A142

Erweiterung der Verfahrenstechnologie des Axial-Radial- Umformens

(A142 S 24/03/1999)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 1999 – 30. Juni 2001

Beim Axial-Radial-Umformen handelt es sich um eine Kombination der beiden Umformverfahren Rundkneten und Stauchen. Es dient zur Herstellung längsachsenorientierter, wellenförmiger Bauteile mit lokalen Werkstoffanhäufungen. Interessant ist dieses Verfahren insbesondere für die Ausbildung von Wellenbünden, wie sie z. B. an Getriebewellen benötigt werden. Die Umformzone wird durch partielle, vorzugsweise induktive Erwärmung des Werkstücks festgelegt.

Bisherige Machbarkeitsuntersuchungen zur Herstellung hohler Getriebewellen mit dem Axial-Radial-Umformen haben gezeigt, daß es immer wieder zum vorzeitigen Erreichen der Verfahrensgrenzen Zunderbildung, Faltenbildung und unzureichende Formfüllung kommt. Ziel des Projektes war daher die Erweiterung des Prozessfensters für das Axial-Radial-Umformen.

Als Basis zur Erweiterung der Verfahrensgrenzen wurde im Hinblick auf eine Stoffflussoptimierung das Maschinenkonzept um einen synchrongeregelten Axialvorschub ausgebaut. Die numerischen Untersuchungen mit Hilfe eines axialsymmetrischen Berechnungsmodells zeigten hierfür - im Vergleich zum konventionellen einseitigen Vorschub - eine deutliche Reduzierung sowohl der lokalen maximalen Umformgrade, des Kraftbedarfs in axialer und radialer Richtung als auch der Werkzeugbelastung. Die experimentellen Untersuchungen lassen bei synchrongeregeltem Axialvorschub die Möglichkeit zur Reduzierung der erforderlichen Umformtemperatur erkennen. Hierdurch kann eine deutliche Verringerung bzw. Vermeidung der Verfahrensgrenze Zunderbildung erreicht werden. Der Verfahrensvorteil der geringeren Werkzeugbelastung bestätigte sich in den experimentellen Untersuchungen durch ein deutlich verbessertes Werkzeugverschleißverhalten.

Die Verifikation der numerischen Untersuchungen durch die experimentell ermittelten Prozesskräfte in axialer und radialer Richtung verdeutlichten weiteren Handlungsbedarf bezüglich der numerischen Modellbildung. Die berechnete Radialkraftkomponente der axialsymmetrischen Modellierung wies Maximalwerte auf, die um bis zu 250% über den experimentell ermittelten Werten liegen. Bei der Anwendung eines dreidimensionalen Finite-Elemente-Modells betrug die Abweichung der Radialkraftkomponente hingegen nur noch ca. 13 %. Des Weiteren kann mit dem dreidimensionalen Modell der Einfluss des Kalibriervorganges beim Axial-Radial-Umformen nachgewiesen werden. Bei der Verteilung der maximalen lokalen Vergleichsumformgrade zeigen sowohl das axialsymmetrische als auch das 3D-Modell gute Übereinstimmungen.

Basierend auf dieser grundlegenden Erweiterung der Verfahrenstechnologie wurde eine Optimierung der tribologischen Randbedingungen durchgeführt. Dazu wurde in einer einleitenden Untersuchung ein geeignetes Schmierstoffsystem ausgewählt, welches die Beanspruchungen während des gesamten Fertigungsablaufs berücksichtigt. Mit Hilfe eines geeigneten Modellversuchs wurden die tribologischen Eigenschaften experimentell untersucht und eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Reduzierung der Zunderbildung und des Reibverhaltens nachgewiesen.

Eine numerische Untersuchung zur Reduzierung der Ringfaltenbildung durch unterschiedliche Prozesssteuerungen zeigte Möglichkeiten auf, die diesbezüglich zu einer Verbesserung führen könnten. Diese stehen allerdings im Gegensatz zu den durch die oben beschriebenen Verfahrenserweiterungen erreichbaren Vorteile. Die gleichzeitige Optimierung aller Verfahrensgrenzen wird daher zukünftig eine Weiterentwicklung des Werkzeugkonzeptes notwendig machen.

Abschluss der Untersuchungen stellte die Herstellung eines Realbauteils dar, welche als Verifizierung der gewonnenen Optimierungsergebnisse angesehen werden kann. Das eingeschlagene Vorgehen zur Verfahrensoptimierung des Axial-Radial-Umformens wurde hierbei nochmals bestätigt.

Die in dem Projekt gefundenen Ergebnisse lassen einen weiteren Forschungsbedarf erkennen zur Erweiterung der Verfahrensgrenzen und Optimierung der Prozessparameter. Die dreidimensionale Betrachtungsweise ist in diesem Zusammenhang als Grundlage zukünftiger Untersuchungen anzusehen.

Forschungsstelle 1:
Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der TU Darmstadt (PtU)
www.ptu.tu-darmstadt.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. P. Groche
(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V., Frankfurt, - VDMA für FKM)

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