwärmung der Armierung auf 80°C wird der Verband zusätzlich ca. 20% entspannt, was zu einer zusätzlichen Öffnung des Kernes von ca. 0,015mm führt. Damit wird eine Öffnung der Kernbohrung bereits bei unter 300°C von ca. 0,05mm erreicht.
 
 
Bild 2: Entwicklungsteam
 
Nach 20 Minuten wurde die Kerntemperatur bis auf ca.350°C weiter angehoben und die Armierungstemperatur im gleichen Verhältnis nachgeführt.
Nach 45Minuten wird ein Temperaturverhältnis von ca. 300°C zu ca. 50°C eingestellt, was zu

einer Bohrungsöffnung von nur ca. 0,02mm führt. Trotz der 300°C im Kern erzeugt der große Temperaturunterschied von über 200°C
zwischen Kern und Armierung jetzt eine größere Vorspannung, was zu der geringen Öffnung der Bohrung führt.
           
Mit diesem Werkzeugkonzept eröffnen sich einerseits neue Dimensionen, wesentlich flexibler auf Prozess- oder Materialschwankungen reagieren zu können, andererseits ermöglicht es dem Anwender, eingebettet in einem geschlossenem Regelkreis, den Eintritt in eine neue Genauigkeitsklasse. 
 
Durch die erreichbaren Temperaturen entstehen jetzt auch Möglichkeiten von Verfahrenskombinationen zwischen Kalt- und Halbwarmumformung, so dass wiederum weitere Materialien mit höheren Umformgraden verwendet werden können.
 
Das vorgewärmte Werkzeug birgt auch den Vorteil, dass Einlaufvorgänge, die in dem Erreichen der Betriebstemperatur des Werkzeuges begründet sind wesentlich verkürzt oder sogar ausgeschlossen werden.
 
Andererseits ist zu bemerken, dass der Einfluss der Temperatur für komplexe Formen wie für beispielsweise Verzahnungen natürlich bei der Auslegung der Werkzeuge zu beachten ist.
 
Insbesondere bei Verzahnungen ist die Korrektur der Geometrie sehr komplex, was bei der Auslegung der Werkzeuge zu beachten ist.
 
Angenommen, dass der Arbeitsbereich von 100 C° bis 500C°  ausgelegt ist.
 
Bild 4: Arbeitsbereich
 
So sollte das Werkzeug für über 100C° ausgelegt werden, was die Anforderung stellt, dass das Werkzeug nicht mit der Form gefertigt werden kann, wie die abzupressende Form bei Raumtemperatur erfordern würde. Eine Vorkorrektur der Verzahnungsform ist notwendig.
 
Wichtige Qualitätskenngrößen einer Verzah­nung sind neben der Zahndicke die Form des evolventischen Profils und die Form der Flan­ken­linie in Achsrichtung. Diese Kenngrößen werden in der Regel mit Verzahnungs­mess­geräten gemessen, wie Bild 5 erläutert.
 
Bild 5: Bestimmung von Qualitätskenngrößen mit einem Verzahnungsmessgerät
 
Unter Verwendung gemessener oder idealer Mess­punkte ist es mit Hilfe einer Software zur Analyse der Verzahnungsabweichungen mög­lich, Ein­flüsse zu simulieren und Korrektur­parameter zu bestimmen. Bild 6 erläutert, wie sich ausgehend von theoretisch genauen Daten einer ausgewählten Verzahnung das Profil und die Flankenlinie ändert, wenn eine Schrumpfung simuliert wird.
Diese Simulation erfolgt sehr einfach per Mausclick. Die relevanten Qualitätskennwerte der Verzahnung werden online berechnet und dargestellt.
Zur Bestimung einer optimalen Regelstrategie kann so für eine konkrete Verzahnung eine Empfindlichkeitsmatrix erstellt werden, die die Zusammenhänge zwischen Qualitäts­kenn­größen und den Prozess- und Material­parametern abbildet.
 
Bild 6: Simulation der Schrumpfungseinflüsse mit idealen Messpunkten
 
Die dargestellten Simulationsmöglichkeiten bestehen auch für gemessene Kurven, wie Bild 7 erläutert.
 
Bild 7: Berechnung von Korrekturparametern der Verzah­nung aus gemessenen Darten
 
Die dargestellten Simulationsmöglichkeiten bestehen auch für gemessene Kurven, wie Bild 7 erläutert. Alternativ zur Schrumpfungs­korrek­tur können schrittweise die Sollwerte der Verzahnung verändert oder über eine Ausgleichsrechnung direkt die optimalen Sollwerte bestimmt werden, so dass die Abweichungen möglichst gering werden. Dieses Vorgehen ist dann interessant, wenn die Fertigung der Werkzeuge über Verzahnungssollwerte erfolgt und Korrekturen zu berücksichtigen sind. Der besondere Vorteil dieser Softwarelösung liegt in der iterativen Berechnung, die es ermöglicht alle Verzah­nungs­sollwerte in einem Schritt gleichzeitig exakt zu korrigieren. 
 
Darüber hinaus verfügt die Analysesoftware über viele Funktionen zum grafischen Vergleich von Messungen oder zur Bestimmung der Achslage. Sie stellt damit ein wichtiges Hilfsmittel für die Entwicklung, die Auslegung und den Betrieb umformtechnischer Prozesse der Verzahnungs­herstellung dar. 
 
Mit diesen beschriebenen Maßnahmen zur Vorkorrektur der Form können wesentliche Einflüsse berücksichtigt werden. Die Einflüsse aus der Durchmesserfeineinstellung im Arbeitsbereich können damit jedoch nicht kompensiert werden, diese Anpassungen müssen durch den Toleranzbereich für die Form abgedeckt werden.
 
 
Das Konzept ermöglicht eine Durchmessereinstellung ohne mechanischen Eingriff, wodurch sich die Möglichkeit der Einbindung in einen geschlossenen Regelkreis anbietet. Bild 8
 
Wie im Bild erkennbar, kann das Erwärmen des Kernes und die Kühlung der Armierung getrennt geregelt werden, wodurch im Gegensatz zu anderen am Markt angewandten Prinzipien die Durchmesseränderung nicht zu Lasten der Vorspannung erfolgt. Selbst die Temperatur und/oder die Geometrie des Werkstückes kann erfasst werden um als Führungs- oder Stellgröße für das Werkzeug eingesetzt zu werden. Die Regelparameter ergeben sich aus der in der Simulation ermittelten Empfindlichkeitsmatrix.
 
Bild 8: Geschlossener Regelkreis
 
Die Entwicklung befindet sich zur Zeit bei der Erprobung des Prototypen. Es ist geplant eine komplette Baugruppe anzubieten, die praktisch an jeder Presse nachrüstbar sein soll.
 
Das Werkzeugkonzept und das Verfahren wurde zum Patent angemeldet.