Umformtechnik Strukturoptimierte Bauteile per Innen-Hochdruckumformung

Autor / Redakteur: Mandy Rotter / Peter Königsreuther

Der Leichtbau ist auch bei Getriebekomponenten möglich. Chemnitzer Forscher demonstrieren das mithilfe der Innen-Hochdruckumformung (IHU). Und das kommt dabei heraus.

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Wie man durch Innen-Hochdruckumformung Bauteile von ihrer Struktur her optimieren kann, zeigen Experten vom ICM – Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e. V.. Hier ein Querschnitt durch die Fügezone eines Demonstratorbauteils: Ein Rohr mit Zahnradring.
Wie man durch Innen-Hochdruckumformung Bauteile von ihrer Struktur her optimieren kann, zeigen Experten vom ICM – Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e. V.. Hier ein Querschnitt durch die Fügezone eines Demonstratorbauteils: Ein Rohr mit Zahnradring.
(Bild: ICM)

Das ICM – Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e.V. stellt sich industriellen Aufgabenstellungen im Rahmen von Forschungsprojekten. Ein Schwerpunkt ist dabei die Integration von Teilprozessen, um Bauteile noch wirtschaftlicher fertigen zu können. Das Projekt „Verfahrenskombination aus Innenhochdruckumformen und Kaltwalzen zur Herstellung leichtgewichtiger Antriebs- und Getriebewellen für den vorzugsweisen Einsatz in Elektrofahrzeugen“ sollte dabei die Erzeugung einer Vorform durch den IHU-Prozess (Innen-Hochdruckumformung) mit nachfolgendem Verzahnungskaltwalzen untersuchen.

Strukturoptimierte Bauteile mit hohem Leichtbaugrad erfreuen sich steigender Nachfrage. Dabei rückt eine material- und energieeffiziente Herstellung immer stärker in den Fokus. Somit werden Alternativen zu den bisher am Markt etablierten Verfahren gesucht. Das prozessintegrierte Verfahren der Innenhochdruckumformung stellt dabei einen Lösungsansatz dar, bei der eine Verkürzung aktueller Prozessketten möglich ist und zugleich eine Verbesserung der Bauteileigenschaften erzielt werden kann.

Vor diesem Hintergrund konnte im Rahmen eines Forschungsprojektes die Herstellung eines Demonstrators einer Getriebehohlwelle noch oben beschriebenen Vorgaben bewiesen werden: Mithilfe des IHU-Prozesses wird eine Vorform erzeugt, die sich durch einen gefügten Zahnradring, einer axialen Sicherung desselben sowie durch eine Funktionswirkstelle mit größerem Außendurchmesser und lokaler Werkstoffanhäufung charakterisiert.

Die Werkstoffkombination will beherrscht sein

Der erste Prozess beginnt mit dem Einlegen des Rohres und dem gesteckten Zahnradring sowie dem nachfolgenden Abdichten des Halbzeuges durch die Axialstempel. Der Wirkmediendruck führt schließlich zu einer plastischen Dehnung des Rohres und zu einer elastischen Dehnung des Zahnradringes. Letzterer besitzt die Form eines P3G-Innenpolygones, wodurch sich außer dem Kraftschluss auch ein Formschluss einstellt, um die Übertragungsleistung zu steigern. Mithilfe einer gezielten Werkstoffauswahl sowie Geometriebestimmung der beiden Fügepartner kann eine größere elastische Rückfederung des Zahnradringes im Vergleich zum Rohr eingestellt werden, die zu einer Kontaktnormalspannung in der Fügezone führt und so zu einem Kraftschluss. Nach Untersuchung der Werkstoffkombination 16MnCr5 (Rohr) mit dem Vergütungsstahl 42CrMo4 des Fügeteils konnte ein maximales Drehmoment von 550 Newtonmetern aufgenommen werden. Als besonders vorteilhaft stellte sich insbesondere ein Austenitisieren des vergüteten Ausgangszustandes bei 850 °C mit anschließendem anlassen bei 430 °C zur Erhöhung der Festigkeit und der Härte heraus.

