
Eine typische Werkzeugmaschine für spanlose Formung (Gesenkschmiedeausrüstung) besteht aus drei Hauptmechanismen: einem Motor, einem Übertragungsmechanismus und einem Stellmechanismus. Der Motor und der Übertragungsmechanismus bezeichnet man mit dem Begriff „Antrieb der Maschine“.
Allgemeine Klassifizierung von Werkzeugmaschinen für spanlose Formung (Gesenkschmiedeausrüstung) beruht auf den kennzeichnenden Merkmalen der Hauptmechanismen.
Die Hauptcharakteristik eines Übertragungsmechanismus wird durch einen Verbindungsweg eines Stellmechanismus mit einem Motor bestimmt: eine feste mechanische Verbindung oder flexible Verbindung durch einen Arbeitsstoff (Dampf, Gas, Flüssigkeit, elektromagnetisches Feld). Die Umformung einer kinetischen oder einer potenziellen Energie in die Arbeit der plastischen Umformung erfolgt durch die Bewegungen von Arbeitsorganen (Stempel, Wippe, Traverse, Schlagbär, Walzen, Rollen usw.).
Man unterscheidet zwischen einer Einverfahrens- und einer Mehrverfahrenstechnologie bei der Herstellung von Schmiede- und Stanzteilen. Bei einer Einverfahrensbearbeitung sind die physikalischen und mechanischen Prozesse in jedem nachfolgenden Operationsschritt identisch, bei einer Mehrverfahrensbearbeitung gibt es keine Identität.
Derzeitige Schmiede- und Stanz-Technologie beinhaltet das Schmieden, das Massivumformen (Warm- und Kaltverfahren), das Blechstanzen (Warm- und Kaltverfahren), die Aufarbeitung und das Trennen des Ausgangsmaterials. In diesem Zusammenhang kann eine Werkzeugmaschine für spanlose Formung einem oder einem anderen verfahrenstechnischen Typ zugeschrieben werden. Die Klassifizierung der Werkzeugmaschinen für spanlose Formung ist auf dem nachfolgenden Bild aufgeführt.
Nach verfahrenstechnischen Kriterien werden die Werkzeugmaschinen für spanlose Formung in drei Gruppen unterteilt: Universalmaschinen (für allgemeine Anwendung), Einzweckmaschinen und Spezialmaschinen. Die Maschinen der ersten Gruppe kommen bei der Ausführung von mehreren standardmäßigen Operationen zum Einsatz. Zum Beispiel, mit einer hydraulischen Schmiedepresse kann man jede Schmiedeoperation ausführen. Die Maschinen der zweiten Gruppe sind nach der Technologieart unifiziert, zum Beispiel, eine Kurbelziehpresse. Die Maschinen der dritten Gruppe werden nicht nur nach einer Technologieart, sondern auch nach einer Produktart klassifiziert.
Für eine Werkzeugmaschine für spanlose Formung (Schmiede- und Pressausrüstung) sind die Abmessungs-, Linear-, Geschwindigkeits-, Energie- und Gewichtsparameter kennzeichnend. Als Hauptparameter der Pressenausrüstung gilt, zum Beispiel, ein nominaler Wert der Druckkraft PN.
Die Linearparameter können den verfahrenstechnischen Parametern (wie Befestigung eines Werkzeugs und seiner Elemente) zugeschrieben werden und kennzeichnen eine technologische Zielsetzung einer Maschine. Zu den technologischen Linearparametern gehören die betrieblichen Raumabmessungen und der Arbeitshub oder der Schritt des Arbeitsorgans einer Maschine, deswegen sind sie für die Festlegung der Grobabmessungen eines Werkzeuges, eines Werkstücks und eines zu fertigenden Erzeugnisses bestimmend.
Als ein Geschwindigkeitsparameter für identische Maschinen gilt die Leerlaufdrehzahl eines Werkzeuges pro Minute.
