Prozesskombination Querkeilwalzen mit mehrdirektionaler Umformung

Für das Ziel der Bestimmung von Einflüssen der Prozesskombination des Querkeilwalzens mit der mehrdirektionalen Umformung auf die Gratbildung bei Einzylinderkurbelwellenvorformen wurden Querkeilwalz- und mehrdirektionale Umformgeometrien bestimmt.

Dazu wurde zuerst mithilfe von FEM-Simulationen der Wertebereich der fünf variierten Parameter für anschließende, experimentelle Untersuchungen eingegrenzt. Die Parameter waren der Schulterwinkel, die Querschnittsflächenreduzierung, der Lagerversatz, die Umformgeschwindigkeit und die Werkstücktemperatur. Nach der Auswertung beider Untersuchungen ergab sich Anpassungspotential bezüglich der FEM-Simulationen. Im Rahmen der Suche nach geeigneten Größen zur Anpassung wurde die Reibung bei den FEM-Simulationen als signifikant identifiziert.

Zum einen wurden die Werte innerhalb des verwendeten Reibzahl-Reibfaktormodells variiert; zum anderen wurde die Eignung eines weiteren Reibmodells, des IFUM-Reibmodells, geprüft. Letzteres beeinflusste die Ergebnisse der FEM-Simulationen so, dass eine ausreichende Annäherung an die experimentellen Untersuchungen erzielt und darauf aufbauend ein mathematisches Modell gebildet werden konnte.

Querkeilwalzen, mehrdirektionales Umformen, Kurbelwelle, Reibung

Um eine gratlos geschmiedete Kurbelwelle innerhalb weniger Prozessschritte und mit geringem Energieverbrauch herzustellen sind innovative Umformverfahren nötig. Beispiele sind hier das Querkeilwalzen und das mehrdirektionale Schmieden. Eine direkte Kombination dieser umformenden Fertigungsverfahren führt normalerweise zu Grat am unteren Ende der Kurbelwangenvorform. Der Grund ist die mehrdirektionale Umformung einer rotationssymmetrischen, querkeilgewalzten Vorform quer zur Rotationsachse. In diesem Paper wird ein Parameterfeld identifiziert, in dem eine gratfreie Kombination der beiden Umformverfahren möglich ist. Die Parameter, die innerhalb der experimentellen Versuche variiert wurden, sind der Schulterwinkel und die Querschnittflächenreduzierung beim Querkeilwalzen sowie der Lagerversatz, die Umformgeschwindigkeit und die Umformtemperatur beim mehrdirektionalen Schmieden. Die Grenzen des Parameterfeldes sind grafisch dargestellt. Für eine gratfreie Kombination des Querkeilwalzens und der mehrdirektionalen Umformung sind jeweils niedrige Werte für die signifikanten Einflussparameter Schulterwinkel (? = 30°) Querschnittsflächenreduzierung (?A = 30 %) und Umformtemperatur (T =1050 °C) empfehlenswert.

Mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Parameterstudie, gratlos

Ein geringer Energieverbrauch und eine geringe Fertigungszeit werden in jedem industriellen Prozess der Kurbelwellenherstellung gefordert. Kurbelwellen besitzen eine sehr komplexe Geometrie und werden daher, verglichen mit anderen Schmiedebauteilen, mit einem hohen Gratanteil geschmiedet. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigten die Machbarkeit des gratlosen Präzisionsschmiedens von Kurbelwellen. Eine Möglichkeit, eine Kurbelwelle herzustellen ist die Verwendung der drei Fertigungsschritte Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden.

Dieses Paper präsentiert die Untersuchungsergebnisse des Einflusses der Querschnittsflächenreduzierung beim Querkeilwalzen auf verschiedenen Parametern des mehrdirektionalen Schmiedens. Zuerst ist der aktuelle Stand der Forschung, die Entwicklung des Prozesses und die Werkzeugkonzepte des Querkeilwalzens sowie des mehrdirektionalen Schmiedens dargestellt. Danach sind die Ergebnisse des Einflusses der Querschnittsflächenreduzierung auf die Gratbildung, Bauteiltemperaturen, Umformgrad, Umformkraft und Spannung gezeigt. Grundsätzlich entsteht Grat, weil eine rotationsymmetrische Vorform asymmetrisch umgeformt wird. Eine steigende Querschnittsflächenreduzierung führt dabei zu einem geringeren Grat unten an den Kurbelwangen.

mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Querschnittsflächenreduzierung

Eine dreistufige Stadienfolge zur gratlosen Herstellung einer Einzylinderkurbelwelle mit Zapfen und Flansch mittels Querkeilwalzen, merkdirektionales Schmieden und Fertigschmieden wäre energie-, zeit- und kostensparend, führt aber zum Verschleiß am Werkzeug. Die querkeilgewalzte Vorform kann maßgeblich durch die Geometrieparameter Schulterwinkel und Querschnittsflächenreduktion beschrieben werden. Abhängig von der Geometrie der Vorform und dem beim mehrdirektionalen Schmieden erzeugten Lagerversatz resultiert unterschiedlich hoher abrasiver Verschleiß am mehrdirektionalen Gesenk. Die vorgestellte Untersuchung der Verschleißtiefe wurde simulativ und basierend auf dem Ansatz nach Archard berechnet. Kernerkenntnisse waren, dass der Verschleiß an formgebenden Werkzeugen primär von der Kontaktzeit und der Reibung mit dem querkeilgewalzten Bauteil abhängt. Ein geringer Lagerversatz, ein Schulterwinkel von maximal 50 ° und eine hohe Querschnittsflächenreduktion führen alle zu einer – relativ gesehen – geringeren Kontaktzeit und wirken sich dadurch positiv auf die Verschleißtiefe aus.

