Schmieden

Kurbelwellen lassen sich gratlos herstellen

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Wie bereits oben beschrieben, können im Fall der Kurbelwelle zeitgleich eine Verringerung der Bauteillänge, eine Vorformung der Kurbelwangen sowie eine Erzeugung eines Lagerversatzes erreicht werden. Der komplexe Materialfluss ermöglicht einen hohen Umformgrad, wodurch der benötigte Umformgrad beim anschließenden Fertigschmieden verringert wird. Damit einhergehend werden auch die Umformkräfte beim Fertigschmieden herabgesetzt. Da die Kräfte beim Fertigschmieden im Gesamtprozess die höchsten sind, wird auf diese Weise der Kraftbedarf des Gesamtprozesses verringert, wodurch ein Schmieden der Stadienfolge auf kleineren Pressen möglich ist.

Finale Geometrie für verkürzten Produktionsprozess entscheidend

Für die Auslegung der verkürzten, dreistufigen Stadienfolge ist die finale Geometrie der Kurbelwelle entscheidend. Diese wurde in Anlehnung an die Kurbelwelle aus der vierstufigen Stadienfolge entworfen und entspricht einer Einzylinderkurbelwelle mit den Nebenformelementen Zapfen und Flansch. Die Geometrie wurde zwecks Kosteneinsparungen kleinskaliert und die Vorformen so angepasst, dass eine systematische Variation der Parameter durchführbar ist. Nach der Top-down-Methode wurden die Geometrien der Vorformen von hinten nach vorne festgelegt; erst für die mehrdirektionale Umformstufe, dann für die Querkeilwalzstufe.

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Zum besseren Verständnis soll hier erst das Querkeilwalzen und dann die mehrdirektionale Umformung betrachtet werden. Die variierten Parameter zur Untersuchung der Gratbildung in der Kurbelwellenherstellung beim Querkeilwalzen sind Schulterwinkel und Querschnittsflächenreduktion. Zudem wurde festgelegt, dass die Massenanhäufungen aller Varianten trotz verschiedener Geometrien das gleiche Volumen besitzen. Dies stellt sicher, dass das Material zur Formung der Kurbelwangen nur aus den Massenanhäufungen der querkeilgewalzten Vorform kommt. Beim mehrdirektionalen Schmieden wurden Varianten mit und ohne Nebenformelemente sowie eine Variation des Lagerversatzes betrachtet. Je Parameter wurde ein großer Wertebereich untersucht, um ein möglichst breites Spektrum an Varianten erfassen zu können.

Simulation im Vorfeld senkt den Aufwand für die Schmiedeversuche

Nach der Festlegung der zu untersuchenden Werte je Parameter wurden mithilfe der FEM-Software Forge NXT Simulationen durchgeführt und ausgewertet. Dadurch ist es möglich, den Grenzbereich einzuschränken, in dem gerade noch Grat entsteht beziehungsweise gerade kein Grat mehr entsteht. Zudem reduziert eine simulative Voruntersuchung sowohl den konstruktiven als auch den experimentellen Aufwand für die experimentellen Versuche, da nur noch ein Teil der Varianten berücksichtigt werden muss.

Die Konstruktion des Querkeilwalz-Werkzeugs für experimentelle Versuche basiert auf bestehenden Berechnungsformeln. Aufgrund des abbildenden Umformcharakters und der Volumenkonstanz der Massenanhäufungen ist mit einem Satz Platten bei Variation des Schulterwinkels und der Querschnittsflächenreduktion nur eine Walzteilgeometrie herstellbar. Zur Formung des mittleren Hauptlagers zwischen den zwei Massenanhäufungen und zur Zentrierung des Halbzeuges sticht zuerst ein Keil mittig ein und reduziert lokal den Querschnitt, indem er das Material zu beiden Seiten hin verdrängt (Bild 6). Die beiden seitlichen Keile verdrängen das Material durch die einseitig schräge Flanke nur zu einer Seite nach außen. Das sich längende Bauteil erfährt anschließend auf einer Seite zur Formung des späteren Zapfens eine zusätzliche Querschnittsreduzierung durch zwei aufliegende Keile. Zur Sicherstellung des Abrollens sind an den Flanken der Keile Nuten eingebracht, in die das Werkstückmaterial eindringen kann.

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