Die Energieparameter sind durch einen Motor, einen Medienträger oder durch ein Werkzeug der Maschine charakterisiert. Die Parameter können vorgegeben werden, zum Beispiel, der Luftdruck oder der Dampfdruck für den Antrieb von Dampfluftschmiedehämmern, oder berechnet werden, wie die Leistung eines E-Motors oder das Drehmoment eines Schwungrads.
Die Funktion von mechanischen Pressen basiert auf der Umwandlung von Drehbewegungen eines Antriebs in eine Linearbewegung eines Stößels in einem Werkzeug oder einer Maschine. Die Umwandlung der Energie von Antriebsdrehbewegungen in eine Metallumformungsenergie ist durch die vorhandenen steifen kinematischen Verbindungen zwischen den Bauteilen, zum Beispiel, einer Kurbelpresse bedingt.
Die Hauptbauteile von mechanischen Pressen sind folgende:
In den hydraulischen Pressen verschiebt der Kolben des Hauptzylinders mittels Druck einer Flüssigkeit, die zugleich als Energieträger oder Medienträger gilt, den Pressenstößel, der eine Bewegung bis zum Anschlag macht, und das zu pressende Werkstück wird auf dem Tisch zusammengedrückt und plastisch umgeformt.
Um den Wiederstand eines Werkstücks bei ihrer Umformung zu überwinden, wird in die Arbeitszylinder der hydraulischen Pressen eine Hochdruckflüssigkeit eingeführt (bis 32 MPa und mehr). Kinematische Energie der hin- und hergehenden Bewegungen der beweglichen Pressenteile ist im Vergleich zu der potenziellen Energie der Flüssigkeit sehr gering, deswegen gehören die hydraulischen Pressen zu den Maschinen der quasistatischen Prozesse.
Zu den Hauptbaugruppen der hydraulischen Pressen gehören:
Eine pneumatische zum Massivumformen dienende Presse mit einer Querwelle findet beim Warmstanzen von Erzeugnissen aus Kupfer, Alu-Legierungen und von Kleinteilen der Ausrüstung eine breite Anwendung.
Den Vorteilen der pneumatischen Pressen kann man zuschreiben:
Doppelkurbel-Kalibrierpressen sind für das Warmkalibrieren und für das Richten von großen Schmiedestücken (mit ausgezogener Achse) in einer Einlagen- oder einer Zweilagenkalibriereinheit bestimmt.
Den Vorteilen dieser Pressen kann man zuschreiben:
Die Pressen sind für die Ausführung von verschiedenen Operationen im Blechstanzen der kaltgeformten Werkstücke vorgesehen: Ausstanzen, Lochen, Biegen, einfaches Ziehen usw. Sie finden in jedem Betriebsart breite Anwendung: Kleinserienproduktion, Serienproduktion, Massenproduktion.
Den Vorteilen dieser Pressen kann man zuschreiben:
Die Pressen sind für die Ausführung von verschiedenen Operationen im Warmstanzen von Zahnrädern, Flanschen, Wellen u.a. vorgesehen. Sie finden in jedem Betriebsart breite Anwendung: Kleinserienproduktion, Serienproduktion, Massenproduktion.
Den Vorteilen dieser Pressen kann man zuschreiben:
Diese Pressen sind in der Regel die Kolbenpressen und sind mit Doppelführungen ausgerüstet; dies trägt zu einer erhöhten Steifigkeit beim Weg des Stößels und der Genauigkeit der zu stanzenden Erzeugnisse bei.
Die Pressen kommen bei der Ausführung folgender Operationen zum Einsatz: Schneiden, Ausstanzen, Besäumen, Lochen, Ziehen, Biegen.
Den Vorteilen dieser Pressen kann man zuschreiben:
Diese hydraulischen Pressen sind für ein präzises Tiefziehen von Metallblechen. Ihre Konstruktionen sind für Nennkräfte von 10 bis 3000 Tonnen ausgelegt, die Maschine weist eine hohe Effektivität und hohe Präzision auf.
Diese Hydraulikpressen haben folgende Vorteile:
Der Antrieb von Schmiedewalzen beinhaltet einen elektrischen Motor, einen Keilriementrieb, ein Getriebe und einen Spindeltrieb.
