Rohrförmige und massive Bauteile erhalten durch Axialformen spanlos neue Zähne

Bauteile, die Drehmomente übertragen müssen, finden sich im Automobilbau und anderen Industrien in vielfacher Anwendung. Meist sind solche Bauteile mit einer Außen-, gelegentlich auch mit einer Innenverzahnung versehen.

Konkretes Beispiel sind Wellen im Antriebsstrang, im Getriebe oder auch in der Lenkung von Automobilen. In der Regel sind Bauteile dieser Einsatzorte wegen der Gewichts-einsparung als Hohlwelle ausgeführt und haben fünf bis sieben unterschiedliche Außenverzahnungen, über die Länge verteilt.

Ausgangsmaterial ist dabei ein Rohr, das durch Rundkneten in seine Form gebracht wird. Auf den so hergestellten Rohlingen wird anschließ-end durch Axialformen die Verzahnung aufgebracht. Dafür hat Felss mit Aximus eine Axialformmaschinenbaureihe mit Werkzeugwechselsystem für maximal sechs Werkzeuge entwickelt.

Das Verfahren des Axialformens stellt sich so dar, dass das Umformwerkzeug, eine Matrize, axial gegen das eingespannte Werkstück gefahren wird. Auf der Innenseite des Matrizenkerns ist die Negativform des herzustellenden Werkstückes eingearbeitet. Diese wird von einer Armierung umgeben, in die der Kern eingepresst ist. Die Armierung spannt den belasteten Matrizenkern vor.

Auch sehr dünnwandige Bauteile lassen sich beim Axialformen umformen

Zu unterscheiden sind zwei Axialformverfahren – das konventionelle Axialformen und das rekursive Axialformen. Während beim konventionellen Axialformen die Zustellbewegung mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt und es wegen der hohen Reibungs- und Verformungskräfte am Werkstück zwischen Matrize und Spanneinrichtung zu hohen axialen Druckbelastungen kommt, sind diese Kräfte beim rekursiven Axialformen wesentlich reduziert.

Denn beim rekursiven Axialformen, das auch als frequenzmoduliertes Axialformen bekannt ist und das eine patentierte Weiterentwicklung des konventionellen Axialformens ist, erfolgt auf eine schrittweise Vorschubbewegung eine inkrementell kleine, rückwärtsgerichtete – also rekursive – Bewegung. Durch die sequenzielle Schrittfolge aus Vorschub- und Rekursivbewegung wird die beaufschlagte Axialkraft wesentlich reduziert. Die Experten bei Felss sprechen von bis zu 40% weniger Kraftaufwand.

Rekursives Axialformen für sehr dünnwandige Bauteile
Ein weiterer Vorteil des rekursiven Axialformens ist der, dass damit auch sehr dünnwandige Bauteile umgeformt werden können, wogegen es bei den hohen Kräften des konventionellen Axialformens Probleme bei dünnen Wanddicken geben könnte. Bei Frequenzen von 10 bis 18 Hz werden somit Verzahnungsgeschwindigkeiten von 20 bis 30 mm/sec erreicht.

Die genauen Daten sind dabei von den jeweiligen Durchmessern und den spezifischen Verzahnungsparametern wie etwa Modul oder Kopf- und Fußkreis abhängig. Im Regelfall können auf Felss-Anlagen Verzahnungsmodule von 0,7 bis 1,5, in Sonderfällen auch bis 2,5 bei Verzahnungslängen von 10 bis 150 mm erzeugt werden.

Hartmetallwerkzeuge bieten beim Axialformen eine hohe Standzeit

Die Werkzeuge sind aus Hartmetall im Erodierverfahren hergestellt. Die ausreichende Standzeit variiert je nach Werkstückwerkstoff und Werkstückgeometrie. Eine Nacharbeit der Werkzeuge ist aus geometrischen Gründen nicht möglich.

Dies wird aber durch eine sehr hohe Standzeit bis zum Werkzeugausfall kompensiert. Beim Axialformen wird durch die Zähne der Matrize Werkstoff verdrängt der in die Zahnlücken steigt. Dementsprechend entstehen dort auch hohe Radialkräfte, die das Werkzeug erheblich belasten.

Um diese Belastung aufzufangen, ist die Werkzeugmatrize von einer Armierung umgeben, die speziell für die Felss-Werkzeuge entwickelt wurde. Die Armierung selbst besteht nur noch in wenigen Fällen aus einem gehärteten Stahlring.

Werkzeuge zum Axialformen mit Bandarmierung umgeben

Meistens wird die Stahlring-Armierung durch eine Bandarmierung ersetzt, und zwar dann, wenn aus Qualitätsgründen eine höhere Steifigkeit notwendig wird. Insbesondere aber dann, wenn der Kunde eine Einstellbarkeit des Matrizenkerns wünscht, um beispielsweise auf materialbedingte Maßschwankungen nach dem Härten reagieren zu können.

Den Verschleiß des Werkzeuges stellen die Experten durch ausbrechende Zähne fest – einen schleichenden Verschleiß gibt es dabei nicht. Das Werkzeug wird demnach mit einem Schlag zum Ausschuss.

Überprüft wird dies mit Hilfe entsprechenden Kraftsensoren, die auf eine bestimmte Kraft eingestellt sind und schon bei einer geringfügigen Kraftveränderung, die eben durch ausbrechende Zähne verursacht wird, sofort in Aktion treten, den Fehler visualisieren und die Maschine zum Stillstand bringen.

Eine wesentliche Erweiterung der Verfahrensgrenzen einer Felss-Axialformmaschine ist der Werkzeugwechsler, der zur Aufnahme von sechs Werkzeuge ausgelegt ist. Diese können entweder als Einzelwerkzeuge für verschiedene Verzahnungen oder als Serienwerkzeuge für mehrere Umformoperationen an einem Bauteil ausgelegt und aufeinander abgestimmt sein. Dabei werden die Werkzeuge automatisch in den Werkzeugträger innerhalb der Maschine gewechselt.

Gespannt werden die Werkzeuge mit einer automatischen Schnellspannung die über ein hydraulisch betätigtes Keilsystem funktioniert. Das Handling von Werkzeug und Werkstück wird von entsprechenden Transfersystemen erledigt.

Axialformen stört den Faserverlauf nicht

Alle Maschinen der Aximus-Serie sind nach einem durchdachten Baukastensystem konzipiert und können quasi jeder Verzahnungsaufgabe angepasst werden.

Unterschieden wird bei Felss zwischen horizontaler (bei längsorientierten Werkstücken) und vertikaler Ausführung (kurze Werkstücke).

Die Möglichkeiten, die das rekursive Axialformen bietet sind vielfältig. Mit dem geringen Kraftaufwand und der exakten Steuerung des Umformvorganges können auch dünnwandige Hohlkörper mit hochqualitativen Verzahnungen ausgestattet werden wobei ein optimaler Faserverlauf gegeben ist, was für die Bauteilfestigkeit und damit auch für die Gewichtseinsparung von Bedeutung ist. Durch diese mögliche Gewichtsreduzierung bei gleichbleibender Festigkeit im Vergleich zu massiven Bauteilen leisten axialgeformte Bauteile ihren Beitrag zum Automobil-Leichtbau.