5 Gründe für das Präzisionsschmieden

Fertigung II
Referat: Präzisionsschmieden
Von Michael Lotter, Alexander Ernst, Jan Dillmann, Kristian Kraljevic

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis...................................................................................... 2
Einleitung .................................................................................................. 3
Gründe für das Präzisionsschmieden ........................................................ 5
Die Verfahren............................................................................................ 7
Halbwarmumformung ............................................................................... 9
Beschreibung des Verfahrens................................................................ 9
Kaltumformung ....................................................................................... 10
Beschreibung des Umformverfahrens................................................. 10
Verfahrenskombinationen erhöhen die Genauigkeit............................... 11
Aluminium-Umformung ......................................................................... 12
Prozessparameter..................................................................................... 13
Prozessfähigkeit ...................................................................................... 14
Werkzeuge............................................................................................... 18
Anwendungsbeispiele ............................................................................. 19
Gangräder............................................................................................ 19
Klauenkupplungen und Synchronringe............................................... 21
Verzahnte Antriebswellen................................................................... 22
Zukunftsaussichten.................................................................................. 23
Net-Shape Umformung ....................................................................... 23
Präzisionsschmieden
Ernst, Lotter, Dillmann, Kraljevic 2

Einleitung
Das Schmieden ist eine der Fertigungstechniken, die aus dem
modernen Maschinenbau nicht mehr wegzudenken ist, besonders
da mit diesem Verfahren schnell große Stückzahlen von
Produkten hergestellt werden können. Den Hammer des
Schmieds haben seit langem gewaltige Maschinen abgelöst, die
mit ungeheurer Kraft, Metall in die gewünschte Form bringen. Mit
dem Ziel, auch beim Schmieden eine konstant hohe Qualität zu
erzielen.
Ob Haushalt, Flugzeuge oder Automobile – der Bedarf der
Industrie an metallischen Bauteilen ist riesengroß. Beim
industriellen Schmieden werden diese Teile zunehmend
automatisch in rascher Folge produziert. In Bruchteilen einer
Sekunde wird aus einem groben Stück Metall ein Zahnrad, eine
Pleuelstange oder eine Welle. Die Automatisierung und
Massenproduktion bringt aber auch Probleme mit sich, wenn es
um Qualität der Produkte geht. Im Zeitalter der ISO9000f-
Zertifizierung von Betrieben ist aber „Qualität“ ein Schlüsselbegriff.
Zwar können große Stückzahlen schnell und kostengünstig
hergestellt werden, jedoch ist eine reproduzierbare, konstante
Qualität der Werkstücke oft nicht ohne gezielte (rechnergestützte)
Maßnahme zu erreichen. Zu viele Faktoren beeinflussen indirekt
das Produktergebnis. Ungeheuere Kräfte wirken auf das Metall
ein, und es wird auf eine Temperatur von 1100 bis 1250 Grad
Celsius erhitzt. Daher kann es Stunden dauern, bis das fertige
Werkstück abgekühlt ist. Erst dann kann prüfend Hand an das
Bauteil gelegt werden, und für die Qualität entscheidende
Merkmale wie beispielsweise die Bauteilhöhe oder das
sogenannte „Zweikugelmaß“ bei Zahnrädern bestimmt werden.
Hat sich ein Fehler in den Prozess eingeschlichen, wird erst nach
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dem Erkalten bemerkt – unter umständen sind zwischenzeitlich
bereits hunderte Stücke Ausschuss entstanden.
Mit großer Genauigkeit entstehen metallische Bauteile beim
sogenannten Präzisionsschmieden. Auf den folgenden Seiten
werden wir Ihnen diese, immer mehr an Bedeutung gewinnende
Fertigungstechnik, erläutern.
