A126

Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung von Hohlwellen für den Fahrzeugbau durch Querwalzen

(A126 S 24/16/97)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. April 1998 – 30. September 2000

Das Querwalzen rotationssymmetrischer Werkstücke mit hoher Maß-, Form- und Massegenauigkeit bietet bei der Herstellung von hohlen Getriebewellen neue Perspektiven. Anliegen des Forschungsprojektes waren Grundlagenuntersuchungen zum Querwalzen hohler Wellen für den Fahrzeugbau. Das Projekt sollte Möglichkeiten und Wege aufzeigen, den Forderungen der Fahrzeugindustrie nach Leichtbaukomponenten auch im Getriebebereich zu entsprechen.

Ziel des Projektes war eine systematische Untersuchung von Verfahrenskennwerten und Werkzeugparametern für die Herstellung von Hohlwellen durch Querwalzen mit feststehenden und beweglichen Dornen. Für das zwangsgeführte Formen den Innenkontur beim Querwalzen mit beweglichem Dorn wurde eine Dorneinrichtung mit einer frei programmierbaren Steuerung entwickelt, gebaut und erprobt. Die technologischen Untersuchungen dienten der Erarbeitung von Richtlinien für eine verfahrensgerechte Auslegung der Walzteile und Werkzeuge, der Einstellung der Prozeßparameter und der konstruktiven Auslegung der Querwalzmaschinen. Die Ergebnisse sollen die Möglichkeiten der Herstellung von Hohlwellen durch Querwalzen aufzeigen und erste Vorschriften für die Werkstück- und Werkzeuggestaltung und die notwendigen Prozeßparameter geben.

Die Untersuchungen wurden an einem Versuchswerkstück mit einem modular aufgebauten Versuchswerkzeug auf einer Flachbacken-Querwalzmaschine (FBQ 100/1600) durchgeführt. Die Ergebnisse werden nachstehend zusammengefaßt.

Dorneinrichtung

Beim Querwalzen von hohlen Teilen soll zusätzlich durch eine definierte Axialbewegung der Dorne eine Kraft zwischen der Werkzeug- und Dornschulter aufgebracht werden bzw. ein definierter Abstand zwischen diesen erzeugt und während des Fertigungsablaufes gehalten werden. Im Gegensatz zum Walzen von Vollteilen kann beim Walzen von Hohlteilen ein Werkstoffluß in radialer Richtung in das Werkstoffinnere auftreten, der durch den gezielten Einsatz der Dorne gesteuert werden soll. Als Anfangsmaterial wurden Hohlzylinder eingesetzt. Verschiedene Konstruktionsvarianten wurden überprüft.

Aus den Untersuchungen wurde ein Pflichtenheft für Konstruktion, Steuerung, Bau und Erprobung der Dorneinrichtung erstellt. Diese Dorneinrichtung stellt eine Zusatzeinrichtung zur FBQ 100/1600 dar, die das bisherige Teilespektrum, die Herstellung von Getriebewellen und Vorformen für das Gesenkschmieden, um die Möglichkeit der Herstellung hohler wellenförmiger Teile erweitert. Die neu entwickelte Steuerung der Dorneinrichtungen regelt den Verfahrensablauf mit hydraulisch geregelten Dornen nach einem NC-Programm.

Auswertung der verfahrenstechnischen Untersuchungen

Die verfahrenstechnischen Untersuchungen wurden in sieben Abschnitte untergliedert.

Machbarkeitsuntersuchungen zum Querwalzen hohler Teile ohne Dorneinrichtung bei konstanten technologischen Parametern wurden durchgeführt, um einen Grenzwert zu erhalten, bis zu welchem Innendurchmesser Teile ohne Zusatzeinrichtungen walzbar sind. Aus diesen Untersuchungen läßt sich ableiten, daß Rohteile mit einem Innendurchmesser bis 24 mm ohne Zusatzeinrichtung an der FBQ 100 100/1600 walzbar sind. Innendurchmesser di0 >24 mm werden während des Walzprozesses nach Erreichen des Anstiegswinkels (Beginn des axialen Werkstoffflusses) am Querwalzwerkzeug ovalisiert.

