Axialvorschub-Querwalzen Komplexe Geometrien in kleinen Serien umformen

Massivumformer müssen sich dem Trend zur Klein- und Mittelserienfertigung stellen, obwohl ihre Fertigungsverfahren wegen der Entwicklungs- und Herstellungskosten häufig Mindeststückzahlen benötigen. Hier können inkrementelle Umformverfahren helfen.

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Durch Weiter- und Neuentwicklungen in der Prozessüberwachungs- und Steuerungstechnik und aufgrund ihrer Vorteile, zum Beispiel der Verfestigung durch die Umformung, gewinnen inkrementelle Umformverfahren wieder an Bedeutung [1]. In der Massivumformung betrifft dies insbesondere das Rundkneten, das Axialformen, das Ringwalzen, das Querwalzen sowie das Profilwalzen, die eine hohe Flexibilität bieten.

Axialvorschub-Querwalzen als Alternative zu den bekannten Fertigungsverfahren entwickelt

Anfang der 90er-Jahre wurde an der Technischen Universität Dresden als Alternative zu den bekannten Fertigungsverfahren eine Pilotanlage für das Axialvorschub-Querwalzen entwickelt. Die Basis bildete eine Zweischlitten-Profilwalzmaschine für Untersuchungen von Einflussgrößen auf den Walzprozess sowie von Walzergebnissen. In den Folgejahren griff der Maschinenbauer Lasco Umformtechnik die Verfahrensvariante auf und entwickelte zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz (IWU) einen Prototypen.

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Das Axialvorschub-Querwalzen ist ein inkrementelles Umformverfahren, bei dem die Fertigteilgeometrie fast vollständig mithilfe der Prozesskinematik realisiert wird. Damit können unterschiedliche, abgestufte rotationssymmetrische Geometrien beziehungsweise vielfältige Formen mit optimaler Masseverteilung erzeugt werden – im Gegensatz zum Querkeilwalzen ohne bauteilbezogene Umformwerkzeuge. Dabei ist sowohl der Einsatz von Knüppel- als auch Rundmaterial möglich. Der Umformprozess beruht auf der Relativbewegung zwischen einem zylindrischen Werkstück und zwei gleichsinnig bewegten Walzwerkzeugen, wobei diese durch eine Zustellbewegung in das Werkstück eindringen. Das frei drehende Werkstück wird über den Walzenkontakt in Rotation versetzt und durch eine hydraulisch betriebene Bewegung in axialer Richtung zwischen den Walzen hindurchgezogen. Die Axialbewegung des Werkstückes und die Radialbewegung der Walzen formen die Endkontur am Werkstück. Der Aufbau und das kinematische Prinzip des Axialvorschub-Querwalzens sind in Bild 2 beschrieben.

Axialvorschub-Querwalzen kann ab Losgröße eins wirtschaftlich sein

Im Gegensatz zum Querkeil- und Reckwalzen ist das Axialvorschub-Querwalzen geeignet zur Herstellung von Vorformen ab Losgröße eins. Eine Anwendung ist beispielsweise die Vorformgebung für nachfolgende Schmiedeprozesse. Durch eine bauteilangepasste Vorform beziehungsweise Masseverteilung werden so beispielsweise Voraussetzungen für das gratarme Gesenkschmieden geschaffen. Durch die Erzeugung der Bauteilgeometrie mittels einer Prozesskinematik kann der Formspeichergrad der Werkzeuge reduziert werden. Weiterhin ist es möglich, in einer Einspannung mehrere Einstiche und Überwalzungen zu realisieren, sodass Durchmesserreduzierungen von über 80 % am Werkstück möglich sind [4].

Die Strategie der Prozess- und Produktentwicklung in Form der Finite-Element-(FE-)Simulation hat viele Verbesserungen und Wettbewerbsvorteile mit sich gebracht. So werden FE-Simulationen häufig im Stadium der Prozessauslegung herangezogen, um zeit- und kostenintensive Vorversuche einsparen zu können. Inkrementelle Walzprozesse werden aufgrund ihrer Komplexität jedoch noch in den meisten Fällen nach dem Erfahrungswissen des Entwicklungsingenieurs ausgelegt. Im Gegensatz zu Gesenkschmiedeprozessen, bei denen eine FE-Simulation den Stand der Technik darstellt, ist die Auslegung von Walzprozessen noch nicht vollständig etabliert. Grund dafür sind die teilweise erheblichen Rechenzeiten, bedingt durch die inkrementellen Prozesse. Vor dem Hintergrund des „Trial and Error“ und dem Einsatz von Ressourcen verspricht die Nutzung der FE-Simulationen erhebliches Potenzial. So wurde beispielsweise am Fraunhofer-IWU ein Abgleich zwischen Realität und Simulation durchgeführt. Neben der Betrachtung der Umformkräfte, der Spannungs- und Dehnungsverteilungen, können bereits frühzeitig Aussagen getroffen werden, ob die entsprechenden Maschinenparameter ein hinreichend gutes Walzergebnis mit sich bringen [2, 3, 4].

Flexibles Verfahren mit relativ geringen Werkzeugkosten

Es zeigt sich, dass das Axialvorschub-Querwalzen ein Massivumformverfahren für die wirtschaftliche Fertigung von komplexen Bauteilgeometrien in kleinen Losgrößen ist. Die größten Vorteile dieses Verfahrens liegen in der Flexibilisierung, den vergleichsweise geringen Kosten für die Werkzeugfertigung, den niedrigen Umformkräften und der Möglichkeit zur Verarbeitung schwer umformbarer Werkstoffe. Neben dem Aspekt der Flexibilisierung der Bauteilherstellung kann, basierend auf den naturwissenschaftlichen Grundlagen und unterstützt durch FE-Simulationen, ein signifikanter Effekt hinsichtlich der Material- und Ressourceneffizienz erzielt werden.

Literatur

• [1] Groche, Peter; Fritsche, David (2005): Inkrementelle Massiv­umformung – Eine Technologie vor dem Comeback? in: WT Werkstattstechnik online95 (Nr. 10 2005), S. 798-802.

• [2] Groche, Peter; Fritsche, David; Tekkaya, Erman A.; Allwood, Julian M.; Hirt, Gerhard; Neugebauer, Raimund (2007): Incremental Bulk Metal Forming, CIRP Annals – Manufacturing Technology, (56/2 2007), S. 635-656.

• [3] Müller, Helmut (1984): Verfahren und Einrichtung zum Querwalzen rotationssymmetrischer Werkstücke, Patentschrift B 2490443 DDR (1984).

• [4] Gärtz, Stefan (2016): Einfluss der Prozessparameter beim Axialvorschub-Querwalzen auf die Bauteilgeometrieausbildung, Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau, Masterarbeit.

Institut für Integrierte Produktion Hannover

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* Nadine Schubert und Jürgen Steger sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in 09126 Chemnitz

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