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Gründe für das Präzisionsschmieden
Mit dem Präzisionsschmieden bietet sich eine recht junge
Technologie im Bereich der endkonturnahen Fertigungsverfahren
an. Besonders die Reduzierung kostenintensiver Nachbearbeitung
ist heute eine wesentliche Grundlage, um im harten Wettbewerb zu
bestehen. Nachbearbeitet wird höchstens noch mit Hart-
Feinbearbeitungen. Die geschmiedete Funktionsoberfläche bleibt
bis zum Ende erhalten. Mit dem Präzisionsschmieden als
Sonderverfahren des Gesenkschmiedens lassen sich
Werkstückqualitäten erzielen, die erheblich höher sind als beim
konventionellen Gesenkschmieden. Es können IT – Qualitäten von
bis zu 7 erzielt werden, in der Regel aber bis 9. Die IT – Qualitäten
stellen dabei den Maßstab eines präzisionsgeschmiedeten Bauteils
dar. Viele Hersteller schmücken sich irrtümlicher Weise mit der
Aussage, Präzisionsschmieden zu können. Eine Verringerung der
Toleranz von z.B. 0,8mm auf 0,5mm heißt noch lange nicht, dass
das Bauteil präzise ist, sondern nur etwas genauer geschmiedet
wurde. Von einbaufertig kann hier nicht die Rede sein. Schon gar
nicht, wenn man Funktionsflächen von Zahnräder bzw.
Turbinenschaufeln meint.
Nicht umsonst fließen daher alljährlich Forschungsgelder aus
Industrie und Staat in dieses Fertigungsverfahren. Die Vorteile
liegen klar auf der Hand; neben dem effizienten Einsatz von
Werkstoffen und der daraus resultierenden Einsparung von
Rohmaterial liefert diese Umformtechnik äußerst genaue und
zumeist einbaufertige Bauteile. Aufgrund ihres
beanspruchungsgerechten Faserverlaufes besitzen
präzisionsgeschmiedete Bauteile sehr gute
Festigkeitseigenschaften. Die molekulare Struktur wird hier nicht,
wie z.B. bei den spanenden Verfahren, unterbrochen. Es kann
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somit auch kleiner und kompakter konstruiert werden.
Unterschieden wird auch nach der Temperatur, mit der
geschmiedet wird, das sich in Kalt, Halbwarm und Warm unterteilt.
Zum einen ermöglicht das Warmmassivumformen, integriert mit
einem Wärmebehandlungsprozess, hochfeste Bauteile. Die
Kombination der integrierten Wärmebehandlung mit dem
Verbundschmieden bietet neue Perspektiven zur Herstellung
gradierter Bauteile. Auch Verfahrenskombinationen werden
verstärkt angewendet. Während die hauptsächliche Umformung im
Warmbereich statt findet, wird kalt meist zum „Nachkalibrieren“
verwendet. Schmiedbar sind denkbar viele Metallwerkstoffe.
Besonders Leichtmetalllegierungen wird hohe Beachtung
geschenkt, da durch die Kaltverfestigung und dem günstigen
Faserverlauf „HighTech“-Bauteile gefertigt werden können. Durch
die Einhaltung der geforderten Maß-, Lage- und Formtoleranzen
spricht man hier von einem „Net Shape“ Verfahren.
Zwei Drittel Abfall.
Keinen Abfall
Wenn man dieses Ventilgehäuse gibt es, wenn Sie das
konventionell herstellt, braucht man Gehäuse spanlos produzieren
pro Stück 90 Gramm Stahl - und gut - mit 120 Stück pro Minute -
zwei Drittel davon gehen in den also mehr als zehnmal
Abfall. Leistung: Ein moderner schneller als das
Automat produziert etwa 10 Stück
pro Minute.
konventionelle Verfahren.
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Die Verfahren
Wie schon erwähnt wird das Präzisionsschmieden in die
Temperaturbereiche Kalt, Halbwarm und Warm unterteilt.
Durch eine Warmmassivumformung, wie z.B. dem
Gesenkschmieden, lässt sich ein breites Teilespektrum mit
komplexer, mehrachsiger oder hebelförmiger Gestalt aus den
unterschiedlichsten Stahlsorten auch bei kleinen Losgrößen
wirtschaftlich herstellen. Die Zunderbildung bei
Schmiedetemperaturen im Bereich um die 1000°C begrenzt jedoch
die erreichbare Genauigkeit und Oberflächengüte.
Durch eine Kaltmassivumformung, wie z.B. dem Kaltfließpressen,
ist eine wesentlich höhere Genauigkeit und Oberflächengüte
erzielbar. Die Grenzenliegen hier jedoch in den
Formgebungsmöglichkeiten, da hauptsächlich
rotationssymmetrische Teile hergestellt werden, und vor allem auch
in der Werkstoffauswahl. Das begrenzte Formänderungsvermögen
erfordert ggf. Zwischenbehandlungen.
