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Das Verfahren des Thixo-Schmiedens lässt sich in vier Teilschritte unterteilen:

  1. Vormaterial-Herstellung
  2. Wiedererwärmung
  3. Umformung
  4. Wärmebehandlung der Bauteile



Thixo-Schmieden unterschiedet vom Thixo-Gießen hauptsächlich durch die eingesetzten Formgebungsmaschinen mit entsprechend anderen Werkzeugkonzepten. So wird das Thixo-Schmieden auf hydraulischen Hochgeschwindigkeitspressen durchgeführt, wohingegen das Thixo-Gießen auf leicht modifizierten Druckgussmaschinen durchgeführt wird. Während die auf Temperaturen oberhalb der Solidustemperatur erwärmten Rohteile (Slurrys) beim Thixo-Gießen in die Gießkammer eingelegt werden, werden Sie beim Thixo-Schmieden grundsätzlich direkt in die untere Formhälfte eingelegt.



Daher sind beim Thixo-Schmieden im Vergleich zum Thixo-Gießen deutlich kürzere Fließwege des Werkstoffs zu verzeichnen. Dies ermöglicht die Umformung von Werkstoffen mit höheren Festphasenanteilen.


Thixo-Schmieden im geschlossenen Gesenk (Thixo-Querfließpressen)

Bei der Verfahrensauslegung sind folgende Eigenschaften des Schmiedens im geschlossenen Gesenk zu berücksichtigen:

  • die Umformung beginnt erst bei geschlossenem Werkzeug
  • zweifachwirkende Presse bzw. Schließwerkzeug notwendig
  • einfache Werkzeugteilung
  • Positionierung der Gesenkhälften notwendig
  • meist kreisförmiger Gratspalt am Einpresskolben
  • mechanisch und hydraulisch betätigte Schieber einsetzbar
  • konstante Fließquerschnitte
  • hohe Strömungsgeschwindigkeiten
  • Nachverdichtung erfolgt nur über Presskolbenfläche
  • hohe Schließkräfte notwendig

Thixo-Schmieden im offenen Gesenk

Das Thixo-Schmieden im offenen Gesenk unterscheidet sich sowohl hinsichtlich der Formfüllung als auch in Hinsicht auf die Werkzeuggestaltung vom Schmieden im geschlossenen Gesenk.

  • Umformung während der Schließbewegung
  • einfachwirkende Presse
  • komplizierter Verlauf des Gratspalts
  • tiefe Gravuren im unteren Gesenk
  • genaue Führung von oberem zu unterem Gesenk erforderlich
  • nur hydraulisch betätigte Schieber einsetzbar
  • Fließquerschnitte verengen sich kontinuierlich
  • gegen Ende der Umformung hohe Strömungsgeschwindigkeiten
  • Nachverdichtung erfolgt nur über gesamte Presskolbenfläche

Die Entscheidung, nach welchem Verfahren ein bestimmtes Bauteil gefertigt wird, hängt vor allem davon ab, wie das Rohteil in der Gravur platziert werden kann, welche Fließwege auftreten und welche Form die entstehende Schließfläche (Gratspalt) aufweist. Weiterhin muss berücksichtigt werden, dass die Schließkraft beim Schmieden im geschlossenen Gesenk ein mehrfaches der Stempelkraft betragen kann.

1. Vormaterial-Herstellung

Grundlage der Thixoforming-Verfahren sind die Viskositätseigenschaften bestimmter Legierungen im Temperaturbereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur. Es lassen sich nur solche Werkstoffe verarbeiten, die nach der Wiedererwärmung aus einem feinkörnigen, globularen Festphasenskelet, eingebettet in eine schmelzflüssige Matrix, bestehen.

Es ist (vor allem bei Aluminiumlegierungen) eine spezielle Behandlung des Vormaterials notwendig, um die gewünschte globulare Gefügestruktur nach der Wiedererwärmung zu erreichen. Das nachfolgende Bild zeigt anhand der Legierung A356 beispielhaft die Unterschiede zwischen dem konventionell erstarrtem Werkstoff (dendritisch) und elektromagnetisch gerührtem Werkstoff.

