Innovativer Werkstoff für ein effizientes Verfahren

Technikforum
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Drückwalzen
Innovativer Werkstoff für ein
effizientes Verfahren
Unter dem Druck, Energie
und Material einzusparen,
nimmt der Anteil an umformtechnisch hergestellten Aluminium- und StahlBauteilen gegenüber zum
Beispiel verschweißten
stetig zu. Die hohen Ansprüche an Qualität und
Kosten fördern dabei den
Einsatz innovativer Werkstoffe und Verfahren.
Automobilhersteller setzen
heute vielfach aufgeladene
Motoren mit kleinem Hubraum
ein, damit sie die geforderten
Abgasnormen erfüllen und die
CO 2 -Emissionen reduzieren
können. Damit die Motoren die
gewünschte Leistung erbringen, werden Drehzahlen und
Drehmomente erhöht. Dies
führt jedoch zu einer höheren
Belastung der Getriebekomponenten. Insbesondere erhöht
sich der Verschleiß an den Kontaktflächen zwischen bewegten
Komponenten beispielsweise
eines Antriebselementes.
Neues verschleißbeständiges Material
Für die Herstellung von Getriebebauteilen oder allgemeiner
für die Herstellung von rotationssymmetrischen Hohlteilen,
mit und ohne Innenprofil, hat
sich die Drückwalztechnologie
durchgesetzt, da sie interessante konstruktive Möglichkeiten
bei verhältnismäßig niedrigen
Werkzeugkosten bietet. Um
dem mit höheren Drehzahlen
und Drehmomenten verbun-
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Typische Bauteile, die im Drückwalzverfahren hergestellt werden, sind innenverzahnte
Lamellenträger für PKW, Baufahrzeugen oder Landmaschinen
denen Materialverschleiß in
Automatikgetrieben von PKW,
Baufahrzeugen oder Landmaschinen entgegen zu wirken,
haben die Ingenieure der Winkelmann MSR Technology in
Ahlen zusammen mit einem
Stahlhersteller einen neuen
Stahlverbundwerkstoff entwickelt, aus dem im Drückwalzprozess zum Beispiel innenverzahnte Getriebeteile hergestellt
werden können.
Die Anforderungen an den
Werkstoff sind sehr komplex.
Zum einen muss er im Drückwalzprozess umformbar, zum
anderen soll die Innenseite
des Bauteils hoch verschleißfest sein. Für diesen Einsatz
wurde nun ein borlegierter
Vergütungsstahl mit einem
hochfesten Chromstahl durch
Warmwalzen verbunden. Der
Vergütungsstahl gewährleistet
die Umformbarkeit, der Chromstahl an der Innenseite des Bau-
teils kann mit Festigkeiten von
mehr als 1.200 MPa aufwarten
und ist damit hoch beständig
gegenüber Verschleiß. Ein weiterer Vorteil ist, dass der neue
Werkstoff keine weitere Wärmebehandlung erhalten muss,
damit diese hohe Festigkeit
erreicht wird.
Mit diesem Material gehörte
die Winkelmann MSR Technology zu den Finalisten des Stahlinnovationspreises 2012 in der
Kategorie „Stahl in Forschung
und Entwicklung/Verfahren“,
der alle 3 Jahre für besonders
innovative Anwendungen vom
Stahl-Informations-Zentrum in
Düsseldorf vergeben wird.
Plastische Verformung des
Werkstücks
Das Drückwalzen hat eine ganze Reihe an Vorteilen zu bieten.
So lassen sich komplexe Geometrien, sehr dünne Wandstär-
ken, eine hohe Genauigkeit der
Innenverzahnung und eine sehr
gute Oberflächenqualität erzielen. Das Material kann sehr
gut ausgenutzt werden und
seine Festigkeit wird durch die
Kaltverfestigung beträchtlich
gesteigert. Auch der Aufwand
für die in der Regel notwendige
mechanische Nachbearbeitung
der Bauteile wird erheblich
geringer.