Bei der Halbwarmumformung von Stahl wird hauptsächlich im
Temperaturbereich von 650 bis 900°C gearbeitet. In diesem
Bereich ist die Fließspannung gegenüber der Kaltumformung bei
den meisten Stahlsorten um über die Hälfte reduziert. Die jeweils
zutreffende Temperatur ist abhängig von der Stahlsorte, der Größe
des Bauteils und der Zahl der Umformstufen und muss
bauteilspezifisch festgelegt werden. Wegen der geringeren
Mengenleistung und höhere Investitionskosten in Maschinen und
Werkzeuge ist dasselbe Bauteil aus gleichem Werkstoff halbwarm
gefertigt etwas teurer als kaltumgeformt. Eine gegenüber der
Kaltumformung kostengünstigere Herstellung ergibt sich dann,
wenn durch die Halbwarmumformung mehrere Pressarbeitsgänge
mit aufwendigen Zwischenbehandlungen (Zwischenglühen,
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Oberflächenbeschichten) eingespart werden können. Bei einem
Wirtschaftlichkeitsvergleich sollte aber auch die spanende
Bearbeitung einbezogen sein. Endkonturnahe (Near-Net-Shape)
oder auf Fertigmaß (Net-Shape) umgeformte Bauteile oder die
Einsparung von Wärmebehandlungsaufwand relativieren am Ende
den Kostenunterschied.
Besonders geeignet für die Präzisionsumformung im
Halbwarmbereich ist die Bauteilfamilie der Gleichlaufgelenke, wie
z.B. Achszapfen, Kugelnaben, Tulpenwellen oder Tripodsterne.
Aufgrund der Anforderungen an Werkstoff, Formgebung und
Genauigkeit sind sie besonders gut geeignet, auch da sie im
Automobilbereich an wachsender Bedeutung gewinnen. Weitere
Bauteile finden Sie später unter Anwendungsbeispiele.
Abschließend eine Gegenüberstellung einiger Daten der drei
Umformmöglichkeiten in Bild 1.
Warmumformung Kaltumformung Halbwarmumformung
(Gesenkschmieden) (Kaltfließpressen)
Umformtemp. bei
Stahl
i. a. über 1.000°C Raumtemperatur i. a. zw, 650 u. 900°C
Formgebung Beliebig, ohne Hauptsächlich
Möglichst
Hinterschneidung in Rotationssymmetrisch rotationssym-
Umformrichtung
metrisch oder
achsensymmetrisch
Stahlsorten Beliebig Niedriglegierte Stähle; C beliebig; sonstige
C < 0,5 % ; sonstige Legierungselemente
Legierungselemente <
3%
< 10%
Umformvermögen i. a. beliebig Umformgrad ϕ < 1,6 Umformgrad ϕ i.a. >
1,6
Vorbehandlung der Keine GKZ – Glühen,
u. U. graphitieren
Abschnitte
phosphatieren, seifen
Zwischenbehandlung Keine Falls ϕ > 1,6:
zwischenglühen,
erneute
Oberflächenbehandlung
i. a. keine
Erreichbare
Genauigkeit
IT 16 bis IT 12 IT 11 bis IT 7 IT 12 bis IT 9
Oberflächengüte Rt > 100 µm 5 bis 20 µm < 50 µm
Wirtschaft. Losgröße
(Stückgewicht ca.