Die Gefügestruktur des Vormaterials für das Thixo-Schmieden kann auf folgende Arten eingestellt werden:

* elektromagnetisches Rühren beim Strangguss (MHD)
* chemische Kornfeinung
* Thermomechanische Behandlung (mod. SIMA-Prozess)
* mechanisches Rühren beim Strangguss
* Einleitung von Ultraschallschwingungen
* Pulvermetallurgie (insbesondere Sprühkompaktieren)

Ziel der Rohteilerwärmung vor der Umformung durch Thixoformingverfahren ist das Aufschmelzen eines homogen über den gesamten Rohteilquerschnitt verteilten Flüssigphasenanteils in Höhe von ca. 25-50%. Durch ein möglichst großes Temperaturintervall lässt sich dies erreichen. Anhand des Zustandsdiagramms der entsprechenden Werkstoffgruppen können hierzu erste Aussagen getroffen werden.

Die Legierung AlSi7Mg (A356 / A375) verfügt über einen Anteil von ca. 40% eutektischer Phase. Diese schmilzt bei einer festen Temperatur von ca. 574°C. Die dann noch fetsen primären Aluminiummischkristalle schmelzen dann im Temperaturbereich von 574-614°C. Die Legierung AlMgSi1 (AA 6082) hingegen besitzt über keine eutektischen Phasenanteile. Der Werkstoff besteht bei Raumtemperatur vollständig aus Alpha-Mischkristallen. Über die Beziehung der Hebelarme lassen sich für den Gleichgewichtszustand die Phasenanteile bei bestimmten Temperaturen bestimmen. Geeignete Werkstoffe bestehen am Ende der Erwärmung aus einem Festphasenskelett, eingebettet in eine schmelzflüssige Matrix. Das bedeutet, dass die noch festen globular eingeformten Kristalle mit benachbarten Kristallen an kleinen Stellen verbunden sind (Contiguität). Dadurch besitzt das erwärmte Rohteil eine noch ausreichende Formstabilität um die zylindrische Form zu behalten. Dies verhindert durch den, im Vergleich mit vollständig flüssigen Metallen, deutlich geringeren Wärmeübergangskoeffizient zum Behälter bzw. zur Auflage und zum Werkzeug das vorzeitige Erstarren des Rohteils. Wird das Rohteil umgeformt, d.h. kommt es zu einer Scherbeanspruchung, so brechen diese Verbindungen zwischen den festen Gefügebestandteilen auf, so dass die Fließspannung bzw. die Viskosität stark abnehmen. Es kommt zu einer Fließbewegung einzelner oder auch mehrerer noch zusammenhängender Körner in der schmelzflüssigen Matrix. Dies ermöglicht die Realisierung großer Formänderungen und die Herstellung geometrisch komplexer Werkstücke. Eine Auswahl der Werkstoffe die am Institut für Umformtechnik schon umgeformt wurden zeigt das nachfolgende Bild.



Anlagen

Thixo-Schmieden

Die umfangreichen, am IFU vorhandenen Anlagen zum Thixo-Schmieden erlauben die Herstellung eines großen Bauteilspektrums. Für Grundlagenuntersuchungen steht ein 500kN-Stauchplastometer mit einer max. Stößelgeschwindigkeit von 600mm/s zur Verfügung. Dieses ist ausgestattet mit einer 40kHz-Induktionsanlage zur Erwärmung kleinerer Rohteile bis ca. 200g. Zur Herstellung von Demonstrations- und Prototypteilen steht eine vollautomatisierte Thixo-Schmiedezelle zur Verfügung. Die Presse bestitz eine Stößelkraft von 4.500kN und eine geteuerte Stößelgeschwindigkeit von max. 800mm/s. Zur Erwärmung der Rohteile sind zwei baugleiche Induktionsanlagen der Fa. KUKA vorhanden. Diese haben eine Anschlussleistung von 60kW und eine einstellbare Induktionsfrequenz von 1.000 - 4.000Hz. Zum Rohteilhandling dienen zwei Knickarmroboter. Mit dieser Anlage ist es, abhängig vom Rohteilgewicht, bzw. von der Bauteilgröße möglich, Taktzeiten von ca. 30sec. zu erreichen.

