Umformtechnik Schweres leicht geformt

Bohrungsdrücken als inkrementelles Umformverfahren zur Herstellung von Hohlwellen. Das Bohrungsdrücken gilt als ein innovatives Umformverfahren zur Herstellung hohler, wellenförmiger Bauteile auch...

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Das Bohrungsdrücken gilt als ein innovatives Umformverfahren zur Herstellung hohler, wellenförmiger Bauteile auch aus schwer umformbaren Werkstoffen und ausgehend von massiven Halbzeugen. Durch die Verfahrensanwendung können kosten- und werkstoffsparende Technologiedurchführung und Prinzipien des Formleichtbaus effektiv verknüpft werden. Auf diese Weise steht eine innovative, aber auch wirtschaftliche Verfahrensvariante für massereduzierte Bauteile im Fahrzeug- und Maschinenbau zur Verfügung.Die Forderung nach der Durchsetzung von Leichtbauprinzipien für die Gestaltung industrieller Produkte gewinnt im Kontext der Ressourcenschonung, der stark veränderten Kostenstruktur für Stähle und des sich verschärfenden Wettbewerbsdrucks enorm an Bedeutung. Insbesondere in den letzten Jahren wurden dazu intensive Studien durchgeführt [1 bis 3]. Belastungsgerechte Fertigung von Leichtbauteilen aus StahlSo ist durch Leichtbauweise im Fahrzeugbau ein Einsparpotential von etwa 30% an Kraftstoffverbrauch zu erschließen. Leichtbau ist dabei oft unter der restriktiven Forderung der Kostenneutralität auszuführen [4]. Das zwingt zur Suche nach intelligenten Leichtbaulösungen, die insbesondere sparsamen Materialeinsatz mit optimalen Produktionsmethoden verbinden.Um diese technische Forderung umzusetzen, gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten:- Einsatz neuer Werkstoffe beziehungsweise Werkstoffverbunden die gleiche Bauteileigenschaften bei kleineren Massen garantieren (Stoff-leichtbau) und- Einsatz von beanspruchungsgerecht konstruierten Stahlbauteilen (Formleichtbau) [5].Die zweite Möglichkeit ist von besonderem Interesse für Fahrzeugteile, bei denen der Einsatz von Stahl auf Grund der Betriebsbedingungen (auftretende Kräfte und Temperaturen, notwendige Zähigkeit bei hohen Festigkeiten) funktionell und wirtschaftlich unverzichtbar ist.Hohlformen, insbesondere bei wellenförmigen Bauteilen des Antriebsstrangs von Straßenfahrzeugen, verkörpern in diesem Zusammenhang ein wesentliches technisches Innovationspotenzial. Bei diesen Hohlkörpern werden besonders hohe Anforderungen an die mechanische Festigkeit bei gleichzeitig restriktiven Forderungen in Hinblick auf das Bauteilgewicht und die Stückkosten gestellt. Die Erfüllung dieser Zielstellungen kann nur dann gelingen, wenn die Entwicklung moderner Produktionstechniken möglichst eng mit den Prinzipien des konstruktiven Leichtbaus und der Anwendung hochfester Werkstoffe verknüpft werden kann.Die Momentbelastung von Antriebs- und Getriebewellen führt zu Schubspannungen im Querschnitt, die ihren Maximalbetrag im oberflächennahen Bauteilquerschnitt erfahren, im Kernbereich demgegenüber vernachlässigbar klein werden. In Bild 1 sind die Bauteilmasse und die Torsionswiderstände von Hohlwellen im Vergleich zu den entsprechenden Vollquerschnitten dargestellt. Das eingetragene Beispiel demonstriert die Substitution einer Vollwelle durch eine Hohlwelle gleichen Durchmessers (D = 34 mm) in einem bestehenden Produkt. Unter der Bedingung, dass der Torsionswiderstand 10% unter dem des Vergleichsbauteiles liegen darf, kann eine Masseeinsparung von rund 30% im Vergleich zur massiven Welle erreicht werden. Bereits aus diesem einfachen Beispiel lässt sich das bedeutende konstruktive Substitutionspotenzial erkennen: Hohlformen können massive Bauteile vorteilhaft ersetzen.Auf Grund der konstruktiven Merkmale der Innenkontur einer Getriebehohlwelle stellt