Beim Drückwalzen wird eine
gedrückte, gedrehte, gezogene
oder geschmiedete Vorform,
ein Hohlkörper oder eine Ronde spielarm auf einen Drückwalzdorn aufgesetzt. Der Dorn
hat eine glatte oder profilierte
Oberfläche, die dann auf der
Innenseite des Werkstücks
abgebildet wird (Bild 1 und 2).
Die Vorform wird auf dem
Dorn, der auf dem Hauptspindelantrieb sitzt, fixiert und in
Drehbewegung versetzt. Von
außen setzen nun eine oder
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Bild 1: Prinzip des Drückwalzens
mehrere Drückwalzen an der
Vorform an. CNC-gesteuert
formen sie die Vorform in das
gewünschte Bauteil um. Durch
den Druck der Walzen wird der
Werkstoff plastisch verformt
und durch die axiale Bewegung
der CNC-Spindelachse wird das
Material so verschoben, dass
die Wanddicke der Vorform auf
die gewünschte Endwanddicke
reduziert wird. Dabei wird das
Bauteil entsprechend länger.
Über die CNC-Steuerung wird
die Außenform des Werkstücks
geformt, während das Innenprofil dem Dorn entsprechend
abgebildet wird.
In der Regel werden Maschinen
mit drei und mehr Drückwalzen
eingesetzt. In einer 3-RollenDrückwalze sind die drei Walzen in einem Winkel von 120°
angeordnet. Sie weisen einen
definierten radialen und axialen Versatz zueinander auf,
der für die Endmaße mitverantwortlich ist.
In Abhängigkeit der Fertigteilgeometrie werden bis zu 18 mm
dicke Schmiedeteile oder bis zu
14 mm dicke Ronden als Ausgangsbauteile eingesetzt. In der
industriellen Praxis wird häufig
eine Reduktion auf Endwandstärken zwischen 4 und 10 mm
(für verzahnte Bauteile) erreicht. Die Wanddicke der Ausgangsform kann im Extremfall
um bis zu 95 Prozent reduziert
werden. Um die drückgewalzten Bauteile in einen einbaufähigen Zustand zu versetzen,
müssen diese mit nur noch
relativ geringem Aufwand mechanisch bearbeitet werden.
So werden abschließend zum
Beispiel Passungen, Sprengringnuten oder Öllöcher durch
Zerspanung eingebracht.
Beim Drückwalzen erfolgt eine
Kaltumformung, wobei das
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Material eine Kaltverfestigung
erfährt und eine Steigerung der
Ausgangsfestigkeit des jeweils
verwendeten Materials erreicht wird. Aus diesem Grund
kann in vielen Fällen die sonst
notwendige Wärmebehandlung zur Festigkeitssteigerung
entfallen. Das reduziert die Anzahl der Prozessschritte und die
Herstellkosten. Das Entfallen
der Wärmebehandlung ist zudem aus technischer Sicht ein
gewünschter Nebeneffekt, da
sich bei der Wärmebehandlung
Spannungen im Material lösen,
welche die Formgenauigkeit
des Bauteils negativ verändern.
Die Abmessungen des Werkstücks werden durch die Variation von Rollen-Versatz,
Spindeldrehzahl und –vorschub
beeinflusst. Die anderen Parameter wie Geometrie der
Vorform, Walzenkontur und
Dornabmessungen müssen in
der Bauteilentwicklung festgelegt werden.
21.01.2013
10:11 Uhr
Seite 1
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Bild 2: Über den radial wirkenden Druck der Rollen wird das
Werkstück verformt und das Innenprofil des Dorns abgebildet
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Ingenieur forum 1/2013
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Technikforum
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Gleichlauf- und GegenlaufDrückwalzen
Beim Drückwalzen von zylindrischen Hohlkörpern unterscheidet man entsprechend
der axialen Fließrichtung des
Werkstoffes das Gleichlauf- und
das Gegenlauf-Drückwalzen
(Bild 3). Das Drückwalzen im
Gleichlauf wird für Bauteile mit
Boden eingesetzt.