Layout der Thixo-Schmiedezelle

Erwärmung

Die Erwärmung der Rohteile ist ein wesentlicher Prozessschritt beim Thixo-Schmieden. Die Erwärmung verfolgt folgende Ziele:

* Aufschmelzen eines definierten Flüssigphasenanteils fL
* homogener Flüssigphasenanteil über Rohteilradius und Rohteilhöhe => Temperaturfenster ± 2°C
* Verhinderung von Kornwachstum =>möglichst schnelle Erwärmung


Anlagentechnik

Daher werden im den weitaus häufigsten Fällen induktive Erwärmungsanlagen eingesetzt. Diese sollten neben einer einstellbaren bzw. regelbaren Induktionsleistung auch eine Anpassung der Induktionsfrequenz ermöglichen. Die am IFU eingesetzten 60kW-Anlagen haben folgenden schematischen Aufbau:

Die Netzspannung wird über den Netzgleichrichter im Gleichstromzwischenkreis in eine Kondensatorbatterie gespeist. Durch einen gesteuerten Thyristorwechselrichter wird eine Rechteckspannung generiert, die nach einer Umsetzung im MF-Transformator an die Induktionsspule angelegt wird. Die Anlagen haben eine Anschlussleistung von 60kW und eine in das Rohteil induzierte Leistung von max.ca. 35kW. Die Induktionsfrequenz ist im Bereich von 1.000 - 4.000Hz frei programmierbar. Durch eine sog. Pulsweitenmodulation (PWM) ist es möglich, die Induktionsleistung bei konstanter Frequenz zu verändern. Dabei wird die Dauer der Impulse in 255 Schritten variiert. Das folgende Bild zeigt die Auswirkung einer PWM von 254 bzw. 128 auf den Verlauf der Spulenspannung.

Die Transformatoren und Spulen beiderAnlagen sind in einem Gestell montiert. Das Ein- und Ausfahren der Rohteile aus der Spule wird durch zwei Hubmotoren mit Linearführung übernommen. Diese ermöglichen die programmgesteuerte Positionierung der Rohteile in der Spule. Die Möglichkeit über die Hubmotorsteuerung bestimmte Beschleunigungsrampen vorzugeben ermöglicht das stoß- und ruckfreie Verfahren der erwärmten Rohteile.

Erwärmungsstrategie

Um das enge Prozessfenster bei der Erwärmung der Rohteile zu erreichen ist es notwendig, eine geeignete Erwärmungstrategie zu verfolgen.

* Schnelle Erwärmung bis ca. 85% der Solidustemperatur
* Langsame Erwärmung auf Formgebungstemperatur
* Halten auf Formgebungstemperatur

Pressen für das Thixo-Schmieden

Der Thixo-Schmiedeprozess stellt einige besondere Anforderungen an die eingesetzte Pressentechnologie. Aufgrund des bei der Umformung vorhandenen Flüssigphasenanteils und dem engen Temperaturfenster, in dem die erwünschten thixotropen Fließeigenschaften der Werkstoffe auftreten, sind konventionelle Pressen der Massivumformung nur eingeschränkt oder gar nicht einsetzbar. Die wesentlichen Anforderungen sind:

* Hohe Stößelgeschwindigkeit beim Schließen des Werkzeugs
Um ein vorzeitiges Erstarren des Rohteils im kälteren Werkzeug zu verhindern.

* Hohe Dynamik der Stößelgeschwindigkeit
Um langsam auf das Rohteil aufsetzen zu können, um ein Auseinanderspritzen zu verhindern und über die gesamte Werkzeugfüllzeit eine laminare Strömung des Werkstoffs zu erreichen.

* Vorgebbarer Geschwindigkeits-Weg-Verlauf
Aufgrund der wechselnden Werkzeugeinsätze und Bauteilgeometrien ist es notwendig, die Geschwindigkeit in Abängigkeit der Stößelposition frei programmieren zu können.

* Ausreichend hohe Presskraft während der Erstarrungsphase
Um schrunpfungsbedingte Lunker zu vermeiden sind während der Erstarrungsphase Werkzeuginnendrücke von ca. 1.000 bar notwendig.

* Halten der Presskraft während der Erstarrungsphase
Die Presskraft muss während der gesamten Erstarrungsphase (ca. 5-15sec) aufrech erhalten werden

* Spielarme Stößelführung
Um dieWerkzeughälften mit ihren geringen Gratspaltmassen ohne Beschädigung mit hoher Geschwindigkeit schließen zu können.

Das Institut für Umformtechnik besitzt zwei Pressen, die diese Anforderungen erfüllen. Beide Pressen verfügen über einen speicherhydraulischen Antrieb.