sich für die Herstellung von Hohlwellen die Aufgabe, die konstruktiven Anforderungen an deren Innenkontur durch formgebende, spanlose Fertigungsverfahren zu erfüllen. Dabei sollten solche Verfahren zur Anwendung kommen, die die Erzeugung der Innenkontur der Hohlwellen in Net-shape-Qualität gewährleisten [6].Durch Werkstoffverdrängung entstehen HohlteileBohrungsdrücken ist definiert als partielles rotatorisches Druckumformen zur Herstellung axialsymmetrischer Hohlteile aus massiven Halbzeugen oder vorgefertigten Vollkörpern mit vorrangig kreisrunden Querschnitten. Durch die am Außenmantel des Rohteiles abwälzenden Drückrollen und einen gleichzeitig axial wirkenden Formstempel wird die Hohlform dadurch erzeugt, dass der durch diese Werkzeugelemente verdrängte Werkstoff entgegen der Vorschubrichtung axial abfließt und eine Napfwand ausbildet. Die massive Ausgangsform wird, wie beim Drehen, in einer an der Spindel angeordneten Spanneinrichtung aufgenommen und rotiert um ihre Längsachse. Die Drückrollen und der synchron zur Spindel rotierende Stempel führen eine axial gerichtete Translationsbewegung aus.Bohrungsdrückmaschine als Prototyp konzipiertFür das Verfahren wurde im Rahmen des SFB 283 gemeinsam mit der TU Chemnitz der Prototyp einer Bohrungsdrückmaschine als Experimentalanlage entwickelt. Im Ergebnis der Entwicklung entstand eine optimale Maschinenstruktur mit völlig neuartigen, patentrechtlich geschützten Teillösungen, die sich auf das verformungsarme Werkzeugmaschinengestell, eine Werkzeugmaschinenspindel für extreme Axialkräfte und hohe Drehzahlen sowie auf spezielle Schlittensysteme für Umformmaschinen beziehen. Die Anlage ist so gestaltet, dass durch Nachrüstung zusätzlicher Einheiten, beispielsweise Zerspanung, Verkettung, die Voraussetzung einer optimalen Prozesskettenbearbeitung geschaffen werden kann.Die wichtigsten technischen Daten der BDM 2000 sind mit folgenden Werten angegeben: Stempelkraft = 2200 kN, Rollenkraft axial = 100 kN, radial = 300 kN, Spindeldrehzahl = 30 bis 420 min-1, Moment an der Hauptspindel = 3000 Nm und der Hauptantrieb mit 125 kW.Als herstellbare Abmessungen werden folgende Werte angegeben: maximaler Halbzeugdurchmesser D = 80 mm (Stabstahl), herstellbarer Außendurchmesser = 20 bis 70 mm, herstellbarer Innendurchmesser = 16 bis 50 mm, maximale Zylinderlänge li bis 550 mm und maximale Werkstücklänge L = 750 mm.Durch Bohrungsdrücken wird die Herstellung von wellen- und napfförmigen Teilen mit kreiszylindrischen Innenformen, Innenprofilen und Innenpolygonen realisiert. Das Verfahren wird - in Abhängigkeit von der Fertigungsaufgabe - als Kalt-, Halbwarm- oder Warmumformung ausgeführt. Eine chemische Oberflächenvorbehandlung der Werkstücke ist nicht erforderlich. Die Anwendungsflexibilität des Bohrungsdrückens wird vor allem dadurch bestimmt, dass sämtliche Formelemente - mit Ausnahme des Innendurchmessers - durch die Kinematik der Werkzeuge entstehen.Der Hauptvorteil des Verfahrens besteht im Vergleich zum Tiefbohren in der wesentlich höheren Werkstoffausnutzung von bis zu 90% bei gleichzeitig wesentlich niedrigerem Materialeinsatz. Dadurch wird das Verfahren besonders für die Verarbeitung hochwertiger Werkstoffe attraktiv. Für schwer formbare Werkstoffe ist darüber hinaus die umformende Erzeugung von hohlen Vorformen oder Halbzeugen in Prozessketten aus inkrementellen Umformverfahren und weiteren formgebenden oder spanenden Verfahren mit vergleichbarer Kinematik von besonderem Interesse.Kürzere Fertigungsdauer als beim TiefbohrenZur Fertigung einer hohlen Vorform für Wellen durch Bohrungsdrücken ist lediglich etwa 30 bis 40% des zeitlichen Aufwandes durch Tiefbohren erforderlich. Das L : D-Verhältnis des Bohrungsdrückens beträgt 15 bis 