Eine Schmiedemaschine dient zur Bearbeitung eines Handinstrumentes, der Fahrradteile, der Autoteile und der Teile anderer Verkehrsmittel.
Die Besonderheiten der Ausrüstung sind folgende:
Zu den Hauptrichtungen der Reparatur- und Wiederherstellungsarbeiten und der Modernisierung gehören:
Zum Blechstanzen werden die Metallbleche mit einer Schere vorläufig auf die benötigten Längen abgelängt. Die Haupttypen von Scheren sind: eine Schere mit parallel laufenden Messern; eine Schere mit schräg angeordneten Messern; eine Nibbelschere. Der erste Scherentyp kommt zum Schneiden von schmalen und dicken Bändern und von Nichtmetallen zum Einsatz. Die Schopfschere mit schräg stehenden Messern (Guillotine) ist zum Schneiden von Metallblechen bestimmt. Die Scheibenschere oder Kreismesserschere wird zum Schneiden der Metallbunde und zum Besäumen der Bänder eingesetzt. Die Nibbelschere eignet sich für die Fertigung von kurvenförmigen Einzelwerkstücken.
Beim Schneiden eines Werkstücks von einer Dicke S0 wirken auf das Werkstück das untere und das obere Messer, wobei eine Kraft P auf das Werkstück ausgeübt wird. Mit einem zwischen dem Kräftepaar gebildeten Moment beginnt das Werkstück sich zu drehen und drück auf die Seitenfläche der Messer, wodurch eine seitliche Druckkraft Т entsteht. Das Obermesser dringt in das Werkstück mit einem bestimmten Wert h ein, es werden die unter einem Winkel 0° zu der vertikalen Fläche gerichteten Scherrisse gebildet. Wenn der Spalt z=(0,05-0,10)S0 richtig eingestellt wurde, dann fallen die Scherrisse an den Seiten des oberen und des unteren Messers zusammen und bilden eine Trennungsfläche. Die Eindringungstiefe der Messer kann man mit einem Formel h=yS0 ermitteln, wobei у=F0/Fm ein bei den Zugversuchen ermittelter Wert der Brucheinschnürung ist; F0, Fm – sind der Anfangsquerschnitt und die Querschnittsfläche des Körpers bei der Halsbildung (Einschnürung). Die Eindringungstiefe h schwankt von 0,1 bis 0,5 der Werkstückstärke, solange die Scherrisse nicht gebildet werden, und vergrößert sich mit der Zunahme der Metallplastizität.
Die Hauptoperationen im Stanzschneiden von Metallen sind das Ausschneiden und das Stanzlochen. Diese Prozesse kann man als Trennung eines Werkstückteils von einem anderen Teil in einem geschlossenen Stromkreis mit einem Schneidstempel und einer Matrize bezeichnen. Beim Ausschneiden gehört ein in der Matrize bleibender Werkstückteil zum Abfall, beim Stanzlochen ist der gleiche Körperteil jedoch ein Detail.
Genauso, wie beim Schneiden mit einer Schere, besteht das Stanzschneiden aus drei Etappen: elastische Stufe, plastische Stufe und die Bildung von Scherrissen. Dabei erfolgt eine elastische Biegung mit dem Eindrücken am Randbereich an der Seite der Matrize und des Schneidstempels, ein Biegungsmoment (Ausbiegen) und die Risse bilden sich an der Seite der Matrize und des Schneidstempels.
Eine Besonderheit des Spannungs- und Deformationszustandes besteht darin, dass während des Umformprozesses sich einige charakteristische Zonen mit unterschiedlichen Spannungs- und Deformationszuständen in verschiedenen Bereichen des zu umformenden Bauteils entwickeln. Direkt unter der Stempelschneide wird ein Spannungszustand bei einer Umfangspressung erzeugt, unter der Schneidkante der Matrize wird jedoch ein Spannungszustand mit den Spannungen der Radialausdehnung gebildet. Der erste Fall ist für einen plastischen Metallfluss günstiger, der zweite Fall ist nicht so günstig und fördert die Bildung von Mikrorissen im Schnittbereich. In der Mitte des Bauteils ist die Kurve eines Spannungszustands flach, die axialen Druckspannungen fehlen.