5.000kN Hochgeschwindigkeitspresse

Seit 1994 verfügt das IFU über eine speziell für das Thixo-Schmieden umgebaute 5.000kN-Hochgeschwindigkeitspresse. Die Presse wurde mit einem Kolbenspeicher versehen, der es ermöglicht, gesteuerte Stößelgeschwindigkeiten von 800mm/s zu erreichen. Mit der auf dem Pressenkopf montierten Motor-Pumpenkombination ist es möglich, den Kolbenspeicher innerhalb von 75sec zu laden. Zur Verkürzung der Speicherladezeit wurde die Presse an ein Zentrales Ölversorgungsaggregat angeschlossen, das die Duckölversorgung für mehrere Pressen im Versuchsfeld übernehmen kann. Aufgrund der dadurch verringerten Speicherladezeit ist es nun möglich, in Abhängigkeit der Rohteilgröße bis zu 2 Teile pro Minute zu fertigen.

Werkzeuge

Die konstruktive Auslegung der Werkzeuge ist davon abhängig, ob das Rohteil im offenen Gesenk der im geschlossenen Gesenk umgeformt wird. Die Temperierung der Werkzeuge erfolgt überwiegend mit elektrischen Mehrzonenreglern und Heizpatronen. Durch Isolierplatten sind die Werkzeuge thermisch vom Pressentisch getrennt. Das nachfolgende Bild zeigt ein Werkzeug zum Thixo-Schmieden im geschlossenen Gesenk mit Schließwerkzeug. Die Schließkraft wird hierbei durch Stickstoffzylinder aufgebracht. Bei sehr flachen Teilen ist es bei manueller Beschickung des Werkzeugs möglich, ohne Auswerfer zu arbeiten.

Ein Werkzeug zum Schmieden im offenen Gesenk ist im unteren Bild dargestellt. Dieses Werkzeug besitzt eine Auswerferhülse, die sich auf einer, am Pressenausstoßer befestigte Auswerferplatte abstützt. Die eingesetzten Austoßerstifte besitzen einen zylindrischen Schaft und werden sowohl beim Ausstoßen als auch beim Einziehen durch die Auswerferplatte geführt.

Um Hinterschneidungen und Bohrungen fertigen zu können, müssen hydraulisch betätigte Kernzüge eingesetzt werden. Im unten dargestellten Werkzeug werden durch die Schiebereinheiten zwei Bohrungen zur Aufnahme von Gummilagern thixo-geschmiedet.

Bei der Werkzeugfertigung kommen dabei überwiegend folgende Werkstoffe zum Einsatz:

  • 1.2343 / X 38 Cr Mo V 5 1
    Formplatten für Druckgusswerkzeuge, Tenifer-Behandlung mögl. hohe Temperaturwechselfestigkeit, hohe Warmfestigkeit
  • 1.2312 / 40 Cr Mn Mo S 8 6
    vorvergütet, Tenifer-Behandlung möglich kein Härtevorgang erforderlich, gut zerspannbar
  • 1.2714 / 56 Ni Cr Mo V 7
    Schmiedegesenke vorvergütet, kein Härtevorgang erforderlich, zäh, warmfest


Automatisierung

Die am IFU aufgebaute automatisierte Thixo-Schmiedezelle ermöglicht die Fertigung von Bauteilen unter gleichbleibenden Prozessbedingungen. Durch den Einsatz der zentralen Ölversorgungsanlage sind dabei Speicherladezeiten von unter 18 Sekunden erreichbar. Dies bedeutet, dass alle 18 Sekunden ein Schmiedehub möglich ist. Durch die parallele Erwärmung zweier Rohteile und zeitoptimierte Handlingsabläufe ist eine Taktzeit von ca 35 Sekunden realisierbar. Der automatisierte Schmiedeprozess umfasst dabei folgende, zum Teil gleichzeitig ablaufende Teilprozesse:

* Entnehmen des Rohteils von der Zuführungsrutsche
* Transport auf die Erwärmungsunterlage
* Einfahren in die Induktionsspule
* Erwärmung des Rohteils auf Temperaturen knapp unterhalb der Solidustemperatur
* Laden des Kolbenspeichers
* Weitere Erwärmung und Homogenisierung der Temperatur
* Ausfahren aus der Induktionsspule
* Entnahme des Rohteils
* Transport zum Thixo-Schmiedegesenk
* Einlegen in das Thixo-Schmiedegesenk
* Schließen der beweglichen Abdeckungen
* Schmiedehub
* Erstarrungsphase
* Öffnen des Werkzeugs
* Ausstoßen des Bauteils
* Entnehmen des Bauteils
* Reinigen des Gesenks
* Trennmittelauftrag für nächsten Schmiedevorgang
* Ablage des Bauteils auf Entnahmerutsche

Die einzelnen Anlagenkomonenten und deren Verkettung sind in nachfolgendem Bild dargestellt.

