Kraft- und Drehmomentenbedarf beim Drückwalzen, insbesondere von Aluminium
Siegfried Gorbauch, Günter Herold
Im Rahmen der Literaturauswertung wird der derzeitige Erkenntnisstand zum Drückwalzvorgang und zum erforderlichen Kraft- und Drehmomentenbedarf zusammengestellt.
Die bisherigen Untersuchungen lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Die spannungsorientierten Untersuchungen bauen auf der elementaren Plastizitätstheorie auf, passen die theoretisch ermittelten Werte durch empirisch gefundene Korrekturfaktoren den Versuchsergebnissen an und haben somit nur einen begrenzten Gültigkeitsbereich. Die elementare Plastizitätstheorie führt die Spannungsbetrachtungen auf einen einachsigen Spannungszustand zurück und besitzt deshalb keine ausreichenden Voraussetzungen für eine allgemeingültige Formulierung des komplizierten, durch einen extrem hohen hydrostatischen Druckspannungsanteil charakterisierten Spannungszustandes beim Zylinder-Drückwalzen. Die bekannten energiebezogenen Untersuchungen beruhen auf der Schrankenmethode und sind an sich besser geeignet, aber infolge vorgenommener Vereinfachungen ebenfalls nur begrenzt anwendbar und für die praktische Nutzung oft zu kompliziert.
Die theoretischen Betrachtungen beginnen mit einer qualitativen Analyse der Spannungen und Formänderungen beim Drückwalzen. Da die möglichst genaue Ermittlung der infolge der Stau- und Wulstbildung vor der Drückrolle auftretenden zusätzlichen Formänderungen als die entscheidende Voraussetzung für eine genauere Vorausbestimmung von Kraft und Drehmoment eingeschätzt wird, werden hierzu Berechnungsbeziehungen abgeleitet. Ein weiterentwickeltes numerisches Verfahren zur Berechnung der Kontaktfläche zwischen Werkstück und Drückrolle berücksichtigt ebenfalls die zusätzlichen örtlichen Deformationen.
Die vorgeschlagene energetische Betrachtungsweise bezieht die zugeführte Energie auf Volumeneinheiten und beruht damit auf einfach zu ermittelnden Kenngrößen. Sie ermöglicht u. a. die Berechnung der insgesamt erforderlichen spezifischen Umformarbeit, aus der auch die zu erwartende Erwärmung des Werkstücks näherungsweise bestimmt werden kann.
Experimentelle Untersuchungen werden zum Zylinderdrückwalzen im Gleichlaufverfahren von tiefgezogenen Näpfen und Rohrabschnitten mit Innendurchmessern von 50 und 100 mm und Wanddicken zwischen 2 und 4,6 mm durchgeführt.
Neben der Messung der auftretenden drei Kraftkomponenten , der Temperatur in der Umformzone sowie der Vorschubgeschwindigkeit und der Drehzahl werden die infolge der Stau- und Wulstbildung auftretenden zusätzlichen Formänderungen unter Verwendung der erfaßten Durchmesser- und Wanddickenverläufe an den Anfangsteilen und den drückgewalzten Teilen bestimmt.
Außerdem werden die in den tiefgezogenen Anfangsformen bereits vorhandenen Formänderungen ermittelt und bei der Bestimmung der Werkstoffkenngrößen berücksichtigt.
In Auswertung der Versuchsergebnisse wird unter Verwendung der aus den theoretischen Vorbetrachtungen resultierenden Berechnungsgrundlagen eine geschlossene Berechnungsvorschrift zur Bestimmung der beim Drückwalzen auftretenden Kraftkomponenten und des Drehmomentes aus der eingebrachten Energie abgeleitet. Um allgemeingültige Zusammenhänge zwischen den Vorgangsgrößen zu gewinnen , wird bei der Versuchsdatenauswertung grundsätzlich mit bezogenen Größen gearbeitet.
Die spezifische Gesamtarbeit, die als Summe der gesamten in der primären und der sekundären Umformzone vom Werkstoff aufgenommenen spezifischen Umformarbeit und eines volumenbezogenen Arbeitsanteils zur elastischen Deformation des Werkstücks interpretiert werden kann, ist linear vom ideellen Vergleichsumformgrad abhängig und somit gut als Basis einer energiebezogenen Betrachtungsweise geeignet. Fast alle wesentlichen Grundzusammenhänge des Drückwalzvorgangs lassen sich mit Hilfe des neu eingeführten „bezogenen verdrängten Volumens“ BVV in einer besonders verallgemeinerungsfähigen Form darstellen. Unter Verwendung von BVV ist auch eine Prozeßoptimierung im Hinblick auf die erreichbare Werkstückqualität möglich.
Die wesentlich verbesserte Gültigkeit der neu entwickelten energetischen Betrachtungsweise wird durch den Vergleich auf einer einheitlichen Versuchsdatenbasis beruhender Umformwirkungsgrade eindeutig bestätigt. Der unter Berücksichtigung der zusätzlichen Formänderungen unter Energiebezug ermittelte Umformwirkungsgrad erreicht Werte von 50 bis 100 %. Innerhalb des in die experimentellen Untersuchungen einbezogenen Parameterbereiches wurden Umformgeschwindigkeiten von 40 bis 240 s-1 und Temperaturerhöhungen im Werkstückbereich vor der Drückrolle von bis zu 170°C registriert.
Die vorgestellte Methode ist zur Vorausbestimmung des Kraft- und Drehmomentenbedarfs ohne Verwendung von Korrekturfaktoren mit befriedigender Genauigkeit für praxisrelevante Berechnungen anwendbar. Die Zusammenstellung in Form von Arbeitsblättern ermöglicht eine relativ einfache Handhabung. Im Hinblick auf die Regelung von Drückwalzprozessen ist von Bedeutung, daß Drehmoment und Axialkraft als Eingabegrößen verwendbar sind, deren Überwachung einfacher und mit höherem Genauigkeitsgrad realisiert werden kann als die der übrigen Kraftkomponenten.
Es werden Hinweise für weiterführende Untersuchungen gegeben , die sich insbesondere mit der Erfassung der zusätzlichen Formänderungen in tangentialer Richtung , mit dem Werkstoffeinfluß auf die Stau- und Wulstbildung , mit dem für die Wulstbildung verbrauchten Energieanteil, mit Grundlagenuntersuchungen zum Problem der instationären Wärmeableitung sowie mit der Modeliierung des Werkstoffverhaltens unter den Bedingungen hoher Umformgeschwindigkeiten und Temperaturen befassen sollten.