1kg)
Ab 500 Stück Ab 3.000 Stück Ab 10.000 Stück
Werkzeugstandmenge Ca. 5.000 Stück Über 20.000 Stück Ca. 10.000 Stück
Werkzeug- und
Entwicklungskosten
i. a. < 10.000 DM 10.000 bis 20.000 DM i. a. über 20.000 DM
Werkstoffausnutzung 60 bis 80 % i. a. über 90 % i. a. über 90 %
Bild 1: Tabelle zur Verfahrenscharakteristika der Warm-, Kalt- und Halbwarmumformung
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Halbwarmumformung
Beschreibung des Verfahrens
• Verbindet die nahezu unbegrenzten Möglichkeiten der
Warmumformung
Kaltumformung
mit der hohen Präzision der
• Umformen bei Temperaturen zwischen 650 ºC - 900 ºC
• Hauptsächlich automatisierte Fertigung
Vorteile und Eigenschaften
• Gute Oberflächenbeschaffenheit Rt 50 µm
• Geringere Umformkräfte als beim Kaltumformen, fast
gleiches Umformvermögen wie bei der Warmumformung
• Keine Zunderbildung
• Erreichbare Genauigkeiten IT12 bis IT9 (Kombination
zwischen Halbwarm- und Kaltumformung: IT11 bis IT7)
• Keine Oberflächen- und Zwischenglühbehandlung notwendig
• Einbaufertige Formelemente
• Nahezu alle Stahlqualitäten umformbar, C-Gehalt beliebig;
sonstige Legierungselemente < 10%
Verwendung
• Im Antriebsstrang (Kardan- und Gelenkwellen)
• In Dieseleinspritzanlagen (PKW und LKW)
• Im Getriebe
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Kaltumformung
Beschreibung des Umformverfahrens
• Ausgehend von Stababschnitten werden durch
Massivumformung bei Raumtemperatur präzise Voll- und
Hohlteile hergestellt.
• Verwendung von meist vollautomatischen
Kaltmassivumformanlagen mit hohen Presskräften
• Herstellung vorwiegend rotationssymmetrischer und
achssymmetrischer Umformteile in Gewichtsbereichen von
200 g bis 20 kg aus Vergütungs- und Einsatzstählen
Vorteile der Kaltumformung
• Pressen von Teilen mit höchster Maßgenauigkeit
• Einbaufertige Funktionsflächen (z.B. Verzahnungen)
• Geringe Bearbeitungszugabe (Near-Net/Net-Shape)
• Günstiger Faserverlauf (d.h. höhere Dauerwechselfestigkeit)
• Festigkeitssteigerung durch Umformung
• Gute Oberflächengüte
• Gute Kombinierbarkeit mit anderen Umformverfahren
Teilespektrum
• Kegelräder
• Getriebewellen
• Hinterschnitt-/Vorgelegewellen
• Wellen mit Innen- und Außenverzahnung
• etc.
Verwendung / Produktgruppen
• Antriebsstrang
• Getriebe
• Pumpen
• etc.
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Verfahrenskombinationen erhöhen die
Genauigkeit
Durch die Kombination von Halbwarm- und Kaltumformung lassen
sich besonders maßgenaue Bauteile mit einbaufertigen
Funktionsflächen herstellen. Es sind Genauigkeiten und
Oberflächengüten wie bei der Kaltumformung erreichbar. Die
Kaltumformstufen beschränken sich nicht nur auf Kalibriervorgänge,
sondern es sind auch mehrstufige Operationen möglich, bei der die
Endgeometrie des Bauteils erst vollständig erzeugt wird.
Beispiele liefern hierzu Klauenpole mit Kern für Lichtmaschinen,
Differentialkegelräder mit gepresster Verzahnung,
Stechschlüsseleinsätze aus höherlegierten Vergütungsstählen
sowie Tulpenwellen und Achszapfen für Gleichlaufgelenke.
Die letzten genannten Teile werden aus dem Werkstoff Cf53
halbwarm gefertigt und nach einer Zwischenwärme- und
Oberflächenbehandlung zur Genauigkeitserhöhung zusätzlich noch
kalt abgestreckt. Damit lassen sich die Rollenlaufbahn in der
Innenkontur der Tulpenwellen mit einer Toleranz von ± 0,03 mm
herstellen, so dass keine spanende Nacharbeit mehr notwendig ist.
Eventuelle Härteverzüge nach der Induktionshärtung werden durch
eine Vorverzerrung berücksichtigt.
Die Entwicklung solcher präzisionsgeschmiedeter Bauteile
verursacht erhebliche Kosten, die sich letztlich nur bei
entsprechenden Seriengrößen, nicht unter 100.000 Stück,
wirtschaftlich vertreten lassen.
