Umformtechnik Auch Hohles lässt sich kneten

Rundkneten von hohlen Stoßdämpfer-Kolbenstangen spart Material und Kosten bei gleichzeitigem Festigkeitsgewinn. Gewichtsreduzierung an Bauteilen durch die Umstellung von Massivmaterial auf Rohr zu...

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Gewichtsreduzierung an Bauteilen durch die Umstellung von Massivmaterial auf Rohr zu erzielen ist bei im Fahrzeug eingesetzten Achsen und Wellen ein gängiger Ansatz. Bei einigen Bauteilen wie beispielsweise einer Lenkwelle, die im Normalbetrieb nur vergleichsweise geringen Kräften ausgesetzt ist, ist dies ohne Schwierigkeiten möglich. Bei hoch belasteten Bauteilen wie Antriebswellen oder Stoßdämpfer-Kolbenstangen bedarf es einer engen Zusammenarbeit zwischen dem Hersteller beziehungsweise Systemlieferanten und dem Maschinenlieferanten, um eine fertigungs- und funktionsoptimierte Bauteilgeometrie zu entwickeln. Auf die hohle Stoßdämpfer-Kolbenstange, die bereits bei einigen Unternehmen in der Serie durch Rundkneten hergestellt wird, soll nachfolgend näher eingegangen werden.Üblicherweise besteht die Kolbenstange aus einem Schaft, welcher auf einer Seite ein Außengewinde zur Befestigung an der Fahrzeugkarosserie sowie eine Montagehilfe beispielsweise in Form eines Innen- oder Außen-Sechskants aufweist. Auf der anderen Seite ist ein Aufnahmezapfen für den Kolben und ebenfalls ein Außengewinde zur Kolbenbefestigung vorgesehen. Die herkömmliche Fertigung erfolgt von einem massiven Stababschnitt. Die beiden Enden werden gedreht, die Gewinde geschnitten und an der Karosserieseite werden als Montagehilfe Flächen angefräst. Bei dieser konventionellen Herstellungsmethode wird ein hoher Materialeinsatz und ein entsprechend hohes Stückgewicht in Kauf genommen. Zudem fallen Umwelt belastende Späne an, die entsorgt werden müssen. Ein Vorteil allerdings besteht darin, dass beliebige, bei Bedarf 90°steile Anlageschultern hergestellt werden können. Mittlerweile ist dies allerdings auch bei aus Rohr hergestellten Kolbenstangen umformtechnisch machbar.Überlegungen für ein leichtes Bauteil führten zum RundknetenNun gibt es jedoch auch am Federbein gewisse Möglichkeiten, um der im Automobilbau geforderten Gewichtseinsparung entsprechen zu können. So kann beispielsweise das Außenrohr aus Aluminium hergestellt werden oder es wird Rohr zur Herstellung der Kolbenstange eingesetzt. Zur Herstellung einer hohlen Stoßdämpfer-Kolbenstange gibt es unterschiedliche Fertigungskonzepte. Die Bandbreite reicht von 3-teiligen Schweißlösungen bis zur einteilig rundgekneteten Ausführung.Im ersten Fall werden an einem Rohrabschnitt beidseitig massive Zapfen angeschweißt. Diese können beispielsweise als Kaltfließpressteil bereits vorgeformt sein. Die Verbindungsflächen vom Rohrabschnitt und von den Zapfen müssen für die übliche Reibschweißoperation plangedreht werden.Nach dem Verschweißen der Teile erfolgt die Weiterbearbeitung wie bei den massiven Kolbenstangen. Auch bei dieser Lösung wird das Werkstückgewicht bereits deutlich verringert. Allerdings ist in der Prozess-überwachung und der Ausrichtung der Zapfen entsprechend Aufwand zu betreiben, da einerseits die Schweißstellen ein Sicherheitsrisiko darstellen können und anderseits die Rundlaufforderungen des Bauteils gewährleistet werden müssen.Die Weiterentwicklung zu einem leichten, sicheren und kostengünstigen Bauteil führt