DE112005000334T5

DE112005000334T5 - Verfahren und Werkzeug zum Schmieden in geschlossenem Gesenk

Info

Publication number: DE112005000334T5
Application number: DE112005000334T
Authority: DE
Inventors: Trygve Ruste
Original assignee: Raufoss Tech AS
Current assignee: Raufoss Tech AS
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2007-01-18
Also published as: US20070277579A1; NO20040634D0; NO324165B1; WO2005077565A1; NO20040634L

Abstract

Verfahren zum Schmieden eines Produkts in geschlossenem Gesenk aus einem vorgeformten Rohling aus einem schmiedbaren Material,
gekennzeichnet durch
– Anordnen des Rohlings in einem Presswerkzeug, wobei das Presswerkzeug mehrere Mittel- und Seitenelemente, die den Rohling umgeben, umfasst,
– Schließen des Presswerkzeugs um den Rohling,
– Schmieden des Rohlings bei kurzen horizontalen und vertikalen Bewegungen des Werkzeugs, wodurch große horizontale Bewegungen im Material vermieden werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Schmieden im geschlossenen Gesenk und insbesondere auf das Schmieden von Radaufhängungs-Sicherungselementen aus Aluminium für die Kraftfahrzeugindustrie.

Technischer Hintergrund

Das übliche Verfahren für das Schmieden von Aluminium in geschlossenem Gesenk ist aus dem klassischen Schmieden von Stahl hervorgegangen. Zwei Gesenke sind in einer Presse angebracht und werden vertikal gegeneinander gepresst, wobei sie ihre Form einem Rohling aufprägen, der zwischen ihnen liegt. Jedes Gesenk umfasst ein negatives Halbgepräge in Form des fertig gestellten Produkts, die in das Gesenkmaterial gewalzt ist; die Abmessung des Gepräges ist bezüglich der Temperatur des Rohlings und des Gesenkwerkzeugs korrigiert. Längs des Randes jeder Halbform ist eine Bremsoberfläche gewalzt. Wenn die Gesenkwerkzeuge gegeneinander in die Endposition gepresst werden, bilden diese Bremsoberflächen einen Spalt oder eine Rinne von mindestens 3 mm. Der Schmiedeprozess "knetet" das Material und schafft, wenn er richtig ausgeführt wird, eine hochfeste Aluminiumlegierung mit sehr hoher Dauerfestigkeit. Somit ist das Schmieden insbesondere für stark beanspruchte Komponenten, z. B. für die Radaufhängung eines Fahrzeugs, geeignet.

Der herkömmliche Schmiedeprozess besitzt vier Hauptnachteile:

1. Ein vergleichsweise großer Verbrauch von Materialien (viel Abfall). Der Druck, der aufgebaut wird, um die Werkzeugform zu füllen, wird durch Bremsen des Materials in der Rinne erzeugt. Die Rinne ist in das Gesenkwerkzeug integriert und folgt der Bewegung der Gesenke. Somit bildet die Rinne anfangs einen sehr großen Spalt. Der große Spalt lässt einen einfachen Fluss von Material durch die Rinne zu. Erst am Ende des Presshubs wird ein ausreichender Druck erzeugt, um die Form zu füllen. Ein Abfall von 30 % (Gewicht des Abfallmaterials im Vergleich zum Gewicht des Endprodukts) wird als sehr gutes Ergebnis angesehen.
2. Die Presskraftanforderungen sind hoch. Am Ende des Presshubs muss die große Gesamtarbeitsfläche (die Oberfläche des Produkts sowie die Flächen der Rinnen) mit einem ausreichendem Druck beaufschlagt werden, um zu erreichen, dass das Material aus dem Spalt zwischen den Gesenken fließt.
3. Es sind spezielle Schmierfluide in verhältnismäßig großen Volumina erforderlich. Das Material wird aus der Mitte des Werkzeugs und durch den Bremsspalt/die Bremsrinne mit stetig zunehmendem Druck herausgepresst. Längs der Werkzeugoberflächen treten große horizontale Bewegungen des Materials auf, die mit speziellen Schmierfluiden in verhältnismäßig großen Mengen geschmiert werden müssen.
4. Die Anforderungen an die Zentrierung des Rohlings. Eine Voraussetzung für den Prozess besteht darin, dass das Material in allen Richtungen frei fließen kann. Daher ist es nicht möglich, Anschläge/Orientierungsstifte im Werkzeug anzuordnen. Der Rohling muss daher in der Presse genau, z. B. mit einem Roboter, angeordnet werden.

Kurzzusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Werkzeug für das Schmieden in geschlossenem Gesenk bei geringerem Abfall von Rohmaterialien im Vergleich zu Verfahren des Standes der Technik zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren und ein Werkzeug für das Schmieden in geschlossenem Gesenk zu schaffen, die eine geringere Druckkraft erfordern.

Eine nochmals weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren und ein Werkzeug zum Schmieden in geschlossenem Gesenk zu schaffen, bei denen eine große horizontale Strömung von Material vermieden wird, so dass die Schmieranforderungen weniger streng sind.

Eine nochmals weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren und ein Werkzeug zum Schmieden in geschlossenem Gesenk zu schaffen, bei denen sich der Rohling in der Presse mehr oder weniger selbst zentriert.

Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren und ein Werkzeug gemäß den beigefügten Patentansprüchen. Insbesondere umfasst das Verfahren das Schmieden eines Produkts in geschlossenem Gesenk aus einem vorgeformten Rohling aus schmiedbarem Material durch Anordnen des Rohlings in einem Presswerkzeug, wobei das Presswerkzeug zahlreiche Mittel- und Seitenelemente, die den Rohling umgeben, umfasst, und durch Schließen des Presswerkzeugs auf dem Rohling und durch Schmieden des Rohlings bei kurzen horizontalen und vertikalen Bewegungen des Werkzeugs, wodurch große horizontale Bewegungen im Material vermieden werden.