20 und liegt damit etwa 10% unter der durch Tiefbohren erreichbaren Vergleichswerte. Diese Einschränkung ist allerdings für die Abmessungsverhältnisse von Antriebswellen für Straßenfahrzeuge ohne Bedeutung.Das Bohrungsdrücken ist im Vergleich zum Fließpressen dann vorteilhaft, wenn insbesondere dickwandige Hohlteile, aber auch Bauteile mit Absätzen erzeugt werden müssen. Vorteilhafte Anwendungen gibt es daher im Allgemeinen bei Durchmesser-Wanddicken-Verhältnissen D : s kleiner als 5, für die sich dann keine für das Fließpressen optimalen bezogenen Querschnittsänderungen einstellen lassen. Außerdem sind zum Bohrungsdrücken keine Oberflächenvorbehandlung durch Phosphatieren oder vergleichbare Verfahren erforderlich. Aufgrund der kinematischen Formerzeugung entfallen die aufwändigen Fließpressmatrizen.Der einzige entscheidende Nachteil des Hohlformens im Vergleich zum Tiefbohren besteht in der Gefahr, dass der formgebende Drückdorn aus der idealen Symmetrieachse „driftet“. Auf Grund des Schlankheitsgrades, der Einspannung und der prozessspezifischen Belastung reagiert der Formstempel besonders sensibel auf exzentrische Krafteinleitung. Bisher konnten folgende Ergebnisse beim Bohrungsdrücken erzielt werden:- maximales Längen-Durchmesser-Verhältnis: li : di % 15- Wanddicken: 2 <= s <= 23 (Kalt- und Halbwarmfertigung)- Durchmesser-Wanddicken-Verhältnis 3 <= Da : s <= 20Folgende Geometriedaten konnten ermittelt werden:- Zahnnaben nach DIN 5480: m <= 1,5; 12 <= z <= 25; alpha = (30°), 37,5°, 45°,- Kerbzahnnaben angelehnt an DIN 5481,- Keilnabenprofile angelehnt an DIN 5471 und DIN 5472,- Polygone: P3G (DIN 32711), P4C DIN 32712 und Ähnliche.Als Werkstoffe kamen zum Einsatz: Bau- und Einsatzstähle, Kohlenstoffstähle, NE-Metalle und deren Legierungen (Bruchdehnungen A5 größer als 10%) und Sonderlegierungen.Der Zeitbedarf für die kreiszylindrische Hohlform wird ange-geben für die Vorformqualität mit etwa 20 s pro 100 mm Zylinderlänge und für die Endformqualität mit etwa 35 s pro 100 mm Zylinderlänge. Der Zeitbedarf variiert in Abhängigkeit vom herzustellenden Längen-Durchmesser-Verhältnis und dem zu bearbeitenden Werkstoff. Im Abmessungsbereich typischer Pkw-Getriebewellen sind demnach Net-shape-Qualitäten erreichbar. Für größere und schwerere Wellenausführungen von Nutzfahrzeugen und vergleichbaren Anwendungen aus anderen Industriezweigen sind zur Zeit near-net-shape Genauigkeiten erreichbar.

Literatur[1] Market Research Report on Automotive Hydroforming in North America: Global Trade Consulting Co., Indianapolis, U.S.A.; 2000.[2] The Harbour Report North America; Harbour and Associates Inc., 1999.[3] Ultra Light Steel Auto Body Final Report: American Iron and Steel Institute; Washington D.C., 1998.[4] Pollmann, W.: Leichtbauwerkstoffe - Einsatzschwerpunkte im Fahrzeugbau, 7. Sächsische Fachtagung Umformtechnik, 24. und 25. 10. 2000, Tagungsband, IWU Chemnitz, 2000. [5] Klocke, F. und A. Klein: Fertigungsstrategien für den Antriebsstrang, 4. Chemnitzer Produktionstechnisches Kolloquium, 21. und 22. 9. 2004, Tagungsband, IWU Chemnitz, 2004.[6] Lorenz, B., et al.: Neue Erkenntnisse zur Herstellung hohler wellenförmiger Werkstücke durch Querwalzen/Bohrungsdrücken; Wissenschaftliches Kolloquium des SFB 283, 29.10.1999.[7] Lorenz, B., et al., Neue Erkenntnisse zur Herstellung hohler wellenförmiger Werkstücke durch Querwalzen/Bohrungsdrücken; Wissenschaftliches Kolloquium des SFB 283, 29. 10. 1999.[8] Neugebauer, R., M. Kolbe, R. Glass: New Warm Forming Processes to Produce Hollow Shafts, Procedures of the International Conference on Advances in Materials and Processing Technologies, AMPT´99 and 16th Annual Conf. of the Irish Manufacturing Committee, IMC 16, Vol. I, Dublin, 1999.