Effiziente Herstellung von Hinterschnitten ermöglicht

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IPH Institut für integrierte Produktion Hannover gGmbH

Dabei wird die gesamte Prozesskette betrachtet: Zunächst wird der Umformprozess ausgelegt, wobei der Fokus auf der Auslegung des mehrdirektionalen Umformschrittes liegt. Anschließend werden Versuchsschmiedungen durchgeführt und die Bauteile und voreingebrachten Bohrungen auf ihre Qualität hin untersucht. Abschließend werden die so hergestellten Stahlkolben spanend bearbeitet, geprüft und die Wirtschaftlichkeit der Prozesskette untersucht.

Neues Umformverfahren nutzt Vorteile des mehrdirektionalen Schmiedens

Mit herkömmlichen Schmiedeverfahren können keine horizontalen Bohrlöcher in ein Bauteil eingebracht werden, denn die Presse formt das Bauteil nur durch Druck von oben. Deshalb soll jetzt ein neues Umformverfahren entwickelt werden, das auf dem sogenannten mehrdirektionalen Schmieden aufbaut. Hierbei wird nicht nur durch Druck von oben umgeformt, sondern zusätzlich durch Druck von den Seiten. „Dieses mehrdirektionale Schmieden wurde am IPH bereits erfolgreich erprobt, sodass ein ähnliches Verfahren auch die Hinterschnitte in Stahlkolben ermöglichen kann“, unterstreicht Langner die Kompetenz seines Institutes.

Um eine möglichst belastbare industrierelevante Verfahrenslösung zu realisieren, gehen die Projektpartner schrittweise vor. Zuerst soll durch eine iterative Prozessauslegung mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) der Umformprozess entwickelt werden. Auf Basis dieser Prozessauslegung werden die Schmiedewerkzeuge konstruiert, wobei ein besonderer Schwerpunkt natürlich auf der Entwicklung des mehrdirektionalen Schmiedeprozesses zur Einbringung der Hinterschnitte liegt.

Umformversuche auf industrieller Exzenterpresse

In einem zweiten Schritt finden die Umformversuche auf einer industriellen Exzenterpresse statt. Das Werkzeugkonzept dafür entwickelt das IPH. Die Versuche sollen auf einer vorhandenen Exzenterpresse an einem Partnerinstitut, dem Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz-Universität Hannover, durchgeführt werden. Hierbei soll der Stofffluss und insbesondere die Funktionalität der mehrdirektionalen Umformstufe untersucht werden. Außerdem wird die Qualität der Bohrungen und der geschmiedeten Stahlkolben entsprechend untersucht.

Im letzten Schritt sollen dann die hergestellten Stahlkolben spanend bearbeitet und Versuche auf einem Prüfstand durchgeführt werden, um die Funktionalität zu beurteilen. Durch die ergänzende Wirtschaftlichkeitsanalyse soll eine genaue Abschätzung der Vorteile des Prozesses ermöglicht werden.

Weniger Material im Umformprozess und einfachere spanende Bearbeitung

Das Forschungsprojekt, welches über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V., AiF e.V., im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird, wurde im April 2014 gestartet und läuft bis Ende Februar 2016.

Auf einer Veranstaltung konnten die Projektpartner bereits wesentliche Parameter für die Umsetzung definieren und konkrete Etappenziele für das weitere Vorgehen definieren. Projektkoordinator Jan Langner fasst die ersten Ergebnisse zusammen: „Die Stadienfolge zum Einbringen der Hinterschnitte bedarf nur noch letzter Anpassungen. Aktuelle Simulationen zeigen eine Materialersparnis von etwa 6 % bei dem gewählten Beispielkolben. Einflussparameter, wie Temperaturen oder Geometrien der Stempel zum Einbringen der Hinterschnitte wurden ebenfalls identifiziert. Ein Konzept für das Werkzeug besteht und wird zurzeit detailliert ausgearbeitet.“

Fest steht: Kolben für Fahrzeugmotoren werden allein in Deutschland jedes Jahr millionenfach hergestellt. Könnte man nach dem Schmieden des Kolbens die Bohrung für den Kolbenbolzen mit einem effizienten Verfahren produzieren, also diesen, so wie im Projekt vorgesehen, schon während des Schmiedens einbringen, wären die Einsparungen erheblich. Die Ingenieure des IPH schätzen, dass bis zu 10 % Materialeinsparungen möglich sind.

Die Vorteile liegen also auf der Hand: Durch das neue Verfahren kann Material im Umformprozess gespart und die nachfolgende spanende Bearbeitung vereinfacht und verkürzt werden, was letztendlich zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit des gesamten Prozesses führt.

* Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde ist Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik in 99094 Erfurt, Tel: (03 61) 78 94 46 95, info@bose-munde.de

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