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Technikforum 8 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 erbrin- gen, werden Drehzahlen und Drehmomente erhöht. Dies führt jedoch zu einer höheren Belastung der Getriebekompo- nenten. Insbesondere erhöht sich der Verschleiß an den Kon- taktflächen zwischen bewegten Komponenten beispielsweise eines Antriebselementes. Neues verschleiß- beständiges Material Für die Herstellung von Getrie- bebauteilen oder allgemeiner für die Herstellung von rotati- onssymmetrischen Hohlteilen, mit und ohne Innenprofil, hat sich die Drückwalztechnologie durchgesetzt, da sie interessan- te konstruktive Möglichkeiten bei verhältnismäßig niedrigen Werkzeugkosten bietet. Um dem mit höheren Drehzahlen und Drehmomenten verbun- Drückwalzen Innovativer Werkstoff für ein effizientes Verfahren Unter dem Druck, Energie und Material einzusparen, nimmt der Anteil an um- formtechnisch hergestell- ten Aluminium- und Stahl- Bauteilen gegenüber zum Beispiel verschweißten stetig zu. Die hohen An- sprüche an Qualität und Kosten fördern dabei den Einsatz innovativer Werk- stoffe und Verfahren. denen Materialverschleiß in Automatikgetrieben von PKW, Baufahrzeugen oder Landma- schinen entgegen zu wirken, haben die Ingenieure der Win- kelmann MSR Technology in Ahlen zusammen mit einem Stahlhersteller einen neuen Stahlverbundwerkstoff entwi- ckelt, aus dem im Drückwalz- prozess zum Beispiel innenver- zahnte Getriebeteile hergestellt werden können. Die Anforderungen an den Werkstoff sind sehr komplex. Zum einen muss er im Drück- walzprozess umformbar, zum anderen soll die Innenseite des Bauteils hoch verschleiß- fest sein. Für diesen Einsatz wurde nun ein borlegierter Vergütungsstahl mit einem hochfesten Chromstahl durch Warmwalzen verbunden. Der Vergütungsstahl gewährleistet die Umformbarkeit, der Chrom- stahl an der Innenseite des Bau- teils kann mit Festigkeiten von mehr als 1.200 MPa aufwarten und ist damit hoch beständig gegenüber Verschleiß. Ein wei- terer Vorteil ist, dass der neue Werkstoff keine weitere Wär- mebehandlung erhalten muss, damit diese hohe Festigkeit erreicht wird. Mit diesem Material gehörte die Winkelmann MSR Techno- logy zu den Finalisten des Stahl- innovationspreises 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 gan- ze Reihe an Vorteilen zu bieten. So lassen sich komplexe Geo- metrien, sehr dünne Wandstär- ken, eine hohe Genauigkeit der Innenverzahnung und eine sehr gute Oberflächenqualität er- zielen. 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 Ron- de spielarm auf einen Drück- walzdorn 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 Hauptspin- delantrieb sitzt, fixiert und in Drehbewegung versetzt. Von außen setzen nun eine oder Typische Bauteile, die im Drückwalzverfahren hergestellt werden, sind innenverzahnte Lamellenträger für PKW, Baufahrzeugen oder Landmaschinen

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Automobilhersteller setzen heute vielfach aufgeladene Motoren mit kleinem Hubraum ein, damit sie die geforderten Abgasnormen erfüllen und die CO2-Emissionen reduzieren können. Damit die Motoren die gewünschte Leistung erbrin-gen, werden Drehzahlen und Drehmomente erhöht. Dies führt jedoch zu einer höheren Belastung der Getriebekompo-nenten. Insbesondere erhöht sich der Verschleiß an den Kon-taktflächen zwischen bewegten Komponenten beispielsweise eines Antriebselementes.

Neues verschleiß- beständiges Material

Für die Herstellung von Getrie-bebauteilen oder allgemeiner für die Herstellung von rotati-onssymmetrischen Hohlteilen, mit und ohne Innenprofil, hat sich die Drückwalztechnologie durchgesetzt, da sie interessan-te konstruktive Möglichkeiten bei verhältnismäßig niedrigen Werkzeugkosten bietet. Um dem mit höheren Drehzahlen und Drehmomenten verbun-

Drückwalzen

Innovativer Werkstoff für ein effizientes Verfahren

Unter dem Druck, Energie und Material einzusparen, nimmt der Anteil an um-formtechnisch hergestell-ten Aluminium- und Stahl-Bauteilen gegenüber zum Beispiel verschweißten stetig zu. Die hohen An-sprüche an Qualität und Kosten fördern dabei den Einsatz innovativer Werk-stoffe und Verfahren.

denen Materialverschleiß in Automatikgetrieben von PKW, Baufahrzeugen oder Landma-schinen entgegen zu wirken, haben die Ingenieure der Win-kelmann MSR Technology in Ahlen zusammen mit einem Stahlhersteller einen neuen Stahlverbundwerkstoff entwi-ckelt, aus dem im Drückwalz-prozess zum Beispiel innenver-zahnte Getriebeteile hergestellt werden können. Die Anforderungen an den Werkstoff sind sehr komplex. Zum einen muss er im Drück-walzprozess umformbar, zum anderen soll die Innenseite des Bauteils hoch verschleiß-fest sein. Für diesen Einsatz wurde nun ein borlegierter Vergütungsstahl mit einem hochfesten Chromstahl durch Warmwalzen verbunden. Der Vergütungsstahl gewährleistet die Umformbarkeit, der Chrom-stahl an der Innenseite des Bau-

teils kann mit Festigkeiten von mehr als 1.200 MPa aufwarten und ist damit hoch beständig gegenüber Verschleiß. Ein wei-terer Vorteil ist, dass der neue Werkstoff keine weitere Wär-mebehandlung erhalten muss, damit diese hohe Festigkeit erreicht wird. Mit diesem Material gehörte die Winkelmann MSR Techno-logy zu den Finalisten des Stahl-innovationspreises 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 gan-ze Reihe an Vorteilen zu bieten. So lassen sich komplexe Geo-metrien, sehr dünne Wandstär-

ken, eine hohe Genauigkeit der Innenverzahnung und eine sehr gute Oberflächenqualität er-zielen. 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 Ron-de spielarm auf einen Drück-walzdorn 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 Hauptspin-delantrieb sitzt, fixiert und in Drehbewegung versetzt. Von außen setzen nun eine oder