Verschleiß, mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen

Ein geringer Energieverbrauch und eine geringe Fertigungszeit werden in jedem industriellen Prozess der Kurbelwellenherstellung gefordert. Kurbelwellen besitzen eine sehr komplexe Geometrie und werden daher, verglichen mit anderen Schmiedebauteilen, mit einem hohen Gratanteil geschmiedet. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigten die Machbarkeit des gratlosen Präzisionsschmiedens von Kurbelwellen. Eine Möglichkeit, eine Kurbelwelle herzustellen ist die Verwendung der drei Fertigungsschritte Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden.

Dieses Paper präsentiert die Untersuchungsergebnisse des Einflusses des Schulterwinkels beim Querkeilwalzen auf verschiedenen Parameter des mehrdirektionalen Schmiedens. Zuerst ist der aktuelle Stand der Forschung, die Entwicklung des Prozesses und die Werkzeugkonzepte des Querkeilwalzens und des mehrdirektionalen Schmiedens dargestellt. Danach sind die Ergebnisse des Einflusses des Schulterwinkels auf die Gratbildung, Bauteiltemperaturen, Umformgrad, Umformkraft und Spannung gezeigt. Grundsätzlich entsteht Grat, weil eine rotationsymmetrische Vorform asymmetrisch umgeformt wird. Ein steigender Schulterwinkel führt dabei zu einem größeren Grat unten an den Kurbelwangen.

mehrdirektionales Schmieden, Querkeilwalzen, Kurbelwelle, Parameterstudie, Schulterwinkel

Gratloses Schmieden einer Kurbelwellen ist derzeit in vier Stufen mit den folgenden Prozessschritten möglich: Querkeilwalzen, Querfließpressen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden. Um zu zeigen, dass die Stadienfolge auch ohne das Querfließpressen funktioniert, werden die Konzepte eines geeigneten Querkeilwalzwerkzeuges und eines mehrdirektionalen Schmiedewerkzeugs vorgestellt. Damit ist es möglich, den Einfluss des Querkeilwalzens auf das mehrdirektionale Schmieden unter Variation verschiedener Prozessparameter wie Schulterwinkel und Höhe des Lagerversatzes zu untersuchen. Ziel ist es, ein grat- und faltenfreies Parameterfeld zu finden. Der Einfluss der Anschlusselemente Zapfen und Flansch wird ebenfalls untersucht.

Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden, gratloses Schmieden, Kurbelwelle

Derzeit lassen sich Kurbelwellen in vier Stufen mit den folgenden Prozessschritten gratlos schmieden: Querkeilwalzen, Querfließpressen, mehrdirektionales Schmieden und Fertigschmieden. Nun wird untersucht, unter welchen Bedingungen die Stadienfolge nach Weglassens des Querfließpressens noch funktioniert. Um den Einfluss des Querkeilwalzens auf das mehrdirektionale Schmieden zu untersuchen werden verschiedene Prozessparameter wie Schulterwinkel und Höhe des Lagerversatzes variiert. Ziel ist es ein grat- und faltenfreies Parameterfeld zu finden. Außerdem soll der Einfluss der Anschlusselemente Zapfen und Flansch untersucht werden.

Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden, Kurbelwelle, gratlos Schmieden

Vorformoperationen enthalten noch viel Optimierungspotenzial. Dieses Paper beschreibt daher die Auslegung einer vierstufigen Stadienfolge für eine gratlos geschmiedete Kurbelwelle mit Zapfen und Flansch. Der Prozess besteht aus Querkeilwalzen, Querfließpressen, mehrdirektionalem Schmieden und Fertigschmieden. Innerhalb der FEM-Simulationen mit der Software Forge 3 und experimenteller Untersuchungen wurden verschiedene Prozessparameter variiert. Beispiele sind die Werkstück- und Werkzeugtemperatur, Rollgeschwindigkeit und Halbzeugmaterial. Zwecks Verkürzung der Stadienfolge wurde der direkte Einfluss des Querkeilwalzens auf das mehrdirektionale Schmieden ohne das Querfließpressen anhand einer Einzylinderkurbelwelle ohne Zapfen und Flansch untersucht. Die Ergebnisse zeigen mögliche Schulterwinkel für das Querkeilwalzen und mehrere geometrische Werkzeugvariationen für das mehrdirektionale Schmieden.

Querkeilwalzen, mehrdirektionales Schmieden, Kurbelwelle, gratlos Schmieden