Einen großen Einfluss auf eine Formänderung des Metalls und die energetischen Werte übt die Auswahl eines Spaltes z aus. Bei einem optimalen Spalt z=(5 -10%)S0 fallen die Schubflächen und die Risse von der Stempelseite mit den entsprechenden Rissen von der Seite der Matrize zusammen. Bei einem kleineren Spalt und einer großem Metalldicke entsteht ein Zwischenraum, weil die Risse nicht zusammenfallen. Dieser Zwischenraum wird mit der Entstehung von neuen Scherrissen zugedeckt (überbrückt), am Bauteil entstehen ein Anriss und ein Doppelschnitt mit einem gezogenen Grat.
Im Falle eines zu großen Spaltes entstehen auf der Oberfläche gerissene Grate infolge des Einzugs und des Metallrisses in dem Spalt. Die ganze Umformungskraft beim Ausschneiden (Lochen) kann nach folgender Formel ermittelt werden:
P=k·LA·S0·σср+Q,
wobei LA – der Perimeter der Kontur eines Bauteiles ist; Q – Andrückkraft ist.
Für eine Presskraft wird ein größerer Wert angenommen, unter Berücksichtigung davon, dass ein Bauteil durch eine Matrize mit einer bestimmten Kraft РD durchgestoßen wird oder das Band mit einer Kraft РA vom Stempel abgezogen wird.
Das Biegen ist eine verfahrenstechnische Operation des Blechstanzens, bei der aus einem flachen Werkstück mittels Stanzen ein gebogenes räumliches Teil erzeugt wird. Es werden einfaches freies Biegen (Schwenkbiegen), die U-Biegung, das Gesenkbiegen, das Umbördeln und das Rollbiegen unterschieden.
Die Ausßenschichten (an der Seite der Matrize) werden in der Längsrichtung ausgedehnt und verlängert und in Querrichtungen gepresst. Zwischen den verlängerten und verkürzten Schichten befindet sich eine neutrale Schicht. Diese neutrale Schicht kann man als eine gekrümmte Oberfläche bezeichnen, durch die die Schichten zwischen gepressten und ausgedehnten Fasern getrennt werden. Der Radius der neutralen Schicht kann nach folgender Formel bestimmt werden:
ρi=kα(Ri+rB)/2,
wobei kα – ein Reckgrad ist.
Das Ziehen ist eine verfahrenstechnische Operation des Blechstanzens, die in der Erzeugung eines oben offenen Hohlproduktes mit einer geschlossenen Kontur aus einem flachen oder einem hohlen Werkstück besteht. Nach der geometrischen Form der zu erzeugenden Bauteile unterscheidet man die Ziehteile achssymmetrischer Form, die Ziehteile in Kastenform und in unsymmetrischer Form. Außerdem wird das Ziehen unterteilt: in das Ziehen mit einer Andrückvorrichtung und ohne Andrückvorrichtung, mit dem Aufziehen und ohne Aufziehen.
Ziehkraft
Zur Ermittlung einer Ziehkraft ist es empfehlenswert, die allgemein gültige Formel zu verwenden:
Р=L·S·σρmax·k,
wobei L – der Perimeter des Bauteils ist; S – die Dicke; к – der Faktor, der die Form des Teils berücksichtigt; σρmax – maximale Radialkraft.
Da es kompliziert ist, die Besonderheiten des Ziehvorganges der Erzeugnisse unterschiedlicher geometriescher Form für alle Fälle in Betracht zu ziehen, wird es angeboten, zur Ermittlung einer Ziehkraft die Erfahrungsbeiwerte ausgehend von den Produktions- und Versuchsangaben einzusetzen. Zum Beispiel, für zylindrische Teile mit einem breiten Flansch wird die zusammengefasste Formel so aussehen:
Р= π d·S·σ·k,
wobei σ – die Zugfestigkeit des Metalls ist.
