Massivumformung

Kalt, halbwarm oder warm?

Beim Massivumformen - ob im kalten, halbwarmen oder warmen Zustand ausgeführt - wird das Bauteil mit Werkzeugen durch hohe Kräfte spanlos umgeformt. Das Material wird dadurch feinkristalliner, eventuell vorhandene Poren werden geschlossen und Einschlüsse gemeinsam mit den Kristallen des Gefüges in Fließrichtung des Materials gestreckt. Nach dem Massivumformen weist das Teil dann eine Faserstruktur auf, die die Belastbarkeit des Werkstoffs in Faserrichtung erhöht. Dieser Faserverlauf kann gezielt in Richtung der Hauptbeanspruchungsverläufe im Bauteil orientiert werden. Je nach Umformtemperatur wird das Gefüge zudem kalt verfestigt oder feinkörnig rekristallisiert. Bei geeigneter Prozessführung bildet die Warmumformung zugleich den ersten Schritt einer thermomechanischen Behandlung mit positiven Auswirkungen auf die Feinkörnigkeit des Gefüges und die mechanischen Eigenschaften. Durch weitere Prozessschritte wie etwa die nach dem Warmumformen übliche Reinigung (Strahlbehandlung) können zusätzlich Druckeigenspannungen in der Oberfläche erzeugt werden. Das bewirkt eine Steigerung der Biegewechselfestigkeit. Vielfach wirken sich die Vorteile des Massivumformprozesses auch noch im weiteren Verlauf der Prozesskette aus, zum Beispiel durch deutlich verringerte Bearbeitungskosten bei Zahnrädern mit einbaufertig geschmiedeter Verzahnung. Für Entwicklungsaufgaben verfügen viele Massivumformer heute über leistungsfähige Softwaretools.Im Vordergrund steht dabei nach wie vor der Leichtbau. Wichtiges Hilfsmittel hierfür sind ausgefeilte FEM-Programme zur Topologie-Optimierung. Die so erhaltene Geometrie wird danach für die weitere Bearbeitung in ein CAD-Modell überführt, das als Ausgangspunkt für die in einem zweiten Schritt erfolgende Gestaltoptimierung des Bauteils dient. Auf dem CAD-Modell setzen dann wiederum CAM-Programme auf, mit deren Hilfe die Umformprozesse simuliert und optimiert werden können. Im gleichen Stadium werden auch Werkzeuge und Anlagenparameter definiert. Je nach Anforderungen und Stückzahlen werden heute selbst komplett verkettete und automatisierte Prozessketten rechnergestützt konzipiert.

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Zum Beispiel: Gleichlaufgelenk

Das von Neumayer Tekfor hergestellte Gleichlaufgelenk kommt bei Längswellen von Automobilen zum Einsatz. Diese früher als Kardanwelle bekannte Baugruppe überträgt die Antriebsleistung des Motors zur Hinterachse. Kardangelenke haben jedoch den Nachteil, dass die beim Einfedern des Fahrzeugs auftretenden Winkelabweichungen zu zyklischen Gleichlaufschwankungen führen. Dies lässt sich durch Verwendung von Gleichlaufgelenken vermeiden. Hauptkomponenten des Gleichlaufgelenks sind zwei Schmiedeteile, ein Blechgehäuse, ein Kugelkäfig sowie acht Kugeln, welche die Kräfte zwischen Innennabe und Außenring übertragen. Durch geschickte Werkstoffwahl und die Kombination von Warm- und Kaltumformung gelang es, die Laufbahnen für die Kugeln so präzise zu fertigen, dass die sonst übliche mechanische Nachbearbeitung entfallen kann. Sie sind nach dem Einsatzhärten sofort einbaufertig. Als Werkstoff kommt der gut umformbare Einsatzstahl 16MnCr5 in einer speziell auf geringen und gleichmäßigen Härteverzug optimierten Variante zum Einsatz. Nabe und Außenring werden zunächst in einem dreistufigen Warmschmiedeprozess geformt. Die für die Präzision der Laufflächen entscheidende abschließende Formgebung erfolgt in kaltem Zustand auf einer Kalibrierpresse. Gleichzeitig werden auch die Nuten für die Kraftübertragung vom Außenring auf das Blechgehäuse einbaufertig geformt. Eine zusätzliche mechanische Bearbeitung ist lediglich bei der Nabe zur Herstellung der Innenverzahnung sowie von Nuten zur späteren Abdichtung des Gelenks erforderlich.

