Was sind die Produkteigenschaften?
Belastungsgerechte Gefügeausprägung
Das Gefüge richtet sich in Bauteilen, die durch Kaltmassivumformprozesse
hergestellt wurden, entlang des Materialflusses aus. Die Körner werden
in Richtung des Materialflusses stark gedehnt und quer dazu gestaucht. Abbildung
3 zeigt den Gefügeverlauf in einem umformtechnisch hergestellten Zahnrad.
In dem Schliffbild sind die lang gezogenen Körner zu erkennen. Das Piktogramm
verdeutlicht die zugrunde liegenden Fließlinien, an denen sich die Körner
durch die Umformung orientieren.
Abbildung 3: Faserverläufe bei umgeformten Zahnrädern [Bar00]
Ungewollten Verformungen, insbesondere quer zu den lang gezogenen Körnern,
wirken die hohe Korngrenzendichte sowie die starke Kaltverfestigung entgegen.
Diese belastungsorientierte Gefügeausbildung kann durch spanende und
urformende Verfahren nicht hergestellt werden. Spanende Fertigungsverfahren
brechen die Korngrenzen auf. Während die Faserverläufe im umgeformten
Zahn die Versetzungswanderung orthogonal zur Krafteinbringung durch feine
Kornstrukturen behindern, ermöglichen die aufgerissenen Korngrenzen an
der spanend bearbeiteten Oberfläche das Wandern von Versetzungen und
somit die plastische Verformung des Zahnes. Abbildung 4 stellt vergleichend
den Faserverlauf bei gestoßenen Zahnrädern dar. Es ist sind hierbei
keine ausgeprägten Fließlinien zu erkennen.
Abbildung 4: Faserverläufe bei gestoßenen Zahnrädern [Bar00]
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Eigenspannungen
Eigenspannungen in Bauteilen können entscheidenden Einfluss auf
die Bauteildauerfestigkeit haben. Während der Belastungsphase überlagern
sich die Spannungen aus dem Belastungszustand mit den Eigenspannungen des
Bauteils. Hierbei können eingebrachte Druckeigenspannungen an der Oberfläche
kritische Zugspannungszustände bis zu einem gewissen Grad kompensieren
und somit die Beanspruchbarkeit des Gesamtbauteils erhöhen.
[Tek07]
Durch spezielle Planung der Umformschritte kann eine zielorientierte Einstellung
von Eigenspannungszuständen an der Bauteiloberfläche durch den Umformprozess
erfolgen, wodurch eine längere Haltbarkeit bei wechselnden Belastungen
des Bauteils erreicht werden kann. Mit steigendem Umformgrad wurde in Vollvorwärtsfließpress-
experimenten eine Verringerung der oberflächennahen Zugeigenspannungen
bis hin zu Druckeigenspannungen bei hohen Umformgraden nachgewiesen. Der oftmals
notwendige Auswerfvorgang kann ebenfalls zur Einstellung von oberflächennahen
Eigenspannungen genutzt werden
[Zuc82] [Tek07].
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Genauigkeit
Kaltmassiv umgeformte Bauteile können oftmals ohne weitere Nachbearbeitung
verbaut werden. Durch Rechnerunterstützte Auslegung von Werkzeugen und
Prozessen sowie präzise Maschinen steigt der Anteil der einbaufertigen
Umformteile. Wo eine solche „net shape“ Umformung nicht möglich
ist, ist zumindest immer eine „near net shape“ Umformung zu erreichen,
bei der die spanende Nachbearbeitung auf wenige Flächen und an diesen
auf geringe Volumina zu reduzieren ist.
Bezüglich der Maßgenauigkeit lässt sich demnach Kaltfließpressen
zwischen dem Schmieden und Zerspanen anordnen. Tabelle 1 stellt die erreichbaren
Toleranzen verschiedener Fertigungsprozesse qualitativ dar.