Bei Walzversuchen mit beweglichem Dorn wurden zunächst die Werkzeug- und Verfahrensparameter variiert. Die gewalzten Werkstücke wurden außen vermessen und die erreichten Maße mit den Maßen eines gewalzten Vollteils verglichen. Aus diesem Vergleich läßt sich ableiten, daß alle Maße in einem gleichen Toleranzbereich liegen. Für die Oberflächenqualität der umgeformten Innenkontur sind der Keilwinkel am Querwalzwerkzeug und die Umformtemperatur die Haupteinflußfaktoren. Die Variation des Schulterwinkels am Querwalzwerkzeug hat keinen Einfluß auf die Ausbildung der Innenkontur des gewalzten Werkstückes.

Durch Versuche mit konstanten Parametern für das Querwalzwerkzeug und konstanten technologischen Parametern wurde der Einfluß der Dorngeometrie auf das Walzergebnis ermittelt. Die unterschiedlichen Dorngeometrien haben kaum einen Einfluß auf die SOLL-Wanddicke (=Planflächendurchmesser am Walzdorn). Die erreichbare Wanddicke bei einer guten Oberflächenqualität (Ra ca. 12 mm) der Innenkontur liegt bei ca. 8,7 bis 9,7 mm. Größere Wanddicken sind im Lageregel-Modus nicht erreichbar, da beim Querwalzen hohler Werkstücke ein radialer und axialer Werkstoffluß über einen umzuformenden Rohrquerschnitt vorhanden ist.

Um den Einfluß der Oberflächenqualität der Bohrung der Ausgangsformen auf das Walzergebnis zu beurteilen, wurden Ausgangsformen eingesetzt, deren Bohrung spanend gefertigt wurde. Die Ergebnisse zeigen, daß die während des Walzprozesses mitlaufenden Walzdorne die Oberflächenqualität beeinflussen.

Festigkeitsuntersuchungen an Hohlwellen aus dem Werkstoff 1.7131 (16MnCr5) vor und nach dem Umformprozeß zeigten, daß die Festigkeitswerte nach dem Umformprozeß bei ca. 650 Nmm-2 liegen. Somit ist keine Änderung der Festigkeit im Vergleich zum Ausgangszustand zu erkennen. Der Werkstoff ist nach dem Umformen weiterhin gut mechanisch bearbeitbar. Im zweiten Abschnitt dieser Versuchsgruppe wurde die Wiederholbarkeit der Versuchsergebnisse geprüft: Die Streubreite der erreichbaren Wanddickendifferenz innerhalb von drei Serien betrug ca. 0,5 mm. Die Wiederholgenauigkeit ist in dieser Toleranzbreite gegeben.

Untersuchungen zur Koaxialität ergaben eine durchschnittliche Koaxialitätsabweichung von 0,67 mm.

Abschließend wurden Walzversuche mit Parametern durchgeführt, die unter optimalen Bedingungen Werkstücke mit geringen Maß- und Formabweichungen sowie günstiger Ausbildung der Innenkontur ergeben. Als Zusatzbedingung wurden die Bohrungen der Ausgangsform exzentrisch gefertigt, um mögliche Ungenauigkeiten an der Ausgangsform zu simulieren und Auswirkungen auf den Umformprozeß und die Maßhaltigkeit des Werkstückes nach dem Querwalzen beurteilen zu können. Alle Werkstücke konnten mit den verwendeten Parametern quergewalzt werden.

Die Untersuchungen zum Querwalzen von Hohlwellen mit feststehendem Dorn ergaben, daß dieses Verfahren zur Herstellung hohler Werkstücke nicht geeignet ist.

Praktischer Nutzen / Wirtschaftlichkeit

Für die praktische Nutzung aller im Projekt erzielten Ergebnisse wurde ein Projektdatenblatt erstellt. Darin sind alle empfohlenen Parameter für das Verfahren Querwalzen mit beweglichen Dornen enthalten. An hand dieser Richtlinien lassen sich, speziell für Werkstücke ähnlicher Größe und Form, Einzelparameter für die Ausgangsform, die Werkzeugkonstruktion, die Dorngeometrie, die technologischen Parameter und eine Empfehlung zum Einsatz einer Querwalzmaschine ableiten.

Forschungsstelle 1:
Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU)
www.iwu.fraunhofer.deForschungsleiter 1:
Dr.-Ing. habil. B. Lorenz
(vorgelegt vom Wirtschaftverband Stahlumformung e.V., Hagen)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF