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Oberflächenschonende Alternative zur Massivumformung und Zerspanung

15.05.2008
Die Kombination des Taumelns mit dem Warmschmieden bringt Vorteile gegenüber dem teureren Verfahren der Massivumformung und Zerspanung. Außerdem ist die Oberflächenqualität besser. Die Schweizer Heinrich Schmid AG entwickelt und produziert seit 1980 Taumelpressen von 300 bis 800 t Presskraft. An den weißrussischen Traktorenhersteller Belarus lieferte das Unternehmen jetzt eine 400-t-Taumelpresse.

Die Minsker Traktoren Werke gehören mit ihrer Marke Belarus zu den größten Traktorenherstellern der Welt. Die Herstellung von Differenzialkegelrädern für die Traktoren ist jüngst modernisiert und komplett umgestellt worden. Auf der neuen Taumelpresse werden nun Differentialkegelräder für zwei Getriebebaureihen gefertigt, die früher zerspanend hergestellt wurden.

Die Taumelpress-Anlage mit maximal 400 t Presskraft wurde zusammen mit einer Handlinganlage für das automatisierte Be- und Entladen geliefert. Teil des Auftragspakets waren außerdem die Anwendungsentwicklung für zwei Kegelradpaare, die Entwicklung und Herstellung der dazu gehörenden Werkzeuge, die Inbetriebnahme in der Schweiz sowie die Installation und Inbetriebnahme in Minsk.

Die Bestellung gehört zu einem umfangreichen Modernisierungsprogramm des Traktorenwerks Belarus, das seine zum Teil 40 Jahre alten Produktionsanlagen auf den neuesten technischen Stand bringen will. Verantwortlich für die gesamte logistische Abwicklung des Projektes war die Swiss Trading Group.

Belarus ist die Traktorenmarke der Minsker Traktoren Werke. Das 1946 gegründete Unternehmen gehört zu den größten Traktorenherstellern der Welt und fertigt vier Baureihen. Zum Modellspektrum gehören Minitraktoren mit 6 bis 12 PS, kleine Modelle mit 20 bis 35 PS, vielseitige, 50 bis 150 PS starke Traktoren, die beispielsweise auch im Reisanbau eingesetzt werden, sowie große, 155 bis 300 PS starke Vielzwecktraktoren und Schlepper.

Für die beiden mittleren Traktorenbaureihen werden nun die Differenzialkegelräder auf der neuen Taumelanlage hergestellt. Je Traktor werden sechs Kegelräder verbaut, zwei Achswellenräder und vier kleinere Ausgleichskegelräder. Die Fertigungstiefe bei Belarus ist, wie bei vielen Staatsbetrieben üblich, traditionell sehr hoch und liegt bei nahezu 100%. So wurden auch bisher die Differenzialkegelräder selbst hergestellt.

Durch Schmieden und Taumeln zur Endform gelangen

In einem Fräs- und Räumverfahren, wurde auf 40 Jahre alten Maschinen eine so genannte Revacycle-Verzahnung hergestellt. Die Zerspanung von Rohlingen war stets sehr zeitintensiv und die Oberflächenqualität genügte den heutigen Qualitätsansprüchen nicht mehr. Zudem sind die Materialkosten bis über 70% höher als beim Taumel-Umformverfahren. Diese Mehrkosten können bei den hohen Rohstoffpreisen nicht mehr gerechtfertigt werden.

Durch die Kombination von einfachem Warmschmieden und anschließendem Taumeln können beide Verfahren ihre Vorteile bestens zur Geltung bringen und so einen insgesamt günstigeren Prozessverlauf mit gleichzeitig besseren Endergebnissen erzielen. Die Rohlinge der Kegelräder werden warm geschmiedet und haben anschließend zirka 65% ihrer endgültigen Kontur. In einer Taumel-Operation wird die Endkontur fertig kaltgeformt, die Verzahnung ist in ihrer Endform.

Die Heinrich Schmid AG hat die Auslegung für die Verzahnung entwickelt und die Vorgaben an die Schmiederohlinge festgelegt. Musterteile wurden zunächst gefräst, um die Funktionalität zu prüfen und sicherzustellen. Von Belarus kamen im Vorfeld mit der Gehäuseform und dem zu übertragenden Drehmoment die Vorgaben, die im Wesentlichen denen der Vorgängerteile entsprachen.

Taumelpressen erreicht höhere Festigkeit

Im Vergleich zum Zerspanen erreicht das Taumelpressen eine bis zu 30% höhere Bruchfestigkeit und eine um 40% höhere Biegewechselfestigkeit. Die Verzahnungsgenauigkeit nach DIN 3965 erreicht eine ISO-Toleranzqualität der Stufe IT8. Beim Zerspanen war es nur IT9.

Die Kosten liegen beim Taumeln gegenüber dem Zerspanen bei lediglich 80%, und das bei einer wesentlich besseren Oberflächenqualität von Ra = 0,3 gegenüber Ra = 2,0. Vorraussetzung dafür ist, dass der Schmiedeprozess Rohlinge in der vorgegebenen Qualität liefert.