Tabelle 1: Erreichbare Toleranzen verschiedener Fertigungsprozessen nach
[VDI98]
Die aus diesen Toleranzbereichen ableitbaren Abmaße sind von den Abmessungen
der Formelemente und dem Gewicht der Teile abhängig. Richtwerte, die
dies berücksichtigen, sind an einem exemplarischen Bauteil auszugsweise
angegeben (vgl. Abbildung 5):
| Gewichtsklassen |
< 50 g |
50 - 500 g |
> 500 g |
| Nennmaß |
Toleranzen (mm) |
Toleranzen (mm) |
Toleranzen (mm) |
| Gesamtlänge lmax |
1 - 2 |
2 - 3 |
2 - 3 |
| Absatzlängen l |
0,3 - 0,5 |
0,5 - 1 |
0,5 - 1,5 |
| Flanschdurchmesser, Differenz dmax - dmin |
1 - 2 |
3 - 4 |
4 - 5 |
| Durchmesser d1 IT ... |
0,05 - 0,2 |
0,1 - 0,3 |
0,3 - 0,5 |
| Nachlauf (verfahrensbedingtes Obermaß) d2 bzw. d3 |
0,1 - 0,3 |
0,3 - 0,5 |
0,5 - 1 |
| Flanschdicke s |
0,1 - 0,3 |
0,3 - 0,5 |
0,5 - 1 |
| Rundlauf AB |
< 0,2 |
0,3 |
0,3 - 0,5 |
| Planlauf AB |
< 0,2 |
0,3 |
0,3 - 0,5 |
| Einzug oder Balligkeit (je nach Umformart und -grad) |
0,5 - 1 |
1 - 2 |
2 - 4 |
Abbildung 5: Exemplarische Angabe erreichbarer Genauigkeiten an einem
Musterbauteil nach [Klo06]
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Verrundungen und Oberflächenqualität
Da das Material in der Kaltmassivumformung den Formen des Werkzeugs folgt,
bilden sich neben den charakteristischen Gefügen oftmals günstige Geometrien
aus. Insbesondere bei hoch belasteten Bauteilen wie Zahnrädern wirken verrundete
Kanten aufgrund der geringeren Kerbwirkung festigkeitssteigernd. Abbildung
6 stellt die Geometrieeigenschaften von Zahnflanken, die umformtechnisch bzw.
durch Stoßprozesse hergestellt wurden, vergleichsweise dar.
Abbildung 6: Gegenüberstellung gestoßener- und umformtechnisch hergestellter
Zahngeometrien nach [Kaw07]
Neben den abgerundeten Flächenübergängen zeichnen sich umformtechnisch hergestellte
Zahnräder aufgrund der Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück unter
hohen Kontaktnormalspannungen durch hervorragende Oberflächeneigenschaften
auf den Laufflächen der Zahnflanken aus. Abbildung 7 stellt beispielhaft die
Festigkeitsvorteile umformtechnisch hergestellter Innenverzahnungen bei hoher
Lastwechselzahl dar. In der dargestellten Untersuchung wurden alle geprüften
Zahnräder einer Wärmebehandlung unterzogen, um den Einfluss des verfestigten
Gefüges auszuschließen.
Abbildung 7: Bauteillebensdauerkurven für gestoßen- und umformtechnisch
hergestellte Zahnräder nach [Dah01]
Auf Grund des homogenisierten Gefügezustandes lässt sich die gesteigerte Festigkeit
der drückgewalzten Innenverzahnungen gegenüber den gestoßenen auf zwei Effekte
zurückführen:
1. Prozessbedingte Geometrieeinflüsse am Zahnfuß
2. Bessere Oberflächenqualität bei umgeformten Bauteilen
Abbildung 8 stellt am hier behandelten Beispiel von Innenverzahnungen den
Anteil dieser beiden Effekte dar. Während die technologisch bedingte Ausbildung
der Zahnfußgeometrie ca. 10% der Festigkeitssteigerung bewirkt, sind weitere
9% auf die bessere Oberflächengüte des umformtechnisch hergestellten Bauteils
zurückzuführen.
[Sta07]
Abbildung 8: Einfluss von Zahnfußrundung und Oberflächenrauheit auf die
Wechselfestigkeit von Innenverzahnungen nach [Dah01]
Durch den Einsatz neuer Werkzeugwerkstoffe lassen sich Werkstückrauhigkeiten
bis Ra = 0,16 erreichen. Hierbei können Toleranzbereiche von IT6 bis IT7 eingestellt
werden
[Arb07].