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Aluminium-Umformung
Im Automobilbau ist in den letzten Jahren vielfach eine Substitution
bewährter Werkstoffe durch neue werkstofftechnische Lösungen
erfolgt. Dazu zählt auch der verstärkte Einsatz von Aluminium. Den
Forderungen nach Leichtbau, Verarbeitbarkeit, Recyclebarkeit,
Alterungsbeständigkeit, Wirtschaftlichkeit und Qualität wird hierbei
optimal Rechnung getragen.
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Abgeschertes Rohteil
gewalzt
walzgeschält
gezogen
Sägen
Scheren
Ausgangsmaterial
Rohteilherstellung
Mechanisch-hydraulisch
Verhältnis von gebrauchter zu vorhandener
Umformkraft
Justiermöglichkeiten
Führungsgenauigkeit
Hubzahl
Prozessparameter
Heute wird das Muster oder die Zeichnung eines Teiles vorgelegt,
und es stellt sich dem Umformer die Aufgabe, aus einem
vorgeschriebenen Werkstoff, unter Einhaltung aller Toleranzen, mit
möglichst geringer spanabhebender Nacharbeit, eine
Fertigungsmöglichkeit zu entwickeln.
Für das Präzisionsschmieden sind eine Reihe von Faktoren zu
berücksichtigen, die die Qualität des Pressteils entscheidend
beeinflussen (siehe Bild).
Volumenkonstanz
fester/flüssiger Schmierstoff
Temperatur des Schmierstoffs
Sauberkeit
Was für Schmierstoff ?
Umformmaschine
Qualität des Pressteils
Tribologie
Oberflächenbehandlung
Werkstoff
Werkzeug
Umformverfahren
Gefüge
Festigkeit
spez. Eigenschaften
Genauigkeit
Standzeit
Federverhalten
Oberfläche
Blank gebeizt
getrahlt und gekälkt
phosphatiert & beseift
verkupfert
Einstufig
mehrstufig ohne Zwischenbehandlung
... mit Zwischenbehandlung
Kalt
Umformtemperatur Halbwarm
Warm
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Prozessfähigkeit
Zahnräder gehören neben den Wälzlagern zu den wichtigsten und
kostenintensivsten Komponenten in der Antriebstechnik.
Insbesondere in Getrieben des Geräte- und Kraftfahrzeugbaus
verwendete Zahnräder sind Massenteile die während des
aufwendigen Herstellungsprozesses eine erhebliche
Wertschöpfung erfahren. Um eine langfristige Sicherung der
internationalen Wettbewerbsfähigkeit zu gewährleisten, müssen
Neu- und Weiterentwicklungen bei der Fertigung von
Verzahnungen konsequent vorangetrieben werden. Ein großes
Einsparungspotential liegt in der Verkürzung von Fertigungsketten,
z.B. durch die Near-Net-Shape Technologie. Dabei zeichnen sich
Umformverfahren, insbesondere Präzisionsumformverfahren, durch
eine hohe Produktivität bei guter Werkstoffausnutzung als
besonders geeignet aus und führen darüber hinaus zu günstigen
mechanisch-technologischen Bauteileigenschaften.
Im Rahmen einer Forschergruppe wird am IFUM in enger
Zusammenarbeit mit anderen Instituten der Universität Hannover
die "Präzisionsumformung von schrägverzahnten Zahnrädern,
Herstellung, Wärmebehandlung und Prüfung" untersucht.
Aufbauend auf den Erfahrungen des Institutes für Umformtechnik
und Umformmaschinen beim Präzisionsschmieden geradverzahnter
Stirnräder wurde ein Verfahren zum einstufigen Formstauchen im
geschlossenen Gesenk entwickelt, das die vielfältigen Ansprüche
an den Schmiedeprozeß hinsichtlich Formfüllung,
Verzahnungsqualität, Prozeßsicherheit, Ausstoßproblematik und
einer einfachen robusten Bauweise erfüllt.
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Aufbau und Funktionsweise des verwendeten Werkzeugsystems
sind in Bild 2 und Bild 3 dargestellt.
Bild 2:Werkzeugsystem zum Zahnradschmieden
1. Oberstempel 2. Pressenbedienfeld
3. Matrize 4. Pressengestell
5. Federpaket 6. Pressentisch
Bild 3
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Links im Bild ist ein Rohteil vor und nach dem Umformen zu sehen.
