Potenziale massivumgeformter Bauteile - Industrieverband ...

Unter dem Motto
"Konkurrenzlos sicher,
innovativ ..." präsentiert sich
die Branche der Massivumformung
in der Öffentlichkeit.
In diesem Beitrag werden anhand
von Beispielen wichtige
Vorteile der Massivumformprodukte
vorgestellt, die
sich den Themenkreisen
Dynamische Belastbarkeit,
Begrenzter Bauraum und
Verkürzung der Entwicklungszeiten
zuordnen lassen.
Der Industriezweig Massivumformung in
Deutschland stellt jährlich eine Stückzahl von
rund 1,6 Milliarden Bauteilen her. Dies entspricht
einem Umsatz von 4,4 Milliarden EUR.
Hauptanwendungsbereiche der Produkte sind
vor allem der Automotive-Sektor und dann mit
Abstand der Maschinenbau. Wo es auf Sicherheit,
Zuverlässigkeit und Lebensdauer ankommt,
sind die Komponenten und Systeme
der Massivumformung unentbehrlich. Durch
umformtechnische Verfahren ist es möglich,
weite Bereiche von Festigkeiten zu wählen.
Dies geschieht sowohl über die Analyse des
Werkstoffs als auch über die Wärmebehandlung,
die zunehmend in Form der kontrollierten
Abkühlung durchgeführt wird. Bedingt
durch die werkstofftechnischen Eigenschaften,
durch Korngröße, Faserverlauf und
die absolute Porenfreiheit ergibt sich bei umgeformten
Bauteilen, dass bei gleicher Festigkeit
die Zähigkeitswerte des Werkstoffs höher
liegen als bei konkurrierenden Verfahren. Dies
wird durch die erreichbaren Dehnungswerte im
Zugversuch oder die erzielbaren Werte für die
Kerbschlagarbeit dokumentiert.
Dynamische Belastbarkeit
Durch die höhere Zähigkeit umgeformter
Werkstoffe lässt sich ein höheres Belastungsniveau
in einem Bauteil realisieren: Der
Konstrukteur hat die Möglichkeit, leichtere
Bauteile zu gestalten. Des Weiteren gilt für
umgeformte Werkstoffe, dass aufgrund der
hohen Zähigkeit bei einer optimalen Gestaltung
des Bauteils, bei der Kerben und damit
verbundene Kerbwirkungen vermieden werden,
eine insgesamt höhere Bauteilbelastbarkeit
erreicht werden kann. Durch die
Massivumformung ergibt sich ein Faserverlauf,
der der Kontur des Bauteils folgt. Da
Faserverlauf und Bauteilbelastung normalerweise
parallel laufen, weist der Werkstoff eine
erhöhte Schwingfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit
auf.
REPORT
Potenziale
massivumgeformter
Bauteile
Ing. Werner W. Adlof, Hagen
Wesentliche Entwicklungsziele moderner
Hubkolbenmotoren sind neben geringem Verbrauch
und niedrigem Gewicht aus Komfortgründen
ein maximales Drehmoment sowie
eine minimale Geräuschentwicklung – d. h.
weniger Schwingungen im Motor. Dies führt
tendenziell zu größeren Gegengewichten. Da
die Baugrößen des Motors kleiner werden
und damit die Lagerbreiten schmaler, müssen
durch Massenkompensation auch die Lagerbelastungen
reduziert werden.
Wegen des Trends zum aufgeladenen Dieselmotor
mit sehr hohen Innendrücken stoßen
Gusswerkstoffe an ihre Festigkeitsgrenzen
und selbst bei Stahlwerkstoffen werden
Überlegungen in Richtung höherer Festigkeit
angestellt. Die höheren Betriebsdrücke des
Motors führen zu einer sehr viel höheren
spezifischen Belastung der Kurbelwelle.
Auch die spezifische Lagerlast steigt überproportional.
Die Lagerlebensdauer ist bei stahlgeschmiedeten
Kurbelwellen unter gleichen
Bedingungen nachweislich höher als bei
Gusskurbelwellen.
Auch massivumgeformte Pleuelstangen aus
mikrolegierten Stählen helfen mit, neue Motoren
immer leistungsstärker und leichter, zugleich
aber sparsamer und schadstoffärmer zu
gestalten. Schon der bruchtrennfähige Stahl
C70S6 weist im Vergleich zu einem Sinterpleuel
eine höhere Zugfestigkeit, günstigere
Zähigkeitseigenschaften und eine um etwa
15 % höhere Dauerfestigkeit auf. Aufgrund
der endabmessungsnahen Rohteile liegen die
Gesamtkosten dieses einbaufertigen geschmiedeten
Pleuels um etwa 15 % unter dem
Fertigteilpreis des Sinterpleuels, da letzteres
einen deutlich höheren Rohteilpreis aufweist.
Weitere Vorteile stahlgeschmiedeter Pleuelstangen
sind die 100 %-ige Dichte und der
beanspruchungsgerechte Faserverlauf.
Massivumgeformtes, bruchgetrenntes Pleuel
mit optimierter Gestalt
Quelle: Mahle Brockhaus
Eine Weiterentwicklung, die bei Pleuelstangen
für Dieselmotoren mit erhöhter
Beanspruchung im Sinne von Leichtbau
eingesetzt wird, ist ein mikrolegierter Stahl
Faserverlauf in einer geschmiedeten Kurbelwelle Quelle: ThyssenKrupp
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(36MnVS4), der bei erhöhter Streckgrenze,
Dehnung und Einschnürung eine rund 30 %
höhere Dauerfestigkeit (415 MPa) im Vergleich
zu C70S6 (320 MPa) aufweist. Der
Rohteilpreis steigt lediglich um 10 %. Innovative
Stahlwerkstoffe ermöglichen sowohl
Gewichtsminimierungen als auch Leichtbau
durch ihre höhere dynamische Belastbarkeit.
Fahrwerksteile wie z. B. Achsschenkel
zählen zu den höchstbeanspruchten Konstruktionselementen
im Automobilbau. Da
deren Versagen gravierende Auswirkungen
haben kann, wird von solchen Bauteilen
höchstmögliche Betriebssicherheit gefordert.
Neben der angestrebten Reduzierung des
Fahrzeuggewichts, insbesondere der ungefederten
Massen, gilt es, die Bauteilkosten zu
senken.
Für schwere Nutzfahrzeuge wurden bis vor
kurzem aus Sicherheitsgründen ausschließlich
Vergütungsstähle für Achsschenkel
verwendet, die den bisher bekannten kostengünstigeren
AFP-Stählen (ausscheidungshärtenden
ferritisch-perlitischen Stählen) bezüglich
des Festigkeits/Zähigkeits-Verhältnisses
deutlich überlegen sind.
Mit neu entwickelten AFP-Stählen ist es
gelungen, die Eigenschaften gegenüber herkömmlichen
AFP-Stählen deutlich zu verbessern.
Das Streckgrenzenniveau von Vergütungsstählen
einerseits und geforderte
Zähigkeitseigenschaften andererseits wurden
mit neu entwickelten AFP-Stählen erreicht,
und dies bei guter spanender Bearbeitbarkeit
und mit einem Kostenvorteil gegenüber
Vergütungsstählen.
Diese überzeugenden Werkstoffentwicklungen
zugunsten von kostengünstigen Massivumformteilen
haben dazu geführt, dass
bisher aus dem Vergütungsstahl 42CrMo4
hergestellte Nfz-Achsschenkel bereits serienmäßig
auf einen der neu entwickelten kostengünstigeren
AFP-Stähle umgestellt wurden.
Das verbesserte Eigenschafts-Niveau der
neuen AFP-Stähle ist auch auf Pkw-Fahrwerksteile
übertragbar. Bei gleicher Bauteilgeometrie
sind entweder höhere Achslasten
oder Gewichtsreduzierungen der ungefederten
Massen möglich.
Begrenzter Bauraum
Bei engen Bauräumen und hohen Bauteil-
Belastungen sind Massivumformteile oft die
ideale Lösung.
Bei einer neuen Variante eines frontgetriebenen
Transporters mit einer gegenüber der
Standardversion erhöhten zulässigen Nutzlast
steigt die Beanspruchung der Bauteile an der
Vorderachse um ca. 30 %. Der für die Standardversion
verwendete Guss-Querlenker
konnte wegen des engen Bauraums nicht
verstärkt werden, um dieser höheren
Belastung zu genügen. Die Zielvorgaben für
einen geschmiedeten Querlenker für den
erhöhten Belastungsfall waren: Orientierung
am Gewicht des Guss-Querlenkers, Verwen-
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2005
REPORT
Nfz-Achsschenkel in montiertem Zustand Quelle: CDP Bharat Forge
dung eines kostengünstigen Werkstoffs und
Dauerfestigkeitseigenschaften, die der erhöhten
Belastung entsprechen.
Bei der Konstruktion des geschmiedeten
Querlenkers wurden zunächst die bekannten
Bauräume und
Funktionsmaße der
vorhandenen Vorderachskonstruktion
übernommen
und mit einer
FEM-Berechnung
die für den erhöhtenBelastungsfall
kritischen Bereiche
ermittelt.
Unter Ausnutzung
schmiedetechnisch
herstellbarer Bauteilprofilierungen
wurde der Querlenker
in mehreren
Optimierungsschritten
so gestaltet,
dass eine
Anhebung des
Bauteilgewichts
trotz des höheren
spezifischen Gewichts
von Stahl
weitestgehend vermieden
werden
konnte. Als Werkstoff wurde der AFP-Stahl
30MnVS6 gewählt, der aus der Umformwärme
gesteuert abgekühlt eine Streckgrenze
von mind. 520 MPa aufweist.
Ein weiteres Beispiel ist ein Kegelradsatz
für ein Sperrdifferenzial, bei dem sowohl die
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vorderseitige Kegelverzahnung als auch die
Außen-Spline-Verzahnung am rückseitigen
Schaft des Achswellen-Kegelrads einbaufertig
umgeformt wird. Die Qualität 8-9 präzisionsumgeformter
Kegelverzahnungen wird
FEM-unterstüzte Optimierung eines Querlenkers
Quelle: VW/Ruhrtaler Gesenkschmiede
erreicht, die Außen-Spline-Verzahnungen
werden mit Rollenmaß-Toleranzen < 0,25
mm prozessfähig hergestellt.
Bei konventioneller spanender Bearbeitung
ist für das Bearbeitungswerkzeug der Steckverzahnung
ein Auslauf im Übergang zur

Präzisionsgeschmiedetes Achswellenkegelrad
für ein Sperrdifferenzial
Quelle: ThyssenKrupp Präzisionsschmiede
Kegelverzahnung erforderlich. Dieser Auslauf
kann bei der umformtechnischen Lösung
entfallen. Dadurch können die Bauteilhöhe
und das Gewicht der Kegelräder und somit
auch des Differenzialgehäuses reduziert
werden.
Wertschöpfung durch funktionale Integration
in der Fertigung
Quelle: ThyssenKrupp Präzisionsschmiede
Verkürzung der Entwicklungszeiten
Der Einsatz von Softwarewerkzeugen zur
Simulation des Umformvorgangs hat für die
Unternehmen der Massivumformung einen
hohen Stellenwert. Die Wettbewerbsvorteile
massivumgeformter Bauteile können so schon
bei der konstruktiven Auslegung des Umformprozesses
ausgeschöpft werden. Gerade
bei komplexen Herstellungsprozessen können
der Materialeinsatz, die Taktzeiten und die
Qualität optimiert werden. Insbesondere
Automobilhersteller verlangen zunehmend
die Anwendung der Simulation von ihren Zulieferern,
weil dadurch dem steigenden Kostendruck
sehr gut begegnet werden kann.
Im folgenden Bild ist die Entwicklungskette
für einen geschmiedeten Radträger dargestellt.
Ausgehend von den Ausgangsdaten
des Kunden – dem vorgegebenen Bauraum
und dem Lastenheft – erfolgt die Bauteilentwicklung
vom ersten Entwurf über die Bau-
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2005
REPORT
Entwicklungskette für einen geschmiedeten Radträger Quelle: CDP Bharat Forge
teiloptimierung bis zur Prüfstandserprobung
unter Einsatz der Simulation.
Mit den Möglichkeiten der Massivumformung
ist die sichere, schnelle und aussagefähige
Entwicklung von Prototypen möglich.
