Querkeilwalzen Zwischenformen für das Gesenkschmieden

Durch die effiziente Erzeugung von Zwischenformungen mittels Querkeilwalzen wird die notwendige Erwärmungsenergie beim Gesenkschmieden reduziert, die Materialausnutzung verbessert und eine endformnahe Gestalt erreicht.

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Das Querkeilwalzen ist ein rotierendes Druckumformen von Ausgangsformen mit Kreisquerschnitt. Dabei werden zwei Werkzeugelemente gleichsinnig drehend oder gegeneinander geradlinig angetrieben. Die Werkzeughälften, die sich so auf dem Werkstück abwälzen, enthalten dabei die Negativform der zu walzenden Werkstücke. „Durch das radiale Einstechen der Walzkeile in die Anfangsform und das Abwalzen des Werkstoffes in axiale Richtung wird der Anfangsdurchmesser entsprechend der im Werkzeug gespeicherten Form verringert“, erklärt Jürgen Steger, Gruppenleiter Walzverfahren am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz.

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Er beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der Thematik. „Das Verfahren wird derzeit vorwiegend als Masseverteilungsverfahren in der Großserien- und Massenfertigung der Stahlschmiedeindustrie eingesetzt“, so Steger. Einerseits werden Vorformen für das Schmieden in gleicher Wärme erzeugt, andererseits wellenförmige Endformen, die im Anschluss noch spanend fertig bearbeitet werden müssen. Am Fraunhofer-IWU war es letztendlich die Suche nach Möglichkeiten zu Materialeinsparungen und Energiekostensenkungen beim Gesenkschmieden von Titanlegierungen, welche dann zum Querkeilwalzen mit modularen Werkzeugen und zur Umsetzung neuer Verfahrenskonzepte führte.

Modulare Werkzeugauslegung ermöglicht verschiedene Formen

Ein Grund für den überwiegenden Einsatz in der Massenfertigung ist das formgebundene Werkzeug, denn beim Querkeilwalzen ist mit einem Werkzeug prinzipiell nur eine Form beziehungsweise eine Geometrie der Zwischenform herstellbar. Doch das Verfahren könne aus technologischer Sicht ebenso für Prototypen oder auch die Stückzahl 1 eingesetzt werden, so Steger. Er beschreibt die Möglichkeiten der Werkzeugauslegung für das Querkeilwalzen so: „Für geometrisch ähnliche Zwischenformen ist es durch eine segmentartig strukturierte Bauweise bei Querwalzwerkzeugen prinzipiell denkbar, eine modulare Konstruktion der Werkzeuge umzusetzen. Diese würde es erlauben, durch den Austausch beziehungsweise die Verstellung einzelner Werkzeugsegmente unterschiedliche Größen geometrisch gleicher oder ähnlicher Zwischenformen zu erzeugen. Und damit würde das Querwalzen dann auch für kleinere Stückzahlen interessant.“ Gleichzeitig bieten die modernen Entwicklungen in der Steuerungs- und Regelungstechnik die Möglichkeit, geometriebildende Funktionen eines Umformwerkzeuges in die Steuerung der Maschinen zu integrieren. Damit könne der Kostenfaktor Umformwerkzeug gesenkt werden.

Im Rahmen eines gemeinsamen Projektes mit der Lasco Umformtechnik GmbH aus Coburg wurde eine Anlage entwickelt, die es erlaubt, mit einfachen Werkzeugen ähnliche Teilesortimente mittels Axialvorschub-Querwalzen herzustellen. Die formengebundenen keilförmigen Werkzeuge werden dabei durch Scheiben ersetzt, die während der Formgebung gesteuert die Konturen an den Werkstücken erzeugen.

Geeignet für das Querkeilwalzen sind vor allem Werkstoffe mit hoher Dehnung und Einschnürung, also insbesondere hochwarmfeste Werkstoffe. „Neben Stählen und Leichtmetalllegierungen sind auch Superlegierungen und intermetallische Werkstoffe geeignet“, erklärt Jürgen Steger.

Das Querkeilwalzen beschränkt sich nicht nur auf die Herstellung von typischen Formen zur schmiedetechnischen Weiterverarbeitung. Es ist auch für die Fertigung von Bauteilen einsetzbar, die bisher ausschließlich spanend hergestellt werden oder in Kombination verschiedener Verfahren, so zum Beispiel für die Fertigung von Getriebewellen. Bei der Herstellung von Lenkungsteilen an Kraftfahrzeugen senkt das Querkeilwalzen den Materialeinsatz wesentlich.

Umformverhalten von Titanlegierungen

Ein weiteres Beispiel ist der Triebwerksbau. Hier kommen präzisionsgeschmiedete Leitschaufeln aus der Standardlegierung Ti 6Al 4V zum Einsatz. Die Grundform für den gesamten Herstellungsprozess der Leitschaufeln wird dabei durch Gesenkschmieden erzeugt. Die Wissenschaftler des IWU verdeutlichten, dass durch den Einsatz des Querkeilwalzens die Anzahl der notwendigen Umformstufen zur Masseverteilung beim Gesenkschmieden von Triebwerkleitschaufeln aus Titanlegierungen verringert werden konnte. „Der damit verbundene Wegfall der vorbereitenden Arbeitsgänge zur Erwärmung, dem Schmiermittelauftrag und der Zwischenadjustage führte zu einer Verkürzung der Prozesskette. Die Fertigungskosten sind geringer und die Durchlaufzeit konnte wesentlich verkürzt werden. Durch die Einsparung an Zwischenerwärmung und den verbesserten Materialeinsatz konnte auch die notwendige Energiemenge für die Warmumformung verringert werden“, fasst Steger das Einsparpotenzial zusammen.

Das Herstellen genau dosierter Masseverteilungs-Zwischenformen schafft die Voraussetzung für die Anwendung des gratarmen Gesenkschmiedens. Fest steht: Das Querkeilwalzen ist sehr produktiv. So können durch eine festgelegte Taktfolge auch Mehrfachteile in einem Arbeitshub hergestellt werden. Und durch den definierten Hub ist das Verfahren außerdem gut zu automatisieren.

* Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde ist Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik in 99094 Erfurt

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