Von den drei formgebenden Werkzeugbestandteilen ist lediglich die
Matrize verzahnt; Ober- und Unterstempel sind einfach und
kostengünstig herzustellende rotationssymmetrische
Werkzeugkomponenten (siehe Seite 16, Bild 3). Die Matrize ist in
Führungssäulen auf Tellerfederpaketen gelagert, die einerseits den
zur Umformung notwendigen Matrizenweg ermöglichen und
andererseits während der Umformung den Schließdruck zwischen
Matrize und Oberstempel erzeugen. Auf diese Weise wird ein
geschlossenes Gesenk zum gratlosen Schmieden verwirklicht.
Aufgrund der Schrägverzahnung von Matrize und Werkstück führt
das Zahnrad während des Ausstoßvorganges aus der Matrize eine
Schraubenbewegung durch. Der Ausstoßvorgang hat aufgrund des
geringen Schrägungswinkels von 10° keinen Einfluß auf die
Verzahnungsqualität. Dem Problem der Zunderbildung wird durch
eine induktive Erwärmung mit Erwärmungszeiten unter sechs
Sekunden begegnet. Mit diesem Verfahren ist es möglich,
Zahnräder mit den geforderten Eigenschaften (IT9) zu schmieden.
Schwerpunkte zukünftiger Arbeiten sind die Integration und
Automatisierung von Schmiedeanlage und Wärmebehandlung
sowie Untersuchungen zum Standzeitverhalten der Werkzeuge und
die Variation der Zahnradgeometrie.
Komplexe Bauteile werden in der Serie zur Zeit in mehreren
Schritten gefertigt. Bauteile aus Stahl werden beispielsweise
umgeformt, wärmebehandelt, spanend vor- und fertigbearbeitet.
Bisher fehlen jedoch Methoden und Hilfsmittel, mit denen über
Verfahrensgrenzen hinweg ein Gesamtoptimum für die zur
Fertigung eines Bauteils zu durchlaufende Prozeßkette hinsichtlich
Qualität, Zeit und Kosten erreicht werden kann. Ziel ist daher die
Entwicklung einer Methode zur Positionierung und Auslegung von
technologischen Schnittstellen zwischen aufeinander folgenden
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Fertigungsprozessen, bei der stets die Realisierung der optimalen
Prozeßkette im Vordergrund steht (Bild).
Die Hartfeinbearbeitung hat sich als vielversprechende Technologie
zur Steigerung der Effektivität einzelner Fertigungsverfahren aber
auch zur Verkürzung von Prozeßketten erwiesen. Die einzelnen
Fertigungsverfahren werden heute unabhängig voneinander so
ausgelegt, dass jedes für sich kosten- oder zeitgünstig betrieben
werden kann. Dabei bleiben erhebliche Potentiale unausgeschöpft,
da es letztlich vor allem auf die Minimierung der
Gesamtaufwendungen ankommt.
Außerdem soll stets der erforderliche Gesamtaufwand zur
Fertigung eines Bauteils im Vordergrund stehen. Im Rahmen eines
Rückführungsprozesses sollen Anforderungen z.B. hinsichtlich der
Genauigkeit oder des Aufmaßes, die sich aus dem Einsatz eines
Verfahrens der Hartfeinbearbeitung ergeben, spezifiziert und direkt
an den vorausgehenden Schmiedeprozeß zurückgegeben werden.
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Werkzeuge
Da sich die Massivumformung an der Grenze der zulässigen
Belastung von Werkzeug und Werkstoff bewegt, gerade im Near-
Net bzw. Net-Shape Bereich, erzeugen zuweilen geringfügige
Änderungen in der Formgebung oder der Werkzeuggestaltung
dramatische Veränderungen in der Standmenge der Werkzeuge
oder in der Produktivität.
Werkzeuge für die präzise Umformung gehören daher zu den
höchstbelasteten Gegenstände in dieser Technik. Sie werden bis
an die Grenze der Druckfestigkeit, der Zähigkeit und der
Verschleißfestigkeit der Werkzeugstoffe belastet. Eine geeignete
Konstruktion der Werkzeuge bestimmt entscheidend die
Lebenserwartung.
