Vorspannen durch Bandwickeln

Das Konzept des Vorspannens ist in der Industrie weit verbreitet und wird für viele verschiedene Anwendungen genutzt. Die allgemeine Idee besteht darin, eine bestimmte Werkzeugkomponente (z. B. eine Matrize) bei der Werkzeugmontage in einen Druckzustand zu versetzen, um das Niveau der Zugspannungen bei maximaler Prozessbelastung zu senken. Das Vorspannen von hochbelasteten Gesenken beim Präzisionsschmieden von Metallen, die Hochdruck-Synthese von Industriediamanten und Hochdruckexperimente sind bekannte Beispiele für solche industriellen Anwendungen. Die Vorspannung ist einer von mehreren Konstruktionsparametern, aber in der Regel der Schlüssel zum Erreichen hochleistungsfähiger Werkzeugsysteme, einschließlich der Vermeidung oder Verzögerung von Matrizenrissen, Ausbrüchen, Verschleiß oder dem Verlust der erforderlichen Teiletoleranzen.

STRECON ist der ursprüngliche Entwickler und führende Hersteller von Vorspannwerkzeugsystemen, die auf der Bandwickeltechnik basieren, die im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen mehrere Vorteile in Bezug auf hohe Festigkeit, Steifigkeit, längere Lebensdauer und hohe Wiederverwendbarkeit bietet.

Abbildung zeigt, dass der STRECON-Container eine höhere Vorspannung des Schmiedegesenks ermöglicht als normale Kompressionsringe

Das Vorspannkonzept

Unter Vorspannung von Werkzeugen versteht man die Druckspannung (typischerweise radial), die bewusst auf ein belastetes Werkzeug, z.B. ein Umformwerkzeug, ausgeübt wird. Der Zweck des Vorspannens besteht darin, die Höhe der kritischen Zugspannungen zu reduzieren, die das Werkzeug unter Volllast bei der Produktion oder im Prüfverfahren erfährt. Je höher die Vorspannung ist, desto mehr wird das Werkzeug in einen Druckzustand versetzt, wie in der Abbildung dargestellt.

Beim traditionellen Vorspannen lag der Schwerpunkt auf der Werkzeugspannung. Genauso wichtig ist jedoch die Betrachtung der entsprechenden Dehnung, die sich aus der Werkzeugbelastung ergibt. Die Dehnung ist ein Maß dafür, wie stark sich das Werkzeug unter Belastung verformt. Grundsätzlich ist die Werkzeugdeformation akzeptabel oder sogar vorzuziehen, solange sie die Streckgrenze des Werkzeugmaterials selbst nicht überschreitet. In diesem Fall beginnt das Material zu reißen oder sich plastisch auszudehnen. Bei bestimmten industriellen Anwendungen von Hochpräzisionsprodukten wie Zahnrädern und Komponenten für den Antriebsstrang und die Lenksäule sowie bei Diamant-/CBN-Produkten, die unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen hergestellt werden, wird jedoch keine oder nur eine sehr geringe Werkzeugverformung angestrebt. Die Dehnungseigenschaften des Werkzeugsystems werden durch das Elastizitätsmodul der verwendeten Materialien bestimmt, das auch als E-Modul bezeichnet wird. Je höher das E-Modul ist, desto höher ist die Steifigkeit des Werkzeugsystems und desto geringer ist die Werkzeugdeformation. Im Allgemeinen hat Wolframkarbid (540 GPa) eine mehr als doppelt so hohe Steifigkeit als Werkzeugstahl (225 GPa).

Häufig ist eine Vorspannung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung erforderlich, und das Ziel besteht darin, das optimale Maß an Vorspannung anzuwenden. Dies erfordert spezielle Software für analytische Berechnungen, aber oft ist auch eine FEA erforderlich, um die komplexe Natur der multidirektionalen Spannungen und Dehnungen in hochbelasteten Werkzeugen zu simulieren und zu verstehen.

Sehen Sie in einem kurzen Video, wie eine STRECON-Armierung mit Vorspannung hergestellt wird

Hochbelastete Werkzeuge

Je höher die Werkzeugbelastung ist, desto höher sind die kritischen Zugspannungen im Werkzeug. Folglich nimmt die Bedeutung der Vorspannung als wirksame Gegenmaßnahme mit der Werkzeugbelastung zu.

In der Industrie gibt es einen allgemeinen Trend zu immer höheren Werkzeugbelastungen, was die Nachfrage nach Produkten mit höherer Festigkeit, Robustheit, Präzision und geringerem Gewicht widerspiegelt. Die Notwendigkeit, den vorgespannten Zustand der belasteten Werkzeuge zu verbessern, ist jedoch mit den herkömmlichen Werkzeug- und Werkstofftechnologien begrenzt. Normale Vorspannwerkzeugsysteme sind als Ein- und Zweiringsysteme ausgeführt, und ein Mehrringsystem wird für die Herstellung von Industriediamanten / CBN-Produkten verwendet. Standardvorspannwerkzeuge werden jedoch in der Regel aus Standardwerkstoffen wie 1.2344/H13 und mit unterschiedlichen Härtegraden hergestellt, was zu einem Werkzeugsystem mit einer maximalen Belastbarkeit von der Hälfte bis zu zwei Dritteln der Festigkeit einer Bandarmierung führt.

