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Kurbelwellen lassen sich gratlos herstellen

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Am Ende der Platte auf einer Strecke von eineinhalb Walzteilumdrehungen findet keine Breitung durch die Keile mehr statt, sondern nur noch ein Glätten der Oberfläche. Dies ebnet durch Nuten entstandene Unebenheiten ein, verbessert aber auch die Oberflächenqualität. Durch Überwalzen von Material nahe der Walzteil-Längsachse durch Material, das weiter von der Achse entfernt ist, entsteht eine Mulde an der Stirnseite des Walzteils. Da diese Mulde in folgenden Umformstufen nicht mit umgeformt werden soll, wird der Rohling mit einem kleinen Materialüberschuss beaufschlagt. Diese äußeren Enden werden nach dem Querkeilwalzen abgetrennt.

Erste Versuche zum Querkeilwalzen noch mit großem Materialüberschuss

Aufgrund der geringen Erfahrung mit der komplexen Walzteilgeometrie wurden erste Walzversuche zunächst mit einem großen Materialüberschuss durchgeführt (Bild 6). Im Falle einer industriellen Anwendung wäre der Überschuss aufgrund von vorhandenen Erfahrungswerten sehr viel geringer.

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Das mehrdirektionale Werkzeug ist horizontal geteilt und besteht von links nach rechts aus Stempel, linkem Schieber, linker Führung, mittlerem Schieber, rechter Führung, rechtem Schieber und Ausgleichsmasse (Bild 7). Die umgelenkte Kraft des Pressenstößels drückt den Stempel, die Schieber und die Ausgleichsmasse von außen in Richtung des mittleren Schiebers. Durch die Federn besteht zunächst ein konstanter Abstand zwischen Stempel und linkem Schieber sowie zwischen rechtem Schieber und Ausgleichsmasse. Letztere dient dazu, einen symmetrischen Prozess zu erzeugen, da ansonsten die Umlenkung der Kraft von der Vertikalen in die Horizontale aufgrund unterschiedlicher Winkel sehr viel komplizierter werden würde. Die Massenanhäufungen des Walzteils werden durch die Bewegung der Werkzeugkomponenten zueinander auf die Dicke der späteren Kurbelwangen verkürzt. Kleine Keile an den Schiebern lenken zeitgleich den mittleren Schieber in die laterale Bewegung um, die den Lagerversatz erzeugt. Nachdem der linke und rechte Schieber gegen Anschläge gefahren sind, komprimieren die Federn. Der Stempel bewegt sich weiter und formt den Flansch.

Modularer Aufbau erlaubt Umformen mehrerer Walzteillängen

Die Winkel an den Schiebern sind modular aufgebaut, sodass mehrere Walzteillängen umgeformt werden können. Dies erleichtert im Hinblick auf eine spätere Serienfertigung im industriellen Umfeld auch einen kostengünstigen Austausch von Werkzeugkomponenten.

Gegebenenfalls entstehender Grat fließt in einen Spalt zwischen dem mittleren Schieber und den beiden Führungen (Bild 8). Diese Lage wurde gewählt, da Grat dort am ehesten entsteht. Der Spalt selbst wurde mit 1 mm sehr dünn ausgelegt, sodass seine Dicke vernachlässigt werden kann. Dadurch kann der Grat allein parallel zur Bewegung des mittleren Schiebers ausgewertet werden (Bild 9).

Die Schieber sind so gestaltet, dass sie durch angrenzende Komponenten geführt werden, was unerwünschten Kippmomenten vorbeugt, aber die Einhaltung enger Toleranzen erfordert. Durch die horizontale Werkzeugteilung ist zwar ein einfaches Einlegen des Werkstückes gegeben, aber auch die exakte Zentrierung der Werkzeugober- und -unterhälfte zu gewährleisten. Ferner müssen die Federn, die von der Mubea Tellerfedern GmbH gespendet wurden, auf die auftretenden Kräfte ausgelegt und ein entsprechender Bauraum in der Konstruktion berücksichtigt werden. Der modulare Aufbau des Werkzeuges hilft auch im Falle von Verschleiß oder anderen Werkzeugschäden, da nur wenige Komponenten getauscht werden müssen. Zuletzt muss darauf geachtet werden, dass alle Komponenten fest auf dem Pressentisch montierbar sind; eine Beachtung einer logischen Zusammenbaureihenfolge bereits während der Konstruktionsphase ist daher ratsam.

Die vorgestellten Konstruktionen dienen der Gratuntersuchung bei der Herstellung von Kurbelwellen. Unter Variation der Geometrieparameter wird in nachfolgenden Untersuchungen gezeigt, bei welchen Parameterkombinationen ein Grat entsteht. Daraus wird abgeleitet, wie eine dreistufige Stadienfolge für Kurbelwellen komplett gratlos geschmiedet werden kann.

* Neelam Frederike Rasche ist Projektingenieurin am IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover – in 30419 Hannover

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