Um die Beanspruchung von Umformwerkzeugen und ihrer
Werkstoffe beurteilen zu können, muss man die
Einsatzbedingungen möglichst genau kennen. Durch neuartige
Beschichtungsverfahren wie Vakuum- und Plasmatechnologie wird
die Standzeit der Werkzeuge entscheidend erhöht. Bei der
Auslegung der Gravur werden heutzutage ausschließlich
computerunterstütze Programme verwendet, die sich mit der Finite-
Elemente-Methode (FEM) behelfen.
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Anwendungsbeispiele
Das industrielle Präzisionsschmieden ist im Vergleich zum
konventionellen Schmieden eine noch recht junge Technologie.
Den klassischen Anwendungsfall für die Entwicklung und den
erfolgreichen Einsatz des Präzisionsschmiedens bilden
Kegelradverzahnungen. So werden heute präzisionsgeschmiedete
Differential-Kegelräder weltweit in nahezu allen Achsen moderner
Nutzfahrzeuge eingesetzt. Aufbauend auf den hierbei gesammelten
Erfahrungen hat sich die Umformtechnik neue Anwendungsgebiete,
insbesondere im Bereich der Getriebeteile erobert.
Gangräder
Gangräder mit hinterstellter Kupplungsverzahnung für Pkw- und
leichte Kfz-Getriebe sind ein wichtiger und vielversprechender
Bereich neuer Produktanwendungen für das Präzisionsschmieden.
Durch Die Ausnutzung konstruktiver Gestaltungsmöglichkeiten
lassen sich erhebliche funktionale wie auch wirtschaftliche Vorteile
gegenüber klassisch hergestellten Gangrädern erreichen. Im
Vergleich zu spanabhebenden gefertigten Gangrädern kann die
präzisionsgeschmiedete Variante axial „kürzer“ und außerdem
durch Optimierung der Querschnitte erheblich leichter gestaltet
werden. Möglich wird dies durch die vertieft liegende
Kuppelverzahnung und die optimierte Bodengestaltung. Weitere
Vorteile sind zum Beispiel die Gleichzeitig eingeschmiedeten
Ölnuten sowie die nach außen offenen
Synchronkonuskuppeltaschen. Durch Fußausrundung wird die
Zahnfestigkeit erheblich verbessert. Umgeformte, gerundete
Funktionskanten am Kuppelzahn mindern den Verschleiß und
erhöhen den Schaltkomfort. Das Dach der
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Kuppelzähne ist mit symmetrischen und asymmetrischen
Einspurflächen dargestellt. Auch die Zahnquerschnitte sind im
Hinblick auf Flankenspiel, reduzierte Schaltkräfte und
Komfortverbesserung umformtechnisch optimal an spezifische
Anforderungen einer Synchronisierung anpassbar. Die
Durchmessertoleranzen des Kopfkreises der Kupplungsverzahnung
liegen bei 0,2 bis 0,3 mm. Der Teildurchmesser sowie das Maß
über zwei Kugeln in der hinterstellten Kuppelverzahnung können in
Serie mit 0,15 bis 0,20 mm eingehalten werden. Ausgehend von
der Kuppelverzahnung werden anschließend Radkörper und
Bohrungen des Gangrades bearbeitet. Vom Anwender des
Gangrades muß lediglich die schrägverzahnte Laufverzahnung
gefräßt und die Hartfeinbearbeitung im Anschluß an die
Wärmebehandlung ausgeführt werden.
Unter Ausnutzung aller konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten
verbessern präzisionsgeschmiedete Gangräder den Schaltkomfort.
Mindern Geräusch und Verschleiß und tragen dazu bei, Gewicht
und Baulänge des Schaltgetriebnes zu verringern. Derzeit werden
für Ein- und Mehrfachsynchronisationen weltweit umformtechnisch
hergestellte Gangräder erfolgreich eingesetzt.
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Klauenkupplungen und Synchronringe
Die Leistungsfähigkeit der Präzisionsschmiedetechnologie zeigt
sich auch im Bereich von Kupplungselementen und
Synchronringen. Hier bietet das Präzisionsschmieden gegenüber
der spanenden Fertigung vor allem dann Vorteile, wenn komplexere
Geometrien wie Hinterstellungen und unsymmetrische Teilungen zu
realisieren sind.
