Einbringen von Hinterschnitten in hochbelastete Bauteile durch mehrdirektionales Schmieden am Beispiel von Stahlkolben

Das Gesenkschmieden ermöglicht es, Bauteile von sehr guter Qualität mit hervorragenden technischen Eigenschaften in großen Stückzahlen wirtschaftlich herzustellen. Jedoch ist die Gestaltungsfreiheit eingeschränkt, da durch Gesenkschmieden keine Bauteile mit Hinterschnitt hergestellt werden können. Die einfache Anwendbarkeit des Hinterschnittschmiedens könnte die Variantenvielfalt von Schmiedeteilen weiter erhöhen. Durch das Verfahren kann insbesondere die spanende Nachbearbeitung reduziert werden, sodass sich Prozess- und Ressourceneffizienz erhöhen. In diesem Zusammenhang sind außerdem verbesserte technische Bauteileigenschaften, wie bspw. eine erhöhte Dauerfestigkeit, zu erwarten. Diese verbesserten Eigenschaften erlauben umgekehrt eine Gewichtsreduktion ohne Verminderung der technischen Eigenschaften. Aktuell sind keine Schmiedeprozesse mit Hinterschnitteinbringung für komplexe Schmiedeteilgeometrien bekannt. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Hinterschnittschmiedeprozess für ein komplexes Bauteil erforscht. Als Beispielbauteil wird ein Stahlkolben mit hinterschnittener Kolbenbolzenbohrung gewählt. Der Prozess wurde virtuell entwickelt und optimiert, bevor er abschließend experimentell erprobt wurde.

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Im Gesenkschmiedeprozess können Bauteile von hervorragender Qualität und technischen Eigenschaften hergestellt werden. Es ist jedoch nicht möglich Hinterschnittgeometrien, wie z. B. Kolbenbolzenbohrungen, zu schmieden. Diese werden normalerweise in nachfolgenden Prozessen eingebracht. Daher wurde ein Hinterschnittschmiedeprozess neu entwickelt. Dazu wurde ein mehrdirektionales Schmiedewerkzeug entwickelt, das hohe Schließkräfte aufbringen muss. Mit den Forschungsergebnissen können die Anforderungen an das zentrale Bauteil, schwerer Spezial-Tellerfedern, reduziert werden und stattdessen normale Tellerfedern verwendet werden. Das Ziel dieser Untersuchung ist es, die Schließkraft hinsichtlich ihrer Entstehung und ihrer Einflussgrößen zu untersuchen, um den Werkzeugbau vereinfachen zu können. Daher werden in Schmiedesimulationen die Eingangsgrößen Pressengeschwindigkeit, Werkstückanfangstemperatur und die Stempelform untersucht. Der Effekt der Parameter auf die Schließkraft wurde statistisch ausgewertet. Dabei stellte sich die Pressengeschwindigkeit als wichtigste Einflussgröße heraus. Die Werkstückanfangstemperatur und die Stempelform zeigten einen geringeren, aber ebenfalls signifikanten Einfluss auf die Kraft. Eine günstige Kombination der Parameter wird ermittelt, sodass die Presskraft und die Belastung für das Werkzeug minimiert werden, sodass der Prozess auf kleineren, wirtschaftlicheren Pressen durchgeführt werden kann. Die Simulationen werden zuletzt durch experimentelle Versuche validiert.

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Um ein hinterschnittenes Bauteil durch Schmieden herstellen zu können, wird ein geeignetes mehrdirektionales Werkzeug benötigt. Insbesondere um die hohen benötigten Schließkräfte beim Hinterschnittschmieden aufzubringen, wird eine Variante mit einem form- und eine mit einem kraftgepaarten Gesenkverschluss untersucht. Die Analyse zeigt, dass die Vorteile der Variante mit kraftgepaartem Verschluss überwiegen.

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Zum Hinterschnittschmieden von Stahlkolben soll ein mehrdirektionales Schmiedewerkzeug entwickelt werden. Dazu wurde zunächst der Schmiedeprozess simulativ ausgelegt und solange angepasst, bis eine geeignete Stadienfolge gefunden wurde.

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Kolben für Verbrennungsmotoren bestehen in der Regel aus Aluminium. Die steigenden Anforderungen an Effizienz und Leistung in Kfz-Motoren können durch die Verwendung von Stahlkolben erfüllt werden, die wahrscheinlich in der Automobilindustrie in den nächsten Jahren eingesetzt werden. Kolben sind meist geschmiedet und eine teure Bearbeitung ist notwendig, um sie einbaufertig zu finalisieren. In der Regel wird ein eindirektionales Schmiedeverfahren angewendet. Mit diesem ist es nicht möglich, Hinterschnitte zu schmieden. Bei Kolben ist die Kolbenbolzenbohrung ein solcher Hinterschnitt. Mit Hilfe des mehrdirektionalen Schmiedens ist ein Hinterschnittschmieden möglich und ein Vorformen der Kolbenbolzenbohrung kann realisiert werden. Zum einen führt dieses zu einer verbesserten Materialausnutzung und zum anderen wird die nachfolgende mechanische Bearbeitung vereinfacht aufgrund einer leichteren Positionierung des Schmiedeteils. Derzeit sind entsprechende Schmiedewerkzeuge in der Entwicklung. Sie werden in einer industriellen Umgebung auf einer Exzenterpresse getestet. Die Schmiedeteile werden anschließend bezüglich Qualität sowie die Werkzeuge hinsichtlich Verschleißes geprüft und final die Wirtschaftlichkeit dieses neuen Verfahrens analysiert.

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