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Felss-Gruppe Kaltumformung als Leichtbautechnik

| Autor / Redakteur: Gerald Scheffels / Thomas Günnel

Die Kaltumformung profiliert sich als Leichtbautechnologie, etwa für Getriebewellen, Crashrohre und Nockenwellen. Mittels Rundkneten und Axialformen lassen sich Bauteile effizient, gewichtssparend und mit hoher Festigkeit herstellen. Die Felss-Gruppe ist Spezialist dafür.

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In einem Projekt mit einem führenden deutschen Automobilhersteller ging es um den ersten Großserien-Vierzylindermotor mit aktivem Zylindermanagement. Die Aufgabenstellung des Projektes lautete, die Verzahnung einer Welle zu realisieren, mit der sich ein solches System präzise und zuverlässig steuern lässt. Die Alternative zur Bearbeitung des erhitzten Materials war das Kaltumformverfahren des Rundknetens.
In einem Projekt mit einem führenden deutschen Automobilhersteller ging es um den ersten Großserien-Vierzylindermotor mit aktivem Zylindermanagement. Die Aufgabenstellung des Projektes lautete, die Verzahnung einer Welle zu realisieren, mit der sich ein solches System präzise und zuverlässig steuern lässt. Die Alternative zur Bearbeitung des erhitzten Materials war das Kaltumformverfahren des Rundknetens.
(Foto: Felss-Gruppe)

Stahl, Aluminium, Magnesium oder Kunststoff? Diese Frage liegt auf der Hand, wenn es um Leichtbau-Technologien für die Aussenhaut des Fahrzeugs geht. Bei Motorkomponenten steht eher die Frage nach dem am besten geeigneten Fertigungs- und Verarbeitungsverfahren im Vordergrund. Bei der Produktion vieler Komponenten hat der Konstrukteur die Wahl zwischen unterschiedliche Verfahren, und diese Auswahl hat Konsequenzen für das Gewicht des Motors.

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Nockenwelle übernimmt Zylinderabschaltung

Ganz konkret kann man diese Auswirkungen an einem Projekt darstellen, dass die Felss-Gruppe zusammen mit einem führenden deutschen Automobilhersteller durchgeführt hat. Dabei ging es um den ersten Grossserien-Vierzylindermotor mit aktivem Zylindermanagement. Bei geringem Leistungsbedarf schaltet der Motor zwei Zylinder ab. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad, und der Kraftstoffverbrauch sinkt. Im Durchschnitt verbraucht ein Pkw mit Zylinderabschaltung rund 15 Prozent Benzin.

Technisch wird die Abschaltung so gelöst, dass die Nockenwelle in axialer Richtung beweglich ist. Um einen Zylinder abzuschalten, wird eine Hülse samt Nocken so zur Seite verschoben, dass das Ventil nicht mehr betätigt wird. Die Zuschaltung bei steigendem Leistungsbedarf erfolgt in umgekehrter Richtung und völlig unmerklich für den Fahrer innerhalb von nur 1,5 Umdrehungen der Nockenwelle.

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Rundkneten und Axialformen

Rundkneten: Gegeneinander wirkende Stössel, die zur Werkstückachse hin begrenzt sind, üben in schneller Folge radiale Druckkräfte aus. Dabei beginnt das Material zu fliessen und wird hochpräzise umgeformt. Mit über 1.000 Hüben pro Minute treffen die Werkzeugsegmente auf das Bauteil. Die Umformung erfolgt also in vielen kleinen Einzelschritten, der eigentliche Hub beträgt nur 0,25 bis 1,5 Millimeter je Stössel.

Axialformen: Eine verzahnte Matrize presst von aussen auf einen Stab oder ein Rohr auf und bearbeitet es in Axialrichtung. Beim herkömmlichen Axialformen wird das Werkzeug mit konstanter Geschwindgkeit zugestellt. Bei der von Felss patentierten Rekursivmodulation erfolgt die Umformung mit kleinen, wiederkehrenden Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen. Dadurch werden Stauchungen am Werkstück – besonders bei dünnwandigen Rohren oder ausgedünnten Bauteilen – vermieden.

Die Aufgabenstellung des Projektes lautete: Wie lässt sich die Verzahnung einer Welle realisieren, mit der ein solches System präzise und zuverlässig gesteuert werden kann? Die naheliegende Lösung lautet: Man erhitzt das Material und kann es dann bearbeiten. Das hat allerdings den Nachteil, dass die Hitze das Volumen des Materials vergrössert. Die Bearbeitung wird dadurch zwangsläufig unpräziser, der Ausschuss in der Produktion grösser, denn die Fertigungstoleranz beträgt nur einen Zehntel Millimeter.

Rundkneten: Schneller, ressourceneffizienter, leichter

Als Alternative bot sich hier das Kaltumformverfahren des Rundknetens an. Dabei üben gegeneinander wirkende Stössel, die zur Werkstückachse hin begrenzt sind, in schneller Folge radiale Druckkräfte aus. Die Folge: Das Material beginnt zu fliessen und lässt sich mit hoher Präzision in die gewünschte Form bringen. Mit über 1.000 Hüben pro Minute treffen die Werkzeugsegmente auf das Bauteil.

Die Umformung erfolgt also in vielen kleinen Einzelschritten, der eigentliche Hub beträgt nur 0,25 bis 1,5 Millimeter je Stössel. Dabei lassen sich Umformgrade erreichen, die mit wärmebasierten Verfahren kaum möglich wären. Zudem muss das Material nicht auskühlen, sodass der Prozess schneller und damit effizienter wird.

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