Die STRECON Vorspanntechnologie basiert auf einem anderen konstruktiven Werkzeugdesign, Materialien und Herstellungsprozess (siehe unten) und ist im Allgemeinen 50-100% stärker als normale Vorspannwerkzeugsysteme. Zusätzlich zu den Festigkeitswerten ist die Steifigkeit des STRECON Spannwerkzeugsystems selbst etwa doppelt so hoch wie bei normalen Spannringsystemen, wenn der Innenring des Spannwerkzeugs aus einem Hartmetallkern besteht, nämlich 400 GPa im Vergleich zu 225 GPa.

Bandwickeltechnik

STRECON hat ein Vorspannwerkzeug entwickelt, das auf dem Prinzip des Bandwickelns basiert. Ein spezielles wärmebehandeltes Stahlbandmaterial wird um einen Innenring aus hochlegiertem Werkzeugstahl oder Wolframkarbid gewickelt, wobei die Rückspannung jeder Bandlage vollständig kontrolliert wird, bis der vorgegebene Wickeldurchmesser erreicht ist. Auf dem Außendurchmesser des Bandmaterials wird ein Ring aus gehärtetem Werkzeugstahl durch Wärmeschrumpfen angebracht. Die drei Elemente des Innenrings (Wickelkern genannt), des Stahlbandmaterials und des Außenmantels definieren das Grundkonzept der bandgewickelten vorgespannten Armierung, die normalerweise als STRECON-Armierung bezeichnet wird. Die Abbildung auf der linken Seite erklärt anschaulich den Unterschied zwischen einer STRECON-Armierung und einem normalen Ringsystem. Wie man sieht, bietet die Bandarmierung eine konstante Spannungsverteilung über den gesamten Radius des Bandarmierungskörpers. Diese Eigenschaft ist einzigartig in der Bandwickeltechnik.

Das Bandstahlmaterial hat eine Dicke von 0,1 mm, ist bis ca. 2000 MPa voll elastisch und kann bis zu 1 % gedehnt werden, bevor eine plastische Verformung einsetzt. Mit anderen Worten: Das Bandstahlmaterial ist sehr fest und elastisch, was auch die sehr lange Lebensdauer (d.h. Wiederverwendbarkeit) der Armierung selbst erklärt.

Vor kurzem hat STRECON die Technologiebasis für Präzisionsschmiede-anwendungen durch die Entwicklung eines kompletten Werkzeugsystems erweitert, in dem die STRECON-Armierung eines von mehreren integrierten Elementen ist. Diese Systemlösung wurde als Prestressing Tool System (PTS) bezeichnet, das direkt in die Pressmaschine eingebaut wird. Die PTS bietet sowohl eine radiale als auch eine axiale Vorspannung des Schmiedegesenks, die durch einen oberen Deckel gewährleistet wird, der mit einer Reihe von speziell entwickelten Verlängerungsbolzen vorgespannt wird.

Industrielle Anwendungen

STRECONs Kernkompetenz liegt in der Auslegung, Fertigung und Inbetriebnahme von Vorspannungssystemen für hochbeanspruchte Werkzeuge. Die Hauptanwendungsbereiche sind Präzisionsschmieden, Hochdrucksynthese und Hochdruckexperimente. Die Vorspannungssysteme können aber auch für andere Bereiche wie Pulverpressen, Tiefziehen, etc. angewendet werden.

Konventionelle Werkzeuge haben wegen der verfügbaren Materialien und Systemdesigns eine begrenzte Belastbarkeit. Die in der Umformtechnik und bei Hochdruckexperimenten verwendeten Vorspannungswerkzeuge sind üblicherweise einfache Ringsysteme aus gehärteten Einzel- oder Doppelringen. In der Hochdrucksynthese werden auch 5-7-Ringsysteme verwendet.

STRECON Vorspannungssysteme sind dank der eingesetzten Bandwicklungstechnologie höher belastbar und erweitern hierdurch Prozessgrenzen. Werden zum Beispiel konventionelle Warmumformprozesse durch umweltfreundlichere Kaltumformprozesse ersetzt, entstehen höhere Werkzeugbelastungen. Durch den Einsatz von bandgewickelten Armierungen sind derartige Prozesse dennoch stabil durchführbar. Auf diese Weise wird eine energieeffizientere Produktion bei niedrigerer Temperatur mit besserer Bauteilqualität ermöglicht.