Quergewalzte Hohlwellen für den Fahrzeugbau

Aus ökologischer und energiepolitischer
Sicht sind Leichtbaukonzeptionen für die
Automobilindustrie zu einem Wettbewerbsfaktor
geworden. Bei der Realisierung
dieser Forderungen, die ohne Einbuße an
Lebensdauer und Zuverlässigkeit umgesetzt
werden müssen, zeichnen sich prinzipiell zwei
Wege ab. Einerseits der Einsatz neuer
Werkstoffe oder Werkstoffverbunde, die bei
gleichen Werkstoffeigenschaften kleinere
Massen zulassen und andererseits die beanspruchungsgerechte
Auslegung von Bauteilen
mit Stahlwerkstoffen.
Im Bereich der Fahrzeuggetriebe stellt das
Leistungsgewicht eines Getriebes (Verhältnis
zwischen Baugröße und Leistungswerten)
eine entscheidende Maßzahl
dar. Die Verbesserung des
Wirkungsgrads, die Verringerung
der Getriebegröße oder die Minimierung
des Gewichts bei gleicher
Baugröße sind Ziele des Konstrukteurs.
Seit mehreren Jahren werden
Untersuchungen zur Anwendung
und Herstellung von Getriebe-
Hohlwellen durchgeführt. Einen
Überblick zu bisherigen Entwicklungsrichtungen
gibt [1].
Aufgrund der konstruktiven
Gestaltung der Getriebe-Hohlwellen
(siehe Bild) lassen sich bei
der Herstellung der Innenkontur
durch die bekannten spanenden
Verfahren Grenzen erkennen. Ziel
muß es sein, unter der Nutzung formgebender
spanloser Fertigungsverfahren die Innenkontur
in Netshape-Qualität zu fertigen.
Insbesondere die geforderte Koaxialitätsabweichung
zwischen Innen- und Außenkontur
(0,3-0,5 mm) bei Wanddicken im
Bereich von Verzahnungen > 6 mm stellt an
die Fertigungstechnik hohe Anforderungen.
FACHBEITRÄGE
Quergewalzte Hohlwellen für den
Fahrzeugbau
Grundlagenuntersuchungen
Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Neugebauer, Dr.-Ing. habil. Bernd Lorenz und
Dipl.-Ing. Andre Wagner, Chemnitz
Die Beanspruchung einer Getriebewelle konzentriert sich auf den oberflächennahen Bereich,
während das Kernmaterial nur unwesentlich belastet ist. Daher gibt es seit mehreren Jahren
Bestrebungen der Fahrzeugindustrie, Getriebewellen als Hohlformen auszubilden.
Dieser Beitrag enthält erste Ergebnisse zu den Möglichkeiten des Querwalzens zur
Herstellung von Hohlwellen.
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2001
Das Querwalzen von Getriebe-Vollwellen bei
Warmformgebungstemperatur erweist sich
durch Taktzeiten zwischen 6 und 12 Sekunden
als ein äußerst produktives Verfahren. Durchgeführte
Voruntersuchungen zeigten, daß
auch Hohlwellen durch Querwalzen prinzipiell
herstellbar sind. Dabei zeigte sich, daß zum
Erreichen der geforderten Qualitäten einer
Hohlwelle die Innenkontur des Werkstücks
beim Walzen gestützt werden muß. Auf der
Grundlage dieser Ergebnisse wurde ein
Forschungsprojekt initiiert, das zum Ziel
hatte, die Grundlagen zur Herstellung von
Hohlwellen durch Querwalzen mit feststehenden
oder beweglichen Dornen zu erarbeiten.
Konstruktive Ausführung von Getriebe-Hohlwellen
Vorgehensweise
In einem ersten Schritt wurden an Hand
theoretischer Untersuchungen, begleitet von
Simulationsrechnungen, Möglichkeiten und
notwendige Anforderungen an eine Anlagentechnik
zum Querwalzen von Hohlwellen mit
Dornen analysiert. Grundlage hierfür waren
18
bekannte Erkenntnisse zum Querwalzen von
Vollwellen, sowie Analogieschlüsse zu ähnlichen
Verfahren zur Herstellung von Hohlformen,
wie Bohrungsdrücken oder Drückwalzen.
Im Ergebnis dieser Untersuchungen wurden
verfahrenstechnische Anforderungen formuliert
und ein Pflichtenheft zur Auslegung einer
Dorneinrichtung als Zusatzanlage für eine
Flachbacken-Querwalzmaschine erarbeitet.