Das Werkzeug zum Schmieden eines Rohlings in ein Produkt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 umfasst eine Anzahl oberer (21) und unterer (22) Mittelelemente und erste (23, 24) und zweite (25, 26) Seitenelemente, wobei die ersten (23, 24) und zweiten (25, 26) Seitenelemente die oberen (21) und unteren (22) Mittelelemente umgeben, wodurch ein geschlossener Hohlraum in Form des Produkts definiert wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun im Einzelnen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine Darstellung eines herkömmlichen Schmiedeprozesses des Standes der Technik ist, der in vier aufeinander folgenden Schritten dargestellt ist,
2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Schmiedeprozesses ist, der in drei einzelnen Schritten dargestellt ist,
3A-C Einzelheiten des erfindungsgemäßen Schmiedeprozesses zeigen,
4 eine Einzelheit des entsprechenden Prozesses des Schmiedens von Komponenten mit großer Breite zeigt,
5 typische Querschnitte von Komponenten zeigt, die mit dem neuen Prozess bzw. mit dem Prozess des Standes der Technik hergestellt worden sind.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Der herkömmliche Schmiedeprozess des Standes der Technik ist in 1 veranschaulicht. Im ersten Schritt, 1A, wird ein vorgeformter Rohling zwischen den Gesenken einer Presse angeordnet. Wenn eine Kraft ausgeübt wird, 1B, beginnt das Material im Rohling, die Form der Gesenke zu füllen. Ein Teil des Materials fließt horizontal aus dem Gesenkwerkzeug. 1C zeigt, wie dieser Prozess fortgesetzt wird, wenn das Gesenkwerkzeug geschlossen wird. Am Ende des Presshubs, 1D, füllt das Material des Rohlings die Gesenkform vollständig, wobei aus der Rinne ein Rand aus überflüssigem Material übersteht. In einem nachfolgenden Schritt wird dieser Rand entfernt. Die Menge des Materials, die entfernt werden muss, kann gleich dem Gewicht des fertig gestellten Gegenstands sein, d. h. 50 % des Materials im vorgeformten Rohling wird verschwendet.
In dem neuen, erfindungsgemäßen Schmiedeprozess, der in 2A-C veranschaulicht ist, wird ein umkonstruiertes Schmiedewerkzeug verwendet. Das Werkzeug umfasst ein oberes Mittelelement 21 und ein unteres Mittelelement 22 sowie erste Seitenelemente 23, 24 und zweite Seitenelemente 25, 26. Jedes Seitenelement besteht aus einem oberen Teil 23, 25 und aus einem unteren Teil 24, 26. Die Seitenelemente sind mit einer schrägen äußeren Oberfläche versehen. Zwei Presselemente 27 und 28, die daran angepasste schräge Oberflächen besitzen, wirken auf die Seitenelemente. Wenn sich die Presselemente vertikal bewegen, wird ihre Bewegung in eine entsprechende horizontale Bewegung der Seitenelemente überführt. In der horizontalen Ebene folgen die Formen der inneren Oberfläche jedes Seitenelements genau den Formen des oberen und des unteren Mittelelements. Wenn daher die Seitenelemente vollständig zusammengebracht sind, bildet das Werkzeug eine geschlossene Einheit. Die gesamte Baueinheit ruht auf einem Tisch 29.
Anfangs ist der Rohling 20 zwischen den Mittelelementen 21, 22 angeordnet, die den Rohling an seiner Position festklemmen. Dann werden die Seitenelemente 23, 24 und 25, 26 um den Rohling geschlossen. Durch diese Anordnung ist es nicht notwendig, den Rohling mit hoher Genauigkeit anzuordnen, da das Werkzeug selbst den Rohling auf eine korrekte Position ausrichtet, wenn sich die Seitenelemente um ihn schließen.
In dem ersten Schmiedeschritt, 2B, werden die Presselemente 27, 28 nach unten gedrängt, bis sie an dem Tisch 29 anschlagen. Dies hat eine horizontale Bewegung der Seitenelemente zur Folge, wodurch die Enden des Rohlings gestaucht werden. Die Seitenelemente schließen sich gegen die Mittelelemente. Das Material im Rohling wird horizontal von den Enden in die Gesenkform gepresst, die zu etwa 2/3 gefüllt wird.
Synchron zu oder nach dem Ende der horizontalen Bewegung werden die Mittelelemente gegeneinander gedrängt, wodurch Material gepresst wird, bis es den Rest der Form gefüllt hat. Dieser Schritt ist in 2C gezeigt. Aufgrund der geringen Breite der Mittelelemente ist eine verhältnismäßig kleine Presskraft im Vergleich zu dem Schmiedeverfahren des Standes der Technik erforderlich.
In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schmiedeprozesses kann ein kleiner fester Bremsspalt verwendet werden, dessen Größe im Bereich von 0,5–1,0 mm liegt. Der Bremsspalt ist hauptsächlich vorgesehen, damit die Form vollständig gefüllt werden kann und geringe Differenzen beim Volumen des Rohlings berücksichtigt werden können. Die Menge des Abfallmaterials ist vernachlässigbar. Es ist jedoch ein weiterer Schritt erforderlich, um den Rand aus Abfallmaterial zu entfernen.
In der in 3A-C gezeigten Ausführungsform ist der Bremsspalt vollständig weggelassen. Die Figuren zeigen nur eine Einzelheit des Werkzeugs.
In 3A ist das Werkzeug gerade geschlossen worden. Das Seitenelement enthält keine Rinne und ist wie ein stumpfer Keil geformt. Wenn die Kraft ausgeübt wird, gelangt der stumpfe Keil mit dem Rohling in Eingriff; der Rohling wird am Rand gestaucht und beginnt den Hohlraum auf geeignete Weise zu füllen, wie in 3B gezeigt ist. In 3B sind die horizontalen Bewegungen beendet worden. Das Material im Rohling ist am Rand gestaucht worden und füllt nun teilweise den Hohlraum, der durch die Seitenelemente gebildet wird. Durch die Verwendung von Seitenelementen mit dieser besonderen Form ist sichergestellt, dass der Rohling am richtigen Ort gestaucht wird. Andernfalls könnte die Stauchwirkung an irgendeinem Punkt längs des Rohlings, z. B. in der Mitte, beginnen, was verhindern würde, dass das Material den Hohlraum füllt, wie es dies tun sollte.
In 3C sind auch die vertikalen Bewegungen beendet. Das Material des Rohlings füllt nun den Hohlraum nahezu vollständig aus. Es bleiben nur kleine Zwischenräume übrig. Toleranzen hinsichtlich des Volumens des Rohlings werden durch diese Hohlräume berücksichtigt.
Falls die Breite des Produkts etwa 30 mm übersteigt, müssen die Mittelelemente in mehrere Unterelemente unterteilt werden, wie in 4 gezeigt ist. Somit bildet der Mittelteil des Produkts Rippen oder ein Bienenwabenmuster, um ein ausreichendes "Kneten" ohne große horizontale Bewegungen des Materials während des zweiten Schrittes des Schmiedeprozesses zu erzielen. Die Figur zeigt eine Einzelheit des fertig gestellten Produkts.
In 5 sind typische Abschnitte einer breiten Komponente gezeigt, die in Übereinstimmung mit dem herkömmlichen Verfahren (rechts; Rand aus Abfallmaterial entfernt) bzw. in Übereinstimmung mit dem neuen, erfindungsgemäßen Verfahren (links) geschmiedet worden sind.
Zusammenfassung
Es wird ein Presswerkzeug zum Schmieden eines Rohlings in geschlossenem Gesenk in ein Produkt beschrieben. Das Werkzeug enthält obere und untere Mittelelemente 21, 22 sowie erste (23, 24) und zweite (25, 26) Seitenelemente. Die Elemente definieren einen Hohlraum mit der Form des Produkts. In einem zweistufigen Schmiedeprozess in geschlossenem Gesenk wird der Rohling 20 zwischen den oberen und unteren Mittelelementen (21, 22) angeordnet. Die ersten (23, 24) und zweiten (25, 26) Seitenelemente werden gegen den Rohling 20 gedrängt, wodurch die Außenkanten des Rohlings horizontal gestaucht werden. Dann werden die Mittelelemente vertikal in den Rohling gedrängt, bis das Material im Rohling den Hohlraum im Wesentlichen gefüllt hat.