So läuft später alles ruhig und schwingungsarm

Zusätzlich zur Fügeverbindung wird eine axiale Sicherung des Zahnradringes ausgeformt, welche gegebenenfalls auch in der Kontur des Fügeteils enthalten sein kann. Diese ist notwendig, um eine Lagefixierung der durch die Schrägverzahnung hervorgerufenen Axialkräfte zu gewährleisten. Die Gravur des Werkzeuges ist im Übergangsbereich geometrisch so zu gestalten, dass über die gesamte Länge eine gleichmäßige Kontaktnormalspannung aufgebaut wird. Der maximale Wirkmediendruck dient dem Ausformen und Kalibrieren der äußeren Wellengeometrie, welche für einen ruhigen Lauf verantwortlich ist und auftretenden Schwingungen verhindert.

Vorbereitungen zum Verzahnkaltwalzen

Ein weiterer prozessintegrierter Baustein ist die partielle Erhöhung der Wanddicke, vorzugsweise im Bereich des Wellenendes. Das erreicht man durch das definierte axiale Zustellen des Dichtstempels. Im Ergebnis konnte so die Wanddicke von 2,75 auf 4,5 Millimeter über eine axiale Länge von 65 Millimeter gesteigert werden. Der Innendorn des Axialstempels begrenzt dabei den radialen Werkstofffluss und ermöglicht den nachfolgenden Prozess des Verzahnungskaltwalzens. Aufgrund des geringen Normalmoduls von 1,0583 Millimeter der Steckverzahnung wird diese direkt in die Funktionswirkstelle gewalzt. Dafür sind aber besondere Anforderungen an Form- und Maßtoleranzen in diesem Bereich der Welle zu beachten. Durch das Eindringen der Rundwerkzeuge von 2 Millimeter bildete sich eine geschlossene Zahnkontur aus.

Das im Bereich des Zahnrands im Schnitt zuvor gezeigte Bauteil liegt hier nach dem IHU-Prozess (Innen-Hochdruckumformung) noch im Werkzeug.
Das im Bereich des Zahnrands im Schnitt zuvor gezeigte Bauteil liegt hier nach dem IHU-Prozess (Innen-Hochdruckumformung) noch im Werkzeug.
(Bild: ICM)

IHU-Verfahren ist herkömmlichen Methoden überlegen

Das Ergebnis beweist, dass man strukturoptimierte Bauteilen mittels Innenhochdruckumformen fertigen kann. Durch Integration von Fügen, Ausformen, Kalibrieren und partieller Erhöhung der Wanddicke in einen Pressenhub stellt das IHU-Verfahren eine Alternative zu den am Markt etablierten Verfahren dar. Es ist den üblichen Prozessen außerdem im Hinblick auf eine Verkürzung der Prozesskette sowie auf die durch die Umformung hervorgerufenen Effekte, wie Erhöhung der Festigkeit, eine hohe Dauerbelastbarkeit infolge eines durchgehenden Faserverlaufs und eine hohe Werkstoffausnutzung sogar überlegen.

Zusammengefasst konnte die Eignung der Prozesskombination Innenhochdruckumformen und Verzahnungskaltwalzen nachgewiesen werden und durch Substitution von zerspanenden Teilprozessen zugunsten umformender Verfahren eine ressourceneffiziente Alternative geschaffen werden.

Hier der fertige Demonstrator, hergestellt per IHU-Prozess. Das ICM beweist damit, dass man zum Beispiel Getriebehohlwellen günstiger fertigen kann, als mit herkömmlichen Verfahrenskombinationen.
Hier der fertige Demonstrator, hergestellt per IHU-Prozess. Das ICM beweist damit, dass man zum Beispiel Getriebehohlwellen günstiger fertigen kann, als mit herkömmlichen Verfahrenskombinationen.
(Bild: ICM)

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