Fraunhofer-Gesellschaft

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Halbwarm-Präzisionsschmieden eines Pleuels mit offenem Steg

Semi-hot precision forging of connecting rods with open shanks
 
: Neugebauer, Reimund; Hartwig, H.; Wagner, A.
: Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik -IWU-, Chemnitz; Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. -FOSTA-

Düsseldorf: Verlag und Vertriebsgesellschaft, 2008, 100 pp.
Forschung für die Praxis, P 614
ISBN: 3-937567-60-7
German
Book
Fraunhofer IWU ()
Präzisionsschmieden; Halbwarmumformung; Schmiedewerkzeug-HWU-Pleuel; Pleuel-Doppelstück; Verwerkstoffvergleich C70S6 mit 38MnVS6

Abstract
Forschungsziel war es, dass Präzisionsschmieden von Pleuel als Doppelstück zur rückstandsminimierten Bauteilfertigung und zur Gewichtsreduzierung durch die Halbwarm-umformung zu untersuchen. Dabei wurden zwei Werkstoffe ausgewählt, C70S6 als typischer crackbarer Werkstoff zur Pleuelfertigung und der AFP Stahl 38MnVS6.
Die Herstellung der Pleuel erfolgte mit einem speziell für das Präzisionsschmieden entwickelten Komplexwerkzeug mit integrierter hydraulisch gesteuerter Volumenkompen-sation aller aktiven Werkzeugelemente.
Ein wesentlicher Bestandteil der Forschungstätigkeit war die Entwicklung einer optimalen schmiedegerechten Zwischenform für das Präzisionsschmieden. Diese Entwicklung wurde in direkter Verbindung der Simulation mit der praktischen Erprobung durchgeführt. Nach der exakten Ermittlung der Zwischenformgeometrie wurde diese durch konventionelles Gesenkschmieden in sehr engen Toleranzen gefertigt.
Zum Schmieden im Bereich der Halbwarmumformung ist eine exakte Temperierung der Schmiedewerkzeuge über die Dauer der Schmiedung zu garantieren, um die Eigenschaften der eingesetzten Warmarbeitsstähle im vollen Umfang zu nutzen. Die Schmiedeversuche zum Präzisionsschmieden wurden bei drei unterschiedlichen Umformtemperaturen durchgeführt. Die auftretenden Kräfte an den Aktivteilen im Werkzeug wurden messtechnisch erfasst. Die ermittelten Kräfte dienen der genauen Dimensionierung der hydraulischen Bauteilkomponenten und zur Einstellung der Parameter der Volumenkompensation für eine optimale Formfüllung im geschlossenen Werkzeugsystem.
In der Auswertung der werkstofftechnischen Untersuchungen wurde eine chemische Analyse des Grundwerkstoffs durchgeführt und die werkstoffspezifischen Kennwerte Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Brucheinschnürung ermittelt. Diese Kennwerte bildeten die Basis für die Schwingfestigkeitsuntersuchungen zur Lebensdauer der präzisionsge-schmiedeten Pleuel. Außerdem beinhalteten die werkstofftechnischen Untersuchungen eine Gefügeuntersuchung des Materials im Stegbereich des Pleuels.
Die Grundlage der Auswertung für C70S6 waren die praxisrelevanten Werte der Fa. MAHLE Brockhaus GmbH auf Basis der VW-Norm „VW 500 30“. Die Auswertung für den Werkstoff 38MnVS6 wurde nicht vergleichend mit C70S6 durchgeführt, da beide Werkstoffe auf Grund ihrer Zusammensetzung und der daraus resultierenden Eigenschaften sehr unterschiedliche Charaktere aufweisen.
Die Ergebnisse der Gefügeuntersuchungen zeigten für beide Werkstoffe im Bereich der HWU ein sehr feinkörniges ferritisch - perlitisches Gefüge mit homogener Gefügestruktur. Für die mechanischen Kennwerte und die Schwingfestigkeitsuntersuchungen zur Lebensdauer der Pleuel lässt sich ein deutlicher Einfluss der Umformtemperatur erkennen. Aus der Summe der Ergebnisse zum Einsatz des Halbwarmschmiedens für Pleuel konnte nachgewiesen werden, dass das Präzisionsschmieden im Temperaturbereich 950°C praktisch möglich ist.

 

The objective of the project was the investigation of precision forging a double-piece connecting rod as a residue-minimized manufacturing process including weight reduction as a hot and semi-hot forming process. Two different materials were selected, C70S6 as typical crackable material for conrod manufacturing and the AFP alloy 38MnVS6.
The forging of the conrods was conducted with a specifically developed tool system, a complex tool with integrated hydraulic volume compensation of all active tool components.
A substantial task of the project was the development of an optimal interstage shape with closely defined characteristics required for precision forging. The development was accomplished by concurrent and repeated combination of practical testing and simulation. After the accurate determination of the geometry, the interstage was manufactured by conventional die forging with very close tolerance.
For forging within a semi-hot temperature range the tool components must be warmed up and a precise temperature regime of the tools is required over the length of the overall forging period in order to make full use of the characteristics of the tool material. The trial series were conducted at different forging temperature levels. During forging the occurring forces on the active components of the die were measured. The thus determined forces are needed for the exact dimensioning of the hydraulic volume compensation. They are needed as well for parameter control of the hydraulic system in order to achieve an optimal die filling in the closed tool system.
During the examination of the material chemical analyses of the base material were completed and mechanical properties such as yield strength, tensile strength, elongation at fracture and reduction in area were determined. The obtained values were the basis for the dynamic strength and fatigue limit tests of the conrods. Furthermore, an analysis of the grain structure of the material in the middle rod section of the conrod was completed.
The basis for the evaluation of the C70S6 were comparison values with practical relevance provided by the company MAHLE Brockhaus GmbH based on of the Volkswagen standard VW 500 30. The evaluation for the material 38MnVS6 was accomplished separately and not comparison with C70S6, since both materials exhibit very different qualities due to their composition and the characteristics resulting from it.
The results of the material analysis of semi-hot formed specimen showed for both materials a very fine grain composition in a ferritic-perlitic structure with homogeneous formation. In evaluating the results of the dynamic strength and fatigue limit tests an considerable influence of the forming temperature was identified.
In summing up the investigation on semi-hot forging of connecting rods it could be shown that a forging at the forming temperature of 950°C is feasible in practical application.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-71484.html