Diese Dorneinrichtung wurde konstruiert,
gebaut und erprobt. Steuerungsseitig ist die
Dornbewegung frei programmierbar entsprechend
den Anforderungen des Walzprozesses
und den zu erreichenden Walzteilqualitäten.
Im weiteren wurde an Hand experimenteller
Untersuchungen der
Einfluß technologischer Parameter
des Walzprozesses, der Werkzeugparameter
und der Dorngestaltung
auf das Walzergebnis analysiert.
Im Besonderen wurde die Ausbildung
der Innenkontur der Werkstücke
beurteilt.
Querwalzen mit beweglichen
Dornen
Das Bild auf Seite 19 zeigt das
Verfahrensprinzip des Querwalzens
einer Hohlform mit beweglichen
Dornen.
Das auf Warmformgebungstemperatur
erwärmte Werkstück (ein
dickwandiger Rohrabschnitt) wird
zwischen den beiden Walzbacken
in die Querwalzmaschine eingelegt. Vor
Walzbeginn wird der rechte und linke Dorn in
die Innenkontur des Werkstücks eingefahren.
Mit Beginn des Walzprozesses der äußeren
Walzbacken werden die Dorne gesteuert aus
der Innenkontur des Werkstücks bewegt und
stützen dabei die Wandung des Rohrabschnitts
während deren Umformung.

Die gewalzten Versuchsproben wurden in
der Qualität der Außen- und Innenkontur
beurteilt. Es zeigte sich, daß sich in der
Ausbildung der Außenkontur gegenüber
bekannten Erkenntnissen vom Querwalzen
von Vollteilen prinzipiell keine Unterschiede
ergeben. Die maßliche Qualität der Außenkontur
ist bei Voll- und Hohlteilen in die gleiche
Toleranzgruppe einzuordnen.
Ausgehend von der Wanddicke der Anfangsformen
zeigt sich, daß beim Querwalzen
der Hohlformen mit beweglichen Dornen
immer eine Wanddickenverringerung auftritt.
Diese ist maßgeblich abhängig von der
Dornsteuerung. Neben einem radialen Werkstoffluß,
dem Einziehen der Hohlform, tritt
auch ein axialer Werkstoffluß auf. Dieser
axiale Werkstoffluß bewirkt die Wanddickenverringerung,
die um so
größer ist, je später, im Vergleich
zu den äußeren wirkenden
Walzkeilen, die Dorne gezogen
werden. Es zeigte sich, daß bei
größeren Wanddickenreduzierungen
die Qualität der Innenkontur
schlechter wurde. Im Extremfall
führte es zum Versagen
(Zerreißen) des Walzteils.
Die Oberfläche der Innenkontur
ist gekennzeichnet von der Ausbildung
von Sekundärzunder. Der
typische Primärzunder, wie er aus
Warmformgebungsprozessen
bekannt ist, tritt in der Innenkontur
trotz einer Erwärmung der Anfangsformen
auf bis zu 1250 °C
nicht auf.
Die Geometrie der Dorne zeigte
bei den durchgeführten Untersuchungen
keinen bedeutenden
Einfluß auf die Ausbildung der
Innenkontur. Daß aber eine Beeinflussung
der Innenkontur durch die
Dorne und deren Steuerung gegeben
ist, zeigt sich in Unter-
suchungen zum Walzen unterschiedlicher
Qualitäten der Anfangsformen.
Einerseits wurden
Anfangsformen mit unterschiedlichen
Rauheitswerten der Innenkontur, gebohrte und
ausgedrehte Anfangsformen (Ra=20-25µm)
und Anfangsformen mit unterschiedlichen
Exzentrizitäten zwischen Außen- und Innendurchmesser
(0,4-0,8mm) eingesetzt. In allen
Fällen sind diese Abweichungen in den
Anfangsformen im Walzteil nicht mehr nachweisbar.
Die Oberflächenrauheit der Innenkontur
wird während des Walzens durch den Einsatz
der Dorne merklich verbessert. Rauheitsmessungen
in der Innenkontur nach dem
Walzen ergaben bei optimierten Walzparametern
mit einem Mittenrauheitswert von
Ra=8,0 µm für die Warmumformung sehr
gute Werte. Haupteinflußfaktoren auf die
Oberflächenrauheit sind die Umform-
FACHBEITRÄGE
temperatur und der Keilwinkel des Querwalzwerkzeugs.