Bei der Berechnung der Ziehkraft von hohen quadratischen Kästen empfiehlt sich bei den ersten Operationen die letzte Formel anzuwenden, bei den letzten Operationen ist folgende Abhängigkeit anwendbar:
P=(4B-1,72rK)·S·σ·kb,
wobei В und rK – die Breite und der Radius von Eckausrundungen des Kastens sind; кв - der Beiwert ist.
Zu den Hauptoperationen der Blechumformung, durch die die Form eines Werkstücks mittels lokalen Verformungen geändert wird, gehören das Umprägen (Umformung von Versteifungsrippen und lokalen Vorsätzen), die Umbördelung, die Stauchung und das Ausweiten.
Das Umprägen ist eine Operation des Blechstanzens, die zur Erzeugung von Teilen mit einem konvex-konkaven Relief mittels lokalen Zugverformungen dient. Auf solche Art erhält man die Prägemuster, die Versteifungsrippen, die die gesamte Metallsteifigkeit um 100-200 % erhöhen, die Federung reduzieren (Erhöhung der Genauigkeit), die Verringerung der erforderlichen Metalldicke ermöglichen.
Die Umbördelung gehört zu den Operationen, die die Aushalsung in einem flachen oder räumlichen Bauteil ermöglichen. Dies erfolgt durch das Tangentialstreckziehen mittels Eindrücken des Werkstückteils (mit einem vorgefertigten Loch) in die Aussparung der Matrize. Es gibt zwei Arten dieser Operation: die Ausbördeln (Innenaushalsung) und die Außenbördelung der Außenform.
Die Stauchung ist eine Operation der Blechumformung, die zur Verringerung der Querschnittabmessungen der Randflächen von zylindrischen Hohlteilen dient. Die Operationen werden zur Fertigung solcher Teile eingesetzt, wie Mündungen und Patronenhülsen, und kommen in der Regel mit der Anwendung von Schmierungsstoffen zum Einsatz.
Als vielfältige Operationen kann man die Stauchung von Rohrquerschnitten (die Reduktion in den Rotations-Reduziermaschinen) und die Stauchung von Hohlteilen nennen, die durch eine vertikale Presskraft auf den mechanischen Pressen erfolgt.
Bei der Metallumformung bei Stauchung in einer kegelförmigen Matrize kann man vier Umformungsstufen ausgliedern: das Vorbiegen, die Umformung im kegelförmigen Bereich der Matrize durch die Reibungskräfte, die Freibiegung, die Verflachung der Werkstückteile. Als eine Besonderheit eines Spannungszustandes muss man bezeichnen, dass die Kurve eines Spannungszustandes eher flach ist (mit Wirkung von zwei Druckspannungen in radialen σρ und tangentialen σθ Richtungen). Maximale Druckspannungen σρmax, die durch die Einstoßkräfte erzeugt werden, wirken in einem nicht umgeformten Teil. Hiermit wird die Formänderung durch einen möglichen Stabilitätsverlust in diesem Werksstückteil mit der Bildung von Ringwellen (Falten) begrenzt.
Um die oben genannten Defekte zu vermeiden, ist ein richtiger Umformungsgrad bei Stauchung (Pressung) (mоб=d/D) zu wählen und sein Vergleich mit einem Grenzwert mоб durchzuführen. Der berechnete Faktor darf dabei einen minimal zulässigen Grad nicht überschreiten, der von der Materialsorte, der relativen Dicke, den Friktionsvoraussetzungen beim Kontakt des Werkstücks mit einem Werkzeug und dem Kegelwinkel (Neigungswinkel) der Matrize abhängig ist. Die Presskraft kann nach unten angegebener Formel ermittelt werden:
Р = π D·S0·σ·kоб ,
wobei kоб – der Faktor ist, der von einem Stauchfaktor abhängig ist.
Die Ausweitung (die Spreizung) ist eine Blechumformungsoperation, die zur Ausweitung des Kantenbereichs eines zylindrischen Hohlwerkstücks geeignet ist.
Die Abarten dieser Operation sind die Ausweitung mit einem konischen Stempel, mit einem Gummistempel und die Ausweitung mit einer Flüssigkeit (hydraulische Ausweitung).