Typische Bauteile, die im Drückwalzverfahren hergestellt werden, sind innenverzahnte Lamellenträger für PKW, Baufahrzeugen oder Landmaschinen

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Technikforum

Ingenieur forum 1/2013

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 Innen-profil dem Dorn entsprechend abgebildet wird.In der Regel werden Maschinen mit drei und mehr Drückwalzen eingesetzt. In einer 3-Rollen-Drückwalze sind die drei Wal-zen in einem Winkel von 120° angeordnet. Sie weisen einen

definierten radialen und axi-alen Versatz zueinander auf, der für die Endmaße mitver-antwortlich ist. In Abhängigkeit der Fertigteil-geometrie werden bis zu 18 mm dicke Schmiedeteile oder bis zu 14 mm dicke Ronden als Aus-gangsbauteile eingesetzt. In der industriellen Praxis wird häufig eine Reduktion auf Endwand-stärken zwischen 4 und 10 mm (für verzahnte Bauteile) er-reicht. Die Wanddicke der Aus-gangsform kann im Extremfall um bis zu 95 Prozent reduziert werden. Um die drückgewalz-ten Bauteile in einen einbau-fähigen Zustand zu versetzen, müssen diese mit nur noch relativ geringem Aufwand me-chanisch bearbeitet werden. So werden abschließend zum Beispiel Passungen, Spreng-ringnuten oder Öllöcher durch Zerspanung eingebracht.Beim Drückwalzen erfolgt eine Kaltumformung, wobei das

Material eine Kaltverfestigung erfährt und eine Steigerung der Ausgangsfestigkeit des jeweils verwendeten Materials er-reicht wird. Aus diesem Grund kann in vielen Fällen die sonst notwendige Wärmebehand-lung zur Festigkeitssteigerung entfallen. Das reduziert die An-zahl der Prozessschritte und die Herstellkosten. Das Entfallen der Wärmebehandlung ist zu-dem 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 Werk-stücks werden durch die Va-riation von Rollen-Versatz, Spindeldrehzahl und –vorschub beeinflusst. Die anderen Pa-rameter wie Geometrie der Vorform, Walzenkontur und Dornabmessungen müssen in der Bauteilentwicklung festge-legt werden.

Bild 1: Prinzip des Drückwalzens

Bild 2: Über den radial wirkenden Druck der Rollen wird das Werkstück verformt und das Innenprofil des Dorns abgebildet

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Gleichlauf- und Gegenlauf-Drückwalzen

Beim Drückwalzen von zylin-drischen Hohlkörpern unter-scheidet 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 Vor-schubs. Der noch nicht an der Umformung beteiligte Bereich wird dabei vor der Walze her-geschoben. 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 axi-ale Kraft der Drückwalzen wird das Rohr auf die mit dem Dorn rotierende Verzahnung ge-drückt 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 vorteil-haft im Drückwalzverfahren hergestellt werden, sind in-nenverzahnte Lamellenträger. Alternative Produktionsme-thoden 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 inte-griertem Boden) von einer ebenen Ronde ausgehend

herstellen und das Bauteil in einem Stück ohne Schweißnaht formen. Damit können Materi-al- und Herstellkosten gespart werden. Beim Stoßen von Innenver-zahnungen ist unter wirt-schaftlichen Gesichtspunkten die Dauer des Stoßvorgangs nachteilig. Je nach Bauteil-durchmesser und Zahnhöhe benötigt der Drückwalzprozess nur ein Bruchteil des Stoßpro-zesses. Ein weiterer Nachteil des Räumens oder Stoßens der Verzahnung ist, dass die Gefü-gestruktur an der Oberfläche des mechanisch bearbeitenden Bereichs (also der Verzahnung) zerstört wird. Beim Drückwal-zen wird die Gefügestruktur im

umgeformten Bereich der Ver-zahnung nicht unterbrochen.

Werkstoffe für das Drückwalzen

Da beim Drückwalzen eine Plastifizierung des Materials erfolgt, können neben den klassischen Eisen- und Alumi-niumlegierungen auch schwer umfombare Legierungen wie Edelstahl, Inconel oder Has-telloy 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 entspre-chender Werkstoff ausgewählt. Ein wichtiger Punkt bei dem von Winkelmann mitentwickel-ten Material ist, dass es keine Wärmebehandlung mehr be-nötigt. 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 Brink-mann, Winkelmann MSR Tech-nology, Ahlen, Tel. 02382/856-689, www.winkelmannmsr.dec h r i s t i a n . b r i n k m a n n @w i n k e l m a n n m s r . d e

Bild 3: Das Drückwalzen kann im Gleich- oder Gegenlauf erfolgen

Bild 4: Am Beispiel des drückgewalzten Hohlrads wird die Umformung von der Ronde zum Lamellenträger deutlich

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