Die Herstellung von massivumgeformten
Prototypen ist hinsichtlich Geschwindigkeit,
Aussagefähigkeit und Kosten dem Rapid
Prototyping überlegen. Die Anfertigung eines
Gesenks mit anschließender Schmiedung von
Prototypen ist in der Regel günstiger als ein
Stereo-Lithographie-Modell. Massivumgeformte
Prototypen sind voll einsatzfähig, in
Werkstoffeigenschaften und Geometrie seriengleich
oder zumindest seriennah und
somit für alle Versuche hinsichtlich
Funktions- und Lebensdauerprüfungen bis hin
zu Crashtests sofort verwendbar.
Ein exemplarischer Zeitplan (ab Abschluss
der konstruktiven Abstimmung mit dem Kunden)
verdeutlicht die schnell mögliche Herstellung
massivumgeformter Prototypen, die
voll einsatzfähig sind.
Einbaufertig bearbeitete Massivumformteile
oder fertig montierte Komponenten mit Massivumformteilen
unterstützen die Tendenz zu sinkender
Fertigungstiefe der Fahrzeughersteller.
Wenn der Kunde auf die Baugruppenmontage
spezialisiert ist, sorgen die Unternehmen
der Massivumformung für die optimale Auswahl
von Werkstoff und Wärmebehandlung
des Bauteils. Bei dynamisch belasteten Teilen
werden so bei kleinstmöglichen Bauteilvolumen
und damit geringstmöglichem
Gewicht die vorgegebenen Beanspruchungen
aufgenommen.
Tag 1 Abschließende Festlegung der Anforderungen und Übergabe des CAD-Modells
Tag 2 Umsetzung des CAD-Modells in Lieferanten-CAD (3D-Modell)
Tag 3-4 Ausgehend vom 3D-Modell:
- Programmierung des Datensatzes für die Umformwerkzeuge
- Anfertigung der Hilfsvorrichtung für die Bearbeitung
- Programmierung CNC-Bearbeitungszentrum
Tag 5 HSC-Fräsen des Gesenks
Tag 6 Schmiedung der Prototypen parallel ggf. HSC-Fräsen des Prägewerkzeugs
Tag 7 Entgraten der Prototypen (Sägen, Schleifen manuell)
Tag 8-9 Ggf. Folgearbeitsgänge spanlos (Vergüten, Sandstrahlen und Prägen)
Tag 10 Spanende Arbeitsgänge (CNC-Bearbeitungszentrum)
Tag 11 Vorbereitung der Lieferung (Freigaben, Messprotokoll...) und Lieferung
Tag 12 Prototypen einsatzfähig beim Kunden,
geeignet für alle Tests einschließlich Crashversuch
Exemplarischer Zeitplan zur Herstellung massivumgeformter Prototypen
Quelle: Jung, Boucke
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Wenn der Kunde nur noch die Endmontage
einer zugelieferten Komponente oder Baugruppe
übernimmt, gestaltet das Unternehmen der
REPORT
Heckklappenscharnier als einbaufertig montierte Komponente Quelle: Jung, Boucke
Massivumformung alle erforderlichen Einzelteile
funktionsgerecht, wählt die geeigneten
Verfahren zu deren Herstellung aus und fügt
bzw. montiert die Komponente oder Baugruppe
und versieht diese ggf. mit einem Korrosionsschutz.
Die Unternehmen der Massivumformung
bieten für jeden spezifischen Fall eine Lösung
bis zu einer gemeinsam als sinnvoll definierten
Schnittstelle an.
Fazit
Anhand von Beispielen aus dem Automotive-Bereich
wurde gezeigt, welche Potenziale
massivumgeformte Bauteile hinsichtlich
Beanspruchbarkeit, Kostenoptimierung und in
punkto Flexibilität bei der Zusammenarbeit
zwischen Hersteller und Abnehmer aufweisen.
Massivumgeformte Bauteile sind konkurrenzlos
sicher und innovativ – so lautet die
Botschaft der Massivumformung. ■
Im Rahmen einer Branchenpräsentation
der Infostelle Industrieverband Massivumformung
ab 2005 stellen firmenneutrale
Fachleute vor Entwicklern und
Konstrukteuren namhafter Kundenfirmen
nach Vereinbarung die Potenziale massivumgeformter
Bauteile vor. Mit diesen
Veranstaltungen vor Ort werden firmenneutrale
Informations- und Kontaktmöglichkeiten
geboten. Nähere Informationen
unter Kennziffer 502.
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