Auch die Exzentrizitäten in den Anfangsformen
sind nach dem Walzen nicht mehr
nachweisbar. Dies wird zurückgeführt auf die
federnde Lagerung der Dorne in Verbindung
mit deren Parallelführungsmechanismus, die
es erlauben, eine radiale Auslenkung der
Dorne während des Walzens von bis zu
1,5 mm aufzunehmen. Durch den kombinierten
radialen und axialen Werkstoffluß
während des Walzens im Werkstück werden
ursächlich die Abweichungen in der
Anfangsform beeinflußt.
Koaxialitätsmessungen zwischen Außenund
Innenkontur der Walzteile ergaben bei
optimierten Walzparametern Wanddickenunterschiede
von ∆s=0,28 mm.
Verfahrensprinzip des Querwalzens
einer Hohlform mit beweglichen Dornen Bilder: Fraunhofer IWU
Festigkeitsmessungen an gewalzten Versuchsproben
ergaben gegenüber den Anfangsformen
keine relevanten Unterschiede, was
für eine Umformung oberhalb der Rekristallisationstemperatur
des Stahls typisch ist.
Querwalzen mit feststehendem Dorn
Für das Stützen der Innenkontur einer
Hohlform beim Querwalzen ist neben dem
Einsatz von beweglichen Dornen auch die
Verwendung eines feststehenden Dorns möglich.
Dabei wird in die erwärmte Anfangsform
eine Dornstange eingeführt, die während des
Walzens ortsfest in der Bohrung verbleibt.
Der Dorndurchmesser entspricht dabei dem
Innendurchmesser der Anfangsform. Während
des Walzens wird der Werkstoff nur durch
axialen Werkstoffluß verdrängt. Dies ent-
spricht prinzipiell dem Querwalzen von
Vollmaterial. Durchgeführte Versuche zeigten,
daß diese Variante des Querwalzens einer
Hohlform nicht zu positiven Ergebnissen
führt. Bereits kurz nach Walzbeginn kommt es
zur Ovalisierung der Werkstücke. Dieses
äußert sich darin, daß sich die Innenkontur der
Hohlform, die durch den feststehenden Dorn
gestützt werden soll, in ihrem Durchmesser
vergrößert. Bei zu starker Ovalisierung und
gleichzeitiger Wanddickenreduzierung durch
den vorherrschenden axialen Werkstofffluß
kommt es zum Versagen (Aufreißen) des
Werkstücks.
Die dargestellten Ergebnisse sind Grundlagenerkenntnisse
auf einem ingenieurtechnisch
bisher nicht betrachteten Gebiet der
Fertigungstechnik. Es hat sich
gezeigt, daß die Ergebnisse beim
Querwalzen von Hohlwellen mit
beweglichem Dorn wesentlich
besser sind als mit einem feststehenden
Dorn. In einem Projektdatenblatt
wurden Richtlinien
formuliert, aus denen für Werkstücke
ähnlicher Größe und Form
Parameter für die Anfangsform,
für die Werkzeugkonstruktion des
Querwalzwerkzeugs und für die
Dorne sowie für die technologischen
Größen und Empfehlungen
zum Einsatz einer Querwalzmaschine
entnommen werden können.
Für die zukünftigen Arbeiten
zum Thema Herstellung von Hohlwellen
durch Querwalzen sind
weitere vertiefende Arbeiten geplant.
Schwerpunkte dabei sind die
Modifikation, Optimierung und
Verifizierung der Verfahrensparameter
sowie Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen
zum Verfahren
und daran angrenzender Gebiete.
Literatur:
[1] Landgrebe, D., H. Nägele und
B. Lorenz:
Umformtechnische Innovationen bei der
Herstellung von Getriebewellen. 7. Sächsische
Fachtagung Umformtechnik, Chemnitz, 2000,
S. 357/369.
Dieses Forschungsprojekt AVIF A 126
wurde gefördert von der Stiftung
Stahlanwendungsforschung im Stifterverband
für die Deutsche Wissenschaft
e.V. über den Wirtschaftsverband
Stahlumformung e.V. Die Langfassung
des Abschlußberichts kann über die FSV
beim Wirtschaftsverband Stahlumformung,
Goldene Pforte 1, 58093
Hagen, angefordert werden.
19 SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2001