Der Umformungsgrad wird mit dem Ausweitungsfaktor begewertet:
mр=d/D
Auf einen Reckgrad wirkt die Kurve des Spannungszustands. Dabei erhöhen sich die radialen Spannungen σρ mit der Ausweitung von den Kanten des Werkstücks. Da sie die Druckspannungen sind, fördern sie die Verringerung des Reckgrades. Die Tangentialspannungen sind Zugspannungen und fördern eine Reckung. Die radialen Spannungen können bei kleinerem Reckgrad zu den Stabilitätsverlusten und zur Bildung von Querringwellen in einem nicht umgeformten Teil des Werkstücks führen. Die Tangentialspannungen führen bei gleichen Voraussetzungen zu den Brüchen und zu den Rißbildungen in Längsrichtung. In diesem Zusammenhang muss man nicht nur der Ausweitungsfaktor von Schritt zu Schritt, sondern auch den Kegelwinkel des Stempels in einem optimalen Bereich a = 15° - 25° richtig wählen.
Die Spreizkraft wird nach folgender Formel berechnet:
Р=π d·S·σ·kр,
wobei kр - der Faktor ist, der von einem Spreizfaktor abhängig ist.
Technologische Schmiedeprozesse beinhalten eine Reihe von einfachen und komplizierten Elementen: die Aufheizung des Werkstücks, formändernde Operationen, Abschlussoperationen, Wärmebehandlung.
Zu den Hauptschmiedeoperationen gehören das Absetzen, das Treiben und das Lochen.
Das Absetzen ist eine der besonders verbreiteten Schmiedeoperationen. Sie hat folgende Abarten: Absetzen mit Ringplatten, das bei der Bearbeitung von großen Mustern eingesetzt wird; Stauchen, bei dem nur ein Teil des Körpers abgesetzt wird oder entlang des Durchmessers gewalzt wird, um die Balligkeit nach dem Absetzen zu vermeiden.
Das Treiben mit den flachen Amboßkernen kann in unterschiedlicher Weise abhängig von der Form eines Werkzeugs und der Bestimmung eines Schmiedestücks eingesetzt werden. So gibt es das Treiben mit den Spitzsatteln, mit kombinierten Amboßkernen, das Auswalzen auf einem Aufnahmedorn (bei dem der Innen- und Außendurchmesser des Werkstücks durch die Verringerung der Werkstückwand vergrößert wird), das Lochen auf einem Aufnahmedorn, die bei der Verlängerung von dickwandigen Rohlingen eingesetzt wird.
Die Abarten von Ansetzen
Das Absetzen ist eine Schmiedeoperation, die zur Vergrößerung des Querschnitts eines Werkstücks durch die Verringerung dessen Höhe verwendet wird. Es kommt als eine (formändernde) Hauptoperation zur Erzeugung der Schmiedestücke vorgegebener Form und Abmessungen, als eine Zusatzoperation zur Vergrößerung des allgemeinen Umformgrades beim Abbau des Gussgefüges, der Anisotropie von Eigenschaften und zur Gewährleistung der gewünschten Faseranordnung in einem zu bearbeitenden Werkstück und als eine Hilfsoperation zur Bestimmung der Fließcharakteristiken von Metallen und Legierungen zum Einsatz.
Treiben und seine Abarten
Das Treiben ist eine Schmiedeoperation, bei der das Werkstück oder ein Teil des Werkstücks durch die Verringerung seines Querschnitts verlängert wird. Das Treiben wird als eine formändernde Operation zur Erzeugung der Schmiedestücke vorgegebener Form und Abmessungen und als eine Hilfsoperation zur Beseitigung von inneren Hohlräumen und zur Verbesserung von mechanischen Eigenschaften durch den Abbau des Gussgefüges eingesetzt.
Das Lochen ist eine Schmiedeoperation, bei der die Sacklöcher oder durchgehende Aussparungen gemacht werden. Beim Einsatz von verschiedenen Arten des Lochens ist die Formänderung des Metalls immer unterschiedlich.
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