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Ausgewählte Ausgabe: 11-12-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Virtuelle Analysetools – eine smarte Methode zur effizienten Erforschung von Kaltfließpressprozessen

Virtual Analysis Tools – a Smart Method for an Efficient Research of Cold Forging Processes


Inhalt: Zahnräder sind integrale und unverzichtbare Komponenten in der Antriebs- und Getriebetechnik. Aufgrund ökonomischer sowie ökologischer Aspekte bildet das Kaltfließpressen eine vielversprechende Alternative bei der Fertigung hochbeanspruchbarer Zahnräder gegenüber den konventionellen spanenden Verfahren. Die erzielbare Verzahnungsgenauigkeit sowie unzureichende Werkzeugstandmengen gelten als wesentliche Herausforderungen bei der Etablierung kaltfließpresstechnischer Prozesse in der industriellen Praxis. Ein Einsatz numerischer Analysetools birgt hierbei einen erfolgsversprechenden Ansatz zur effizienten und effektiven Prozesserforschung.
Abstract: Gears are integral and vital machine elements in the field of drive and transmission technology. With regard to economic and ecological aspects, cold forging represents a promising approach compared to conventional cutting processes for producing highly-loadable gears. The achievable gear accuracy as well as an insufficient tool life is one major challenge during establishing cold forging processes in industry. Thus, the use of numerical analysis tools offers a great potential for an efficient and effective process research.

1 Kaltfließpressen von Zahnrädern

Zahnräder zählen in der Antriebs- sowie Getriebeherstellung zu den am häufigsten verwendeten Maschinenelementen im modernen Fahrzeug- und Maschinenbau [1]. Eingesetzt werden Zahnräder in den unterschiedlichsten Anwendungsdisziplinen vom einstufigen Industriegetriebe über Schalt- sowie Automatikgetriebe im Automobilbau bis hin zu Großgetrieben in Windkraftanlagen [2]. In der Industrie werden aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen und robusten Bauweise überwiegend Stirnradgetriebe eingesetzt, wobei Gerad- und Schrägverzahnungen einzeln sowie in Kombination Anwendung finden [3]. Zur effektiven Reduzierung der auftretenden Geräuschemission während des Einsatzes werden klassischerweise schrägverzahnte Zahnräder verbaut [3]. In Anbetracht des großen Wettbewerbs und dem damit verbundenen Kostendruck am Beispiel der Automobilzulieferbranche [4] zielen Unternehmen auf eine kontinuierliche Effizienz- und Produktivitätssteigerung bei einer gleichzeitigen Reduzierung der Kosten ab [5]. Hergestellt werden Zahnräder konventionell durch spanende Fertigungsverfahren, da hierdurch hohe geometrische Qualitätsstandards erzielt werden [2]. Im Hinblick auf ökonomische und ökologische Aspekte bieten Kaltfließpress- prozesse aufgrund von kürzeren Fertigungszyklen und einer gesteigerten Materialeffizienz eine vielversprechende Verfahrensalternative [5]. Ferner überzeugen fließgepresste Zahnräder angesichts einer prozessbedingten Kaltverfestigung und einem ununterbrochenen Faserverlauf durch eine erhöhte Bauteilbeanspruchbarkeit infolge einer potentiell höheren erreichbaren zyklischen Festigkeit [6], [7]. Infolge der verbesserten Leistungsfähigkeit ist eine gezielte Reduzierung der Bauteilgröße und somit Bauraumeinsparung möglich, was für den klassischen Leichtbaugedanken insbesondere in der Automobilbranche ein hohes Potential birgt [8].
Ein fließpresstechnischer Prozess zur Herstellung schrägverzahnter Zahnräder ist das sogenannte „Samanta“-Verfahren [9]. Bei diesem auch als „Fließpressen im Paket“ bezeichneten Verfahren [10], werden mehrere gestapelte Rohlinge sequentiell durch die formgebende Matrize gepresst, indem die Umformung eines Rohlings unterbrochen und ein weiterer Rohling in das Werkzeugsystem eingelegt wird [9]. Infolge dieser Prozessführung sind in der Regel zwei Umformzyklen zur Herstellung eines Bauteils erforderlich.

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Bild 1
Schematische Darstellung des Samanta-Verfahrens

Bild 1 liefert einen Überblick über den schema- tischen Prozessaufbau und -ablauf beim Samanta-Verfahren.
Der entscheidende Vorteil des Samanta-Verfahrens gegenüber klassischen Quer- und Vorwärtsfließpressprozessen ist die Vermeidung eines Auswerfervorgangs der umgeformten Bauteile. Hierdurch wird insbesondere für schrägverzahnte Zahnräder ein negativer Einfluss auf die Verzahnungsqualität durch das Auswerfen umgangen [11]. Daneben wird die Prozesskette während des Bauteilherstellungszyklus verkürzt, wodurch aus ökonomischer Sicht eine effizientere Produktion erreicht wird [9]. Die Etablierung des Samanta-Verfahrens im industriellen Umfeld ist aufgrund bauteil- sowie prozessseitiger Faktoren vor Herausforderungen gestellt (Bild 2).
Bild 2 Herausforderungen beim Kaltfließpressen von Zahnrädern im Samanta-Verfahren

Bild 2
Herausforderungen beim Kaltfließpressen von Zahnrädern im Samanta-Verfahren


Aus bauteilspezifischer Sicht entsteht während der Kaltumformung prozessbedingt ein Einzugsbereich sowie ein „kronenförmiger“ Bereich, der durch nachgeschaltete spanende Prozesse bearbeiten werden muss [12]. Zudem limitiert die erreichbare IT-Genauigkeitsklasse hinsichtlich der Profil- und Flankengenauigkeit einen Einsatz für Serienanwendungen in der Industrie [13]. Eine weitere Herausforderung stellen unzureichende Werkzeugstandmengen der eingesetzten Matrizen durch die umformbedingt hohen Beanspruchungen dar [13].

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Autoren

M.Sc. Christoph Kiener

Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Egerlandstraße 13 , 91058 Erlangen  
Tel.: 0 91 31/85-2 07 68  
E-Mail: christoph.kiener@fau.de
www.fau.de

Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein

Ordinaria am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie
Egerlandstraße 13
91058 Erlangen
www.fau.de

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