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Funktionsintegration
Es lassen sich zunehmend ganze Baugruppenfunktionen in ein einziges umgeformtes
Teil integrieren. Dies wird am Beispiel der Getriebewelle (siehe Abbildung
8) dargestellt. Dabei werden die Zentrierbohrungen sowie die Lauf- und Keilverzahnung
in einem Umformvorgang hergestellt. Damit steht das Umformen vielfach in Konkurrenz
zu einer Fertigungsfolge und nicht mehr zu einem Einzelprozess.
|
spanend |
umformend |
| Welle |
¬ Rohmaterial absägen
¬ Zentrierung anbringen
¬ Wellenkontur drehen
¬ auf Länge planen
¬ Kaltwalzen
der Keilverzahnung
¬ Fräsen der Passfedernut
¬ Reinigen
¬ Schleifen |
¬ Rohmaterial absägen
¬ Bondern der Rohlinge
¬ Kaltumformende Herstellung der Konturen
¬ Entphosphatieren
der Wellen |
| Verzahnung |
¬ Rohteil abstechen
¬ Außendurchmesser drehen
¬ Werkstück planen
¬ Stirnfläche schleifen
¬ Ausschleifen
der Mittelbohrung
¬ Wälzfräsen der Vorverzahnung
¬
Räumen der Nuten
¬ Reinigen
¬ Einsatzhärten
¬
evtl. Nachschleifen der Verzahnung
¬ Montage: Welle - Zahnrad |
¬ Zwischenglühen
¬ Bondern der Welle
¬
Pressen der Verzahnung und Zentrierbohnungen
¬ Entphosphatieren
der Welle
¬ Abdrehen der Pressreste
¬ Einsatzhärten
¬ Schleifen der Laufverzahnung
¬ Schleifen der Keilverzahnung |
Abbildung 9: Beispiel für Funktionsintegrationen an einer Getriebewelle
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Nutzen verschiedener positiver Eigenschaften
Bei der Fertigung von z. B. Zündkerzenkörpern durch Fließpressen, kann
eine deutliche Einsparung an Werkstückkosten erzielt werden. Nicht nur das
zerspante Volumen ist geringer, es kann auch statt des kostenintensiven Sechskantausgangsmaterial
kostengünstiges Rundmaterial verwendet werden. Zusätzlich tritt durch die
Umformung eine Verfestigung des Werkstoffes auf, wodurch eine etwa 20 % höhere
Torsionssteifigkeit erzielt werden kann. Werden die Prozesse der Kaltmassivumformung
sinnvoll eingesetzt, bieten sie erhebliches Potential zur Umsetzung hocheffizienter
Fertigungen.
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[VDI 98] VDI 3138-1: Kaltmassivumformen von Stählen und NE-Metallen.
Verein Deutscher Ingenieure, März 1998
[Bar00] BARGEL, H.-J. et al.: Werkstoffkunde.
Berlin [u.a.]: 7., überarb. Aufl. Aufl. Springer, 2000. - 3-540-66855-1
[Zuc82] Zucko, M. ; Pöhlandt, K.; et. Al.: „Berechnung der Umformeigenspannungen
beim Fließpressen und Vergleich mit experimentellen Ergebnissen“.
In Mat.-Wiss. U. Werkstofftech. 28, S. 417-423.
[Dah01] Dahmen, C. ; „Umformtechnische Herstellung von innenverzahnten Rädern
in einem kombinierten Drückwalz-Verfahren – Abschlussbericht - “.
Abschlussbericht AViF Forschungsvorhaben Forschungsvorhaben Nr. 325/II
[Klo06] Klocke, F. ; König, W.: Fertigungsverfahren.
Berlin: 5., neu bearb. Aufl. Aufl. Springer, 2006.
[Tek07] Tekkaya, A.E.: „Eigenspannungen in kaltumgeformten Teilen“.
In ICFG workshop „Eigenschaften von kaltumgeformten Bauteilen“
22. Mai 2007 Universität Dortmund
[Sta07] Stahlmann, J. ; Türk : M., Groche, P.:
„Oberflächeneingenschaften von KMU-Bauteilen Nutzen und Herausforderungen“.
In ICFG workshop „Eigenschaften von kaltumgeformten Bauteilen“
22. Mai 2007 Universität Dortmund
[Arb07] Arbak, M.: „Technische Keramik in der Kaltmassivumformung -
Verbesserung der Oberflächenqualität und Maßhalthaltigkeit.
In ICFG workshop „Eigenschaften von kaltumgeformten Bauteilen“
22. Mai 2007 Universität Dortmund
[Kaw07] Kawasaki, Y.: High Precision (DIN8 class) Forged Helical Gear
- Manual Transaxle for Passenger Car -. In ICFG workshop Quality and
Properties of Cold Forged Products and JSTP Forging Committee
1. Juni 2007 Nagoya University
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