Die ständige Weiterentwicklung von Getrieben für Nutzfahrzeuge im
Hinblick auf das Reduzieren der Schaltwege und das Erhöhen der
zu übertragenden Momente führt zur Gestaltung von zusätzlichen
Funktionselementen, die in Synchronringe integriert sein müssen.
Damit steigen die Komplexität und die Feingliedrigkeit derartiger
Werkstücke. Der Zwang, diese Werkstücke auch in Serie
wirtschaftlich fertigen zu können, ist für die moderne
Fertigungstechnik eine große Herausforderung. Das Sintern
scheidet in vielen Fällen aufgrund extremer
Querschnittsunterschiede und Anforderungen an die Festigkeit des
Werkstückes als Herstellverfahren aus. Auch das Feinschmiede
kommt dann nicht in betracht, wenn Synchronringe in axialer
Richtung durch Funktionselemente stark gegliedert sind. Hier kann
das Präzisionsschmieden als Kombinationsverfahren von
Warmumformen und Kaltprägen hohe konstruktive Anforderungen
erfüllen. Neben engen Toleranzen der Kuppelverzahnung wird eine
hohe Genauigkeit in der Lage der Zahndächer erreicht. Sofern die
Übergangsradien zum Ringkörper schmiedetechnischen
Erfordernissen angepasst werden, können feingliedrige Nocken,
Laschen oder Ölnuten gestaltet werden.
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Verzahnte Antriebswellen
Waren die bisher beschriebenen Beispiele durch eine kombinierte
Warm-/Kaltumformung erzeugt worden, so lassen sich ja nach
Bauteilwerkstoff und –gestalt auch allein durch Kaltumformung
Präzisionsteile herstellen. Vor allem gilt dies für die Bauteilgruppe
„Getriebewellen“, die, sofern sie keine Hinterschneidung aufweisen,
den klassischen Einsatzfall für das Kaltfließpressen bilden. In
Anlehnung an die bisher vorgestellten Beispiele bildet die
Umformtechnik auch bei derartigen Bauteilen die Möglichkeit,
einbaufertige Nebenformelementen mit anzubringen, die sich
spanend nur mit erhöhtem Aufwand realisieren lassen. So können
Zahnwellenprofile mit Evolventenflanken unterschiedlicher
Durchmesser und großer Verzahnungslänge (bis 120mm) mit einer
einer Rundlaufgenauigkeit zwischen 0,05 bis 0,1 mm stufenarm und
wirtschaftlich hergestellt werden. Sowohl hinsichtlich der Maß- und
Formgenauigkeit als auch hinsichtlich der geforderten
Oberflächenqualität ist die Verzahnung einbaufertig. Die
Verzahnungsgeometrie kann abhängig vom Wellendurchmesser
nahezu beliebig gewählt werden. Kleinere Eingriffswinkel der
Verzahnung (

Zukunftsaussichten
Net-Shape Umformung
Der Trend in der Umformung geht zu möglichst endkonturnah
geformten Teilen, die keiner (Net Shape) oder nur noch geringer
spanender Bearbeitung (Near-Net Shape) mehr bedürfen. Diese
Entwicklung wird gerade durch neue Werkzeugbaustoffe, hoch
verschleißfeste Beschichtungen und rechnergestützte Prozeß- und
Werkzeugauslegung unterstützt. Auch will man die so genannte
„Null-Fehler-Produktion“ vorantreiben.
Bei Umformteilen, die einer spanenden Nachbearbeitung bedürfen,
führen die am Preßteil auftretenden Form-, Maß- und Lagefehler zu
einer erheblichen Beeinflussung der Endqualität. Die Abstimmung
der Umformung auf eine anschließende Zerspanung und
umgekehrt ist daher eine Voraussetzung für eine wirtschaftliche und
prozeßsichere Fertigungsfolge.
Die Trennung nach Warm-, Halbwarm- oder Kaltumformung wird
dabei keine entscheidende Rolle mehr spielen. Entscheidend ist,
das qualitativ beste Produkte durch den kostengünstigsten Prozeß
zu fertigen. In einigen Fällen gab es auch wieder einen Rückschritt
zur gewohnten Methode!!!
Quellen:
[1] Beitrag von Ing. Werner W. Adolf, Hagen
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