Claims

Verfahren zum Schmieden eines Produkts in geschlossenem Gesenk aus einem vorgeformten Rohling aus einem schmiedbaren Material, gekennzeichnet durch – Anordnen des Rohlings in einem Presswerkzeug, wobei das Presswerkzeug mehrere Mittel- und Seitenelemente, die den Rohling umgeben, umfasst, – Schließen des Presswerkzeugs um den Rohling, – Schmieden des Rohlings bei kurzen horizontalen und vertikalen Bewegungen des Werkzeugs, wodurch große horizontale Bewegungen im Material vermieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Presswerkzeug in zwei kontinuierlichen, aufeinander folgenden Schritten geschlossen wird: – vertikales Festklemmen des Rohlings zwischen einem oberen und einem unteren Mittelelement, – horizontales Bewegen erster und zweiter Seitenelemente synchron zu den Mittelelementen, wodurch der Rohling im Presswerkzeug zentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmieden umfasst: – Stauchen der äußeren Teile des Rohlings mit dem ersten und dem zweiten Seitenelement in der Fortsetzung der horizontalen Bewegung, – Drängen des oberen und des unteren Mittelelements in den Rohling, bis das Material des Rohlings einen durch die Mittel- und Seitenelemente definierten Hohlraum füllt.
Werkzeug zum Schmieden eines Rohlings in ein Produkt mit dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine Anzahl oberer (21) und unterer (22) Mittelelemente sowie erste (23, 24) und zweite (25, 26) Seitenelemente umfasst, wobei die ersten (23, 24) und zweiten (25, 26) Seitenelemente die oberen (21) und unteren (22) Mittelelemente umgeben und einen Hohlraum in Form des Produkts definieren.
Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (23, 24) und zweiten (25, 26) Seitenelemente schräge äußere Oberflächen besitzen, wobei mehrere Presselemente (27, 28) mit daran angepassten inneren Oberflächen auf die ersten (23, 24) und zweiten (25, 26) Seitenelemente wirken, um die ersten (23, 24) und zweiten (25, 26) Seitenelemente gegeneinander zu drängen.
Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (23, 24) und zweiten (25, 26) Seitenelemente obere Teile (23, 25) und untere Teile (24, 26) umfassen.
Werkzeug nach Anspruch 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (23, 24) und zweiten (25, 26) Seitenelemente Bremsoberflächen aufweisen, die eine Rinne bilden.
Werkzeug nach Anspruch 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (23, 24) und zweiten (25, 26) Seitenelemente in den inneren Abschnitten als stumpfe Keile geformt sind, die mit dem Rohling in Eingriff gelangen.