zum Rundkneten als Fertigungsverfahren. Dieses erfüllt die genannten Forderungen in optimaler Weise, indem in mehreren Umformoperationen in Verbindung mit weiteren Arbeitsgängen auf einer Transferanlage eine gewichtsoptimierte Kolbenstange aus Rohr hergestellt wird. Rundgeknetete Kolbenstangen mit besonderen AnforderungenDie Weiterentwicklung zu einem leichten, sicheren und kostengünstigen Bauteil führt zum Rundkneten als Fertigungsverfahren. Dieses erfüllt die genannten Forderungen in optimaler Weise, indem in mehreren Umformoperationen in Verbindung mit weiteren Arbeitsgängen auf einer Transferanlage eine gewichtsoptimierte Kolbenstange aus Rohr hergestellt wird.Generell kann das Rundkneten alle metallischen Werkstoffe verarbeiten, sofern die Dehnung ausreichend ist. Als Werkstoff für die Kolbenstange wird in der Regel ein geschweißtes Rohr nach DIN 2393 aus St 52-3 BK eingesetzt. Im Vergleich zur massiven Kolbenstange wird je nach Durchmesser und Länge bei gleicher Stabilität eine Gewichtseinsparung von 400 bis 600 g pro Stück erreicht, das heißt, bei zwei vorderen Federbeinen sind das 0,8 bis 1,2 kg pro Fahrzeug. Dies entspricht einer Gewichts- beziehungsweise Materialeinsparung von zirka 50%. Durch die Kaltumformung verbessern sich auch die mechanischen Eigenschaften. Somit liegt ein weiterer Vorteil der rundgekneteten Teile in der höheren Belastbarkeit infolge des ununterbrochenen Faserverlaufs und der Kaltverfestigung des Materials. Eine Kerbwirkung, wie sie bei spanender Bearbeitung entsteht, wird weitgehend vermieden.Auf der Kolbenseite muss die hohle Kolbenstange druckdicht sein und auf der Befestigungsseite gegen Spritzwasser geschützt werden. Bei entsprechend gewählter Ausgangswanddicke sowie einem ausreichend starken Umformungsgrad ist die beim Rundkneten erzielte Wanddickenzunahme ausreichend groß, um das Werkstück druckdicht zu verschließen (Prüfdruck 300 bar). Die verbleibende Bruchdehnung des Zapfens nach dem Rundkneten ist noch ausreichend, um problemlos ein Außengewinde aufzurollen.Reicht das vorhandene Material bei vorgegebenen Maßen für Ausgangs- und Reduzierdurchmesser sowie Wanddicke nicht aus, um das Rohr zu verschließen, so kann im Bereich des Zapfens ein Stift eingelegt werden, welcher durch das Rundkneten umschlossen wird. Auch in diesem Fall kann Druckdichtheit garantiert werden.An der gegenüberliegenden Befestigungsseite wird während des Rundknetens ein Innenwerkzeug beziehungsweise Dorn unter den Bearbeitungsbereich gestellt. Dadurch wird bei der Herstellung der gewünschten Außengeometrie ohne größeren Aufwand am Werkstück ein Innensechskant sowie eine passgenaue Bohrung erzeugt. Durch nachfolgendes Einpressen einer Kugel oder eines Bolzens wird der Innenraum gegen Eindringen von Feuchtigkeit geschützt.Eine Herausforderung bei der Bauteilentwicklung stellten die funktionsbedingt notwendigen 90°-Schultern dar. Hier mussten gemeinsam Lösungen erarbeitet werden. Da die Werkzeuge beim Rundkneten radial auf das Werkstück einwirken, verringert sich die Wandstärke im Übergangsbereich bei der Herstellung von Steilschultern über 45°, was insbesondere bei der Kolbenstange nicht erwünscht ist. Um Funktions- und Fertigungserfordernissen gleichermaßen gerecht zu werden, wurden die Anschlagflächen durch einen so genannten Adapterring geschaffen, der kraft- und wegüberwacht aufgepresst wird (Bild 4).Durch Rundkneten