Zum Beispiel: Lamellenträger für Kupplung

Durch intelligente Kombination unterschiedlicher Umformverfahren können heute vielfach auch Verzahnungen rein umformtechnisch mit so hoher Präzision hergestellt werden, dass nachfolgende Zerspanungsvorgänge entweder völlig entfallen oder auf ein Minimum reduziert werden können. Beispiel hierfür ist ein von der Hirschvogel Automotive Group hergestellter Außenlamellenträger aus dem Stahl C45 für allradgetriebene Fahrzeuge. Dies ist ein zentrales Bauteil der Verteilerkupplung, mit deren Hilfe das Drehmoment des Antriebs zwischen der Vorder- und Hinterachse aufgeteilt wird. Das Basisbauteil wird zunächst durch eine Halbwarmumformung hergestellt. Die Verzahnungen entstehen in einem anschließenden Kaltumformprozess. Danach werden Lager- und Dichtflächen überdreht sowie einige Durchbrüche zerspanend hergestellt. Bei der kleineren Schaftverzahnung ist die Flankenbelastung aufgrund des geringen Durchmessers so hoch, dass die Härte des Werkstoffs auch nach der Kaltumformung nicht ausreicht und eine zusätzliche induktive Härtung erforderlich wird. Bei der Innenverzahnung im Topf reicht dagegen die Festigkeit der Zahnflanken nach dem Umformen aus, um selbst der hohen spezifischen Druckbelastung durch die schmalen Kupplungslamellen ohne Nachbehandlung standzuhalten. Vorteil des in hohen Stückzahlen hergestellten Bauteils sind vor allem erhebliche Kosteneinsparungen

Zum Beispiel: Zahnräder

Mit Hilfe eines Präzisions-Umformverfahrens stellt die Fa. Sona BLW Präzisionsschmiede Zahnräder für Kfz-Getriebe mit direkt einbaufertiger Verzahnung her. Hierzu gehören Differenzial-Kegelräder mit optimierter Geometrie sowohl der Zahnflanken als auch des Zahnfußes. Darüber hinaus können im gleichen Prozessschritt noch weitere Nebenfunktionen integriert werden. Noch eindrucksvoller zeigen sich die Vorteile des Verfahrens bei Getriebe-Gangrädern, auch wenn deren Laufverzahnungen aufgrund besonders hoher Genauigkeitsanforderungen noch konventionell spanend gefertigt werden müssen. Direkt einbaufertig geschmiedet werden dagegen die Kuppelverzahnungen dieser Räder. Besonders vorteilhaft ist dabei aus Sicht des Getriebeherstellers, dass diese Verzahnung in den Radkörper eingelassen werden kann, wodurch die Zahnräder erheblich schmaler und damit auch leichter ausgeführt werden können. Je nach Zielsetzung wird es außerdem möglich, die Baulänge des Getriebes bei gleicher Gangzahl zu reduzieren oder alternativ mehr Gänge unterzubringen. Weitere Vorteile ergeben sich durch die Integration wichtiger Zusatzfunktionen wie Mitnehmertaschen und Anschläge für Schiebemuffen. Auch auf der Rückseite des Radkörpers können Vertiefungen und Versteifungsstege eingeschmiedet werden. Ebenso wie bei den Kuppelverzahnungen ermöglicht es das Schmieden auch hierbei, die erforderliche Genauigkeit in nur einem Prozessschritt zu erzielen.

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