Die geschmiedeten Rohlinge werden vom Schmiedewerk angeliefert und geschmiert. Zugeführt werden sie über eine automatische Bandanlage hinter der Maschine. Erreichen die Teile die Maschine, werden sie über einen Elevator auf das Niveau des Werkzeugs gebracht. Etwa 60 cm Höhendifferenz werden so überwunden, bevor die Rohlinge in das Werkzeug eingelegt werden. Sechs bis zehn Teile pro Minute werden anschließend getaumelt.

Die Jahresproduktion soll zunächst rund 600 000 Differenzialkegelräder betragen. Eine Ausweitung auch für die anderen Modelle ist bereits angedacht.

Taumel-Technik liefert einsatzbereite Verzahnung

Die relativ unbekannte Taumel-Technik ist ein Kalt-Umformverfahren, bei dem die Umformkraft stets nur auf eine Teilfläche des Werkstückes wirkt. Während das untere Gesenk das Rohteil gegen das obere Gesenk presst, führt das obere Gesenk eine kreisförmig taumelnde Bewegung in einem bestimmten Taumelwinkel rund um die Taumelachse aus. Die Größe des Taumelwinkels liegt zwischen 0 und 2°.

Der Werkstoff wird quasi in das Gesenk „eingewalzt“. So wird immer nur auf eine Teilfläche des Werkstückes Kraft ausgeübt. Die Reibung ist dadurch wesentlich geringer als beim Fließpressen und der Werkstoff fließt ohne großen Widerstand in radialer Richtung (Roll-Gleitreibung statt nur Gleitreibung). Dadurch überschreitet die maximal auftretende Spannung nur unwesentlich die Fließspannung des Werkstücks.

Durch die kleinere Kontaktfläche und die günstigeren Reibungsverhältnisse ist die benötig-te Umformkraft bis über zehnmal kleiner als beim Fließpressen. Trotzdem können durch die taumelnde Bewegung des Obergesenkes große Umformgrade absolut rissfrei realisiert werden. Beim vergleichbaren Fließpressen erschwert die Reibung an den Gesenkflächen den radialen Werkstofffluss.

Die Spannung (Flächenpressung) ist im Zentrum des Werkstückes am größten und nimmt gegen den freien Rand ab. Die maximale Spannung liegt umso höher, je größer die Reibung ist. Sie kann beim konventionellen Fließpressen ein Mehrfaches der Fließspannung erreichen. Da die Herstellung der Gesenke keine großen Kosten verursacht, rentiert sich das Taumeln auch bereits bei kleinen Serien.

Der Einsatz der Taumel-Technik eignet sich für alle mehr oder weniger rotationssymmetrischen Teile, wie beispielsweise Flansche, Kupplungsteile oder eben Kegelräder. Sie wird vor allem von Automobilzulieferern angewandt, hat aber ein wesentlich größeres Anwendungsfeld.

Mehrere Taumelbewegungen in einer Umformstufe

Bedingt durch das Verfahren und den Aufbau der Maschine ist das Taumelpressen ein einstufiges Umformverfahren. Mit einem Hub des Pressenstößels wird nur eine Um-formstufe ausgeführt. Diese Umformung wird jedoch durch mehrere Taumelbewegungszyklen erreicht. Die erschütterungsfreie Umformung durch Taumeln bei Raumtemperatur ermöglicht die spanende Weiterverarbeitung in unmittelbarer Nähe des Prozesses.

Bei Belarus werden die Differenzialkegelräder über eine Rutsche ausgebracht, anschließend an der Rückseite auf Maß gedreht, dann gebohrt, geräumt und schließlich gehärtet. Die eigentliche Verzahnung ist nach dem Taumeln einsatzfertig.

Bei Belarus ist mit dem neuen Produktionsverfahren der Differenzialkegelräder ein deutlicher Modernisierungsschub erkennbar. Bei der Schweizer Heinrich Schmid AG ist man mit dem Projekt und der Umsetzung sehr zufrieden. Insbesondere die Planung der Verzahnungen und die Konstruktion sowie die Erstellung der Werkzeuge in einer Hand hat zu einer schnellen Realisierung des gesamten Projektes beigetragen.

Rund 40000 Mitarbeiter des weißrussischen Staatsbetriebs stellen pro Jahr 40000 bis 60000 Traktoren her, die in mehr als 60 Länder der Welt geliefert werden. Traditionell bedingt gehen die meisten der landwirtschaftlichen Maschinen in die Länder des früheren Ostblocks und nach Asien. Das Ende des Kalten Krieges und die zunehmende Globalisierung sorgen in Minsk jedoch einerseits für einen erweiterten Absatzmarkt, andererseits aber für einen erhöhten Modernisierungsdruck.

Reinhard Bührer ist Verkaufsleiter für Taumelpressen bei der Heinrich Schmid Maschinen- und Werkzeugbau AG in 8645 Jona, Schweiz.

Reinhard Bührer | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/umformtechnik/articles/121326/

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