sind hohe Umformgrade möglichDurch eine weitere Entwicklungsstufe ist es nun möglich, auch die erforderliche 90°-Schulter umformtechnisch auszubilden. Bei diesem patentierten Umformverfahren wird zunächst eine Vorform des Übergangsbereiches mit Hilfe des Rundknetens erzeugt und mit einem weiteren, ebenfalls spanlosen Umformschritt die rechtwinkelige karosserieseitige Anschlagsschulter erzeugt.Generell können durch Rundkneten in einem oder mehreren Arbeitsgängen vergleichsweise hohe Umformgrade realisiert werden, ohne dass hieraus die Notwendigkeit des Zwischenglühens entsteht. Je nach Ausführung werden die Enden der Kolbenstangen in zwei oder drei Schritten rundgeknetet. Ein Zwischenglühen ist in keinem Fall notwendig, auch wenn der Umformgrad in der Regel mehr als 70% beträgt.Toleranzen im Bereich von IT 8 beziehungsweise 9 sind mit dem Rundknetverfahren problemlos zu erzielen. Insofern können die Enden der Kolbenstange einbaufertig hergestellt werden.Die Bearbeitung beider Werkstückenden einer hohlen Kolbenstange kann sehr wirtschaftlich auf einer entsprechend konfigurierten Transferlinie erfolgen. In diese werden abgelängte Rohrabschnitte eingegeben. Auf linear verketteten Rundkneteinheiten, welche je nach Bedarf durch weitere Bearbeitungseinheiten zum Plandrehen, Gewinderollen und Kugeleinpressen ergänzt werden können, werden alle Bearbeitungsschritte in einem Maschinendurchlauf ausgeführt. Jedes Bearbeitungsaggregat ist schwingungsentkoppelt auf einer einzelnen, schweren Bodenplatte aufgebaut, welche über Schwingmetallelementen direkt auf dem Hallenboden steht. Das ebenfalls separat aufgestellte und damit schwingungsentkoppelte Transfersystem kann zur Durchführung von Reinigungs- und Instandhaltungsarbeiten oder für den Werkzeugwechsel auf Überkopfhöhe hochgefahren werden. Der Schallpegel der Rundkneteinheiten liegt über 90 dB(A). Um diesen auf den maximalen zulässigen Wert von 78 dB(A) zu vermindern, wird über der Gesamtanlage eine Schallschutzkabine aufgebaut, welche mit elektrisch abgesicherten Türen gleichzeitig als Sicherheitseinrichtung dient.Maschinen und Anlagen können dem jeweiligen Produkt spezifisch angepasst werdenEin aktuelles Beispiel für eine solche vollautomatische Rundknet- und Bearbeitungslinie stellt eine Felss-Anlage Modell HA 40-10 VUE dar. In dieser sind fünf Rundknetstationen, zwei Drehstationen, eine Gewinderollstation sowie zwei Montageeinheiten zum Einpressen einer Kugel und zum Aufpressen von einem Adapterring zusammengefasst.Eine zur Zeit im Aufbau befindliche Anlage, ebenfalls mit zehn Bearbeitungsstationen, ist mit dem vor beschriebenen Aufbau vergleichbar. Allerdings ist die Station zum Aufpressen des Adapterrings nicht erforderlich. Stattdessen ist eine Umformeinrichtung zum Anformen der 90°-Anschlagschulter im Gesamtmaschinenkonzept vorgesehen.Die oben beschriebene Prozesskette zur Herstellung von hohlen Stoßdämpfer-Kolbenstangen, die im Rundknetverfahren hergestellt werden, deckt die meisten Gestaltungsvarianten unterschiedlicher Systeme und Hersteller ab. Obwohl die oben beschriebene Transferlinie starr verkettet ist, bietet sie trotzdem die erforderliche Flexibilität, um Kolbenstangen unterschiedlichster Längen, Durchmesser und unterschiedlichen Geometrien wirtschaftlich herzustellen. Der Rüstaufwand ist, insbesondere wenn die Maschine mit einer NC-Steuerung ausgerüstet ist, minimal.