Gratloses Präzisionsschmieden von Kurbelwellen

In jedem Automobil kommen hochbelastbare Bauteile zum Einsatz, die zumeist geschmiedet werden. Aufgrund steigender Anforderungen in Bezug auf die Gewichtsreduzierung ist eine stetige Weiterentwicklung der etablierten Fertigungsverfahren, beispielsweise des Gesenkschmiedens, notwendig, konstatiert die IPH Institut für Integrierte Produktion Hannover gemeinnützige GmbH in Hannover.

Wie erläutert wird, haben die Steigerung der Präzision von hochbelasteten Schmiedeteilen in Bezug auf Form-, Lage- und Maßgenauigkeit sowie die Verbesserung der Oberflächengüte zur Folge, dass immer mehr Funktionselemente oder komplette Werkstücke ohne oder mit nur geringer Nachbearbeitung einbaufertig hergestellt werden können. Je komplexer die Geometrie von Schmiedeteilen ist, desto anspruchsvoller ist auch ihr Herstellungsprozess.

Präzisionsschmieden sorgt für engere Geometrietoleranzen der Bauteile

Klassisch entsteht beim Schmieden Grat (Materialüberschuss). Die Vermeidung des Gratanteils allein würde bereits einen erheblichen Kostenvorteil bedeuten, weil selbst beim Einsatz moderner Fertigungsmethoden der Materialkostenanteil bei etwa 50% der Gesamtkosten liegt, so IPH. Das wirtschaftliche Potenzial des Präzisionsschmiedens gegenüber dem konventionellen Verfahren mit Gratbildung liegt in den engeren Geometrietoleranzen der Bauteile und in der Verkürzung der Prozesskette. Der Gratanteil bei Kurbelwellen beträgt bei konventionellem Schmieden 25 bis 50%. Daraus folgt, dass bis zu 25% der Herstellkosten eingespart werden können.

Ziel des auf der Messe ausgestellten Forschungsprojekts des IPH ist die Reduzierung des Gratanteils beim Schmieden, um dadurch Material und Energie einzusparen. Durch das gratlose Präzisionsschmieden kann die Schmiedewärme zu einer integrierten Wärmebehandlung genutzt werden, wodurch die Ressourcen Energie und Zeit reduziert werden können. Eine nachträgliche zeit- und energieintensive konventionelle Wärmebehandlung entfällt. Wären alle 42 Mio. PKW auf deutschen Straßen mit einer gratlos geschmiedeten Kurbelwelle ausgestattet worden, so hätten nach Einschätzung von IPH rund 200000 t Stahl eingespart werden können.

Schmiedeprozesse für Langteile haben komplexe Randbedingungen

Die Herausforderung beim Auslegen eines Schmiedeprozesses für Langteile liegt primär in den komplexeren Randbedingungen im Vergleich zu rotationssymmetrischen Bauteilen. Dazu zählt neben der Konstanz der Gesamteinsatzmasse vor allem die Erzeugung reproduzierbarer Zwischenformen, die eine exakte Einlegeposition und eine genaue Massenvorverteilung fordern. Anhand von FEM-Simulationen wurde eine Schmiedefolge zum gratlosen Präzisionsschmieden einer Kurbelwelle ausgelegt. In Schmiedeversuchen konnte gezeigt werden, dass erstmals große komplexe Langteilgeometrien, wie es bei der Kurbelwelle der Fall ist, durch den gratlosen Präzisionsumformvorgang abgebildet werden können, erklärt IPH.

Die im Rahmen des Forschungsprojektes ausgelegte Schmiedefolge besteht aus insgesamt vier Umformvorgängen. Im Einzelnen sind dies zwei Querfließpressoperationen zur Massenvorverteilung, einem innovativen mehrdirektional wirkenden Umformschritt zur Querschnittsvorbildung und dem abschließenden gratlosen Präzisionsschmiedeschritt im geschlossenen Gesenk. Durch die beschriebene Verfahrenskombination aus mehrdirektionalem Schmieden mit dem gratlosen Präzisionsschmieden können endkonturnahe Schmiedebauteile mit erhöhter Präzision und Qualität energie- und zeiteffizienter hergestellt werden.

IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover gemeinnützige GmbH auf der Hannover-Messe 2009: Halle 2, Stand A10