Je nach Umfang der zu übertragenden Daten und dem vorhandenen Interface der Komponente sind die Schnittstellen als Profibus oder als Digitalschnittstelle ausgeführt. Das realisierte Konzept erlaubt die flexible Erweiterung oder Modifikation der Anlage. Die Taktzeit wird im wesentlichen von der Erwärmungszeit der Rohteile und der Speicherladezeit der Presse bestimmt. Daher werden zwei parallel arbeitende Erwärmungsanlagen eingesetzt. Das zentrale Ölversorgungsaggregat dient der Verkürzung der Speicherladezeit. Durch die zusätzliche Pumpenleistung wird die Ladezeit auf ca. 20sec verkürzt.

An die Zentrale Ölversorgung lassen sich mehrere Verbraucher bzw. Pressen anschließen. Damit dient das Aggregat zur Reduktion der Anlageninvestitionen am Institut für Umformtechnik. Zur Erhöhung der Verfügbarkeit der Anlage werden zwei Hydraulikpumpen verwendet. Das Aggregat verfügt über eine eigene, pressenunabhängige Steuerung.und zwei Hydraulikpumpen.

Technische Daten:

* Motor-Pumpenkombination 200kW
* Motor-Pumpenkombination 75kW
* Gesamtförderstrom 500 l/min
* Systemdruck 315 bar
* Tankvolumen 2000l
* Steuerung Siemens S7 300
Anbindung an Verbraucherpressen

Zum Teilehandling werden zwei Roboter vom Typ Manutec eingesetzt.

  

Der verwendete Schmierstofffeeder wurde am IFU entwickelt und gefertigt. Die Konstruktion berücksichtigt die Anforderungen des Versuchsbetriebs und kommt ohne separate Umwälz- oder Förderpumpe aus. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse wird eine pneumatisch betätigte Teleskopführung zum Verfahren des Sprühkopfes verwendet.

Der Ablauf bei Thixo-Schmieden ist hier als MPEG-Datei (2.670kB) zu sehen.


Bauteile

Automatisierung

Die am IFU aufgebaute automatisierte Thixo-Schmiedezelle ermöglicht die Fertigung von Bauteilen unter gleichbleibenden Prozessbedingungen. Durch den Einsatz der zentralen Ölversorgungsanlage sind dabei Speicherladezeiten von unter 18 Sekunden erreichbar. Dies bedeutet, dass alle 18 Sekunden ein Schmiedehub möglich ist. Durch die parallele Erwärmung zweier Rohteile und zeitoptimierte Handlingsabläufe ist eine Taktzeit von ca 35 Sekunden realisierbar. Der automatisierte Schmiedeprozess umfasst dabei folgende, zum Teil gleichzeitig ablaufende Teilprozesse:

  • Entnehmen des Rohteils von der Zuführungsrutsche
  • Transport auf die Erwärmungsunterlage
  • Einfahren in die Induktionsspule
  • Erwärmung des Rohteils auf Temperaturen knapp unterhalb der Solidustemperatur
  • Laden des Kolbenspeichers
  • Weitere Erwärmung und Homogenisierung der Temperatur
  • Ausfahren aus der Induktionsspule
  • Entnahme des Rohteils
  • Transport zum Thixo-Schmiedegesenk
  • Einlegen in das Thixo-Schmiedegesenk
  • Schließen der beweglichen Abdeckungen
  • Schmiedehub
  • Erstarrungsphase
  • Öffnen des Werkzeugs
  • Ausstoßen des Bauteils
  • Entnehmen des Bauteils
  • Reinigen des Gesenks
  • Trennmittelauftrag für nächsten Schmiedevorgang
  • Ablage des Bauteils auf Entnahmerutsche