Der „Topf“ wird durch einen
Gegenhalter auf den Dorn
gepresst. Die gleichlaufenden
Walzen schieben das Material
in Richtung des axialen Vorschubs. Der noch nicht an der
Umformung beteiligte Bereich
wird dabei vor der Walze hergeschoben.
Das Walzen im Gegenlauf wird
bei zylindrischen Bauteilen
ohne Boden angewendet. Die
Vorform ist hier ein Rohr, das
über den Dorn gegen einen
stirnverzahnten Mitnehmerring
geschoben wird. Durch die axiale Kraft der Drückwalzen wird
das Rohr auf die mit dem Dorn
rotierende Verzahnung gedrückt und rotiert so ebenfalls.
Unter dem radial wirkenden
Druck der Walzen fließt das
Material in Richtung des freien
Endes des Drückwalzdornes.
Auf diese Weise lassen sich bis
zu 6 m lange Rohre herstellen.
Einschränkungen bei
alternativen Verfahren
Typische Bauteile, die vorteilhaft im Drückwalzverfahren
hergestellt werden, sind innenverzahnte Lamellenträger.
Alternative Produktionsmethoden für diese Bauteile sind
das Stoßen oder Räumen.
Die geräumten Verzahnungen
haben jedoch den Nachteil,
dass sie nur in ringförmigen
Vorformen erzeugt werden
können, die dann mit einem
Boden verschweißt werden
müssen, um den Verbund zur
Welle herzustellen.
Beim Drückwalzen kann man
Integralbauteile (Ring mit integriertem Boden) von einer
ebenen Ronde ausgehend
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Bild 3: Das Drückwalzen kann im Gleich- oder Gegenlauf erfolgen
herstellen und das Bauteil in
einem Stück ohne Schweißnaht
formen. Damit können Material- und Herstellkosten gespart
werden.
Beim Stoßen von Innenverzahnungen ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten
die Dauer des Stoßvorgangs
nachteilig. Je nach Bauteildurchmesser und Zahnhöhe
benötigt der Drückwalzprozess
nur ein Bruchteil des Stoßprozesses. Ein weiterer Nachteil
des Räumens oder Stoßens der
Verzahnung ist, dass die Gefügestruktur an der Oberfläche
des mechanisch bearbeitenden
Bereichs (also der Verzahnung)
zerstört wird. Beim Drückwalzen wird die Gefügestruktur im
umgeformten Bereich der Verzahnung nicht unterbrochen.
Werkstoffe für das
Drückwalzen
Da beim Drückwalzen eine
Plastifizierung des Materials
erfolgt, können neben den
klassischen Eisen- und Aluminiumlegierungen auch schwer
umfombare Legierungen wie
Edelstahl, Inconel oder Hastelloy verarbeitet werden. Der
Werkstoff für ein Bauteil mit
Innenstruktur, beispielsweise
ein Lamellenträger, muss ein
homogenes Gefüge mit einem
Kohlenstoffgehalt von < 0,25 %
haben. Er muss über einen
hohen Reinheitsgrad, ein hohes
Umformvermögen und geringe
Fließspannung verfügen. Je
nach Bauteilgeometrie und
–anwendung wird ein entsprechender Werkstoff ausgewählt.
Ein wichtiger Punkt bei dem
von Winkelmann mitentwickelten Material ist, dass es keine
Wärmebehandlung mehr benötigt. So wird die Genauigkeit
der Innenstruktur, die beim
Drückwalzen erzielt wurde,
beibehalten und zudem Kosten
gespart, weil ein oder mehrere
Prozessschritte entfallen. (AJA)
Informationen: Christian Brinkmann, Winkelmann MSR Technology, Ahlen, Tel. 02382/856689, www.winkelmannmsr.de
christian.brinkmann@
w i n ke l m a n n m s r. d e
Bild 4: Am Beispiel des drückgewalzten Hohlrads wird die Umformung von der Ronde zum
Lamellenträger deutlich

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