Von der Verzahnungs- zur Umformtechnik

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Zum Teil wird im mannlosen Dreischichtbetrieb gefertigt

Die Rohlinge werden von der Schmiede angeliefert und über eine vollautomatische Bandanlage zugeführt. Erreichen die Teile die Taumelpresse, werden sie mittels Handlinganlage über einen Elevator auf das Niveau des Werkzeugs gebracht. Etwa 60 cm Höhendifferenz werden so überwunden, bevor ein Rohling in das Werkzeug eingelegt wird. Zwölf Teile pro Minute werden dann getaumelt. Anschliessend sorgt eine Abgrateinheit für gratfreie Kegelräder. Diese können alsdann den Folgeprozessen zugeführt werden, wo die Kalotte in ihre Endform gedreht und die Bohrung endbearbeitet wird.

Die Tagesproduktion auf den beiden Maschinen beträgt im teilweise mannlosen Dreischichtbetrieb rund 10000 Differenzialkegelräder je Maschine. «Ausgelegt sind die Pressen auf je 12000 Teile pro Tag», betont Reinhard Bührer, Verkaufsleiter bei Schmid. Zurzeit werden Kegelräder für die Kraftübertragung von 250 und 350 Nm von Motoren bis 100 PS beziehungsweise bis 250 PS Leistung getaumelt. Eine Ausweitung für weitere Kegelräder ist bereits angedacht.

Pro Jahr über 2000 Tonnen Stahl eingespart

«Neben der Einhaltung der mit Schmid erarbeiteten sehr kurzen Zykluszeit haben wir weitere gute Erfahrungen mit dem Taumeln gemacht», betont Rüsch. So beträgt das Einsatzgewicht des geschmiedeten Rohteils mit 415 Gramm gegenüber 930 Gramm beim Zerspanungsprozess nur noch weniger als die Hälfte. Mit 55% weniger Material je Kegelrad lassen sich im Jahr über 2000 Tonnen Stahl einsparen.

Verfahrensbedingt kann ausserdem bei intelligenter Verzahnungsauslegung für das Taumeln eine andere, günstigere Stahlsorte verwendet werden. Neben Nilegiertem Einsatzstahl kommt beim Taumeln auch normal legierter Stahl zum Einsatz. Trotzdem weisen die getaumelten Teile eine höhere Festigkeit auf, denn nach dem Umformprozess ist der Faserverlauf der Stahlteile ungebrochen.

Frühere Messungen von Schmid im Zusammenhang mit einem anderen Projekt haben gezeigt, dass mit dem Taumelpressen gegenüber dem Zerspanen eine um 30% höhere Bruchfestigkeit und um 40% höhere Biegewechselfestigkeit erreicht wird. Die Verzahnungsgenauigkeit nach DIN 3965 erreicht eine ISO-Toleranzqualität der Stufe IT 8. Beim Zerspanen sind es nur IT 9.

Geringere Kosten bei wesentlich besserer Oberflächenqualität

Die Kosten liegen beim Taumeln deutlich unter denen beim Zerspanen, das bei einer wesentlich besseren Oberflächenqualität von Ra = 0,3 gegenüber Ra = 2,0. Bei den getaumelten Differenzialkegelrädern zeigt sich dies in einem sehr guten Tragbild. «Die Tragbilder haben bei uns eine grosse Bedeutung», erläutert Rüsch. «Sie zeigen uns, nachdem die Kegelräder auf einer Prüfanlage etliche 100000 Km in realistischer Anordnung gelaufen sind, wie stark die Belastungen und der Abrieb an den einzelnen Flanken sind.»

Je besser die Tragbilder, umso grösser die Laufruhe des Fahrzeugs bei der Kurvenfahrt. «Wahrscheinlich kümmert sich kein Automobilhersteller so sehr um die Tragbilder wie wir bei Volkswagen», vermutet Rüsch. «Unsere Fertigungsspezialisten haben damit schon seit über 20 Jahren Erfahrungen gesammelt.» Durch spezielle Gestaltungsmöglichkeiten können bei den getaumelten Kegelrädern nahezu optimale Tragbilder erreicht werden.

Das Taumeln benötigt eine nur geringe Umformkraft

Die relativ unbekannte Taumeltechnologie ist ein Kalt-Umformverfahren, bei dem die Umformkraft stets nur auf eine Teilfläche des Werkstückes wirkt. Während das untere Gesenk den Rohteil gegen das obere Gesenk presst, führt Letzteres eine kreisförmige, taumelnde Bewegung in einem bestimmten Winkel um die Taumelachse aus. 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, 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, ausserdem resultiert ein ungebrochener Faserverlauf im Material, was die höheren Festigkeiten und die bessere Oberflächenqualität ergibt. Durch die kleinere Kontaktfläche und die günstigeren Reibungsverhältnisse ist die benötigte Umformkraft bis über zehnmal kleiner als beim Fliesspressen. Trotzdem können durch die taumelnde Bewegung des Obergesenkes grosse Umformgrade absolut rissfrei realisiert werden.

Da die Herstellung der Gesenke keine grossen Kosten verursacht, rentiert sich das Taumeln auch bei kleinen Serien. Die Taumeltechnologie eignet sich für alle mehr oder weniger rotationssymmetrischen Teile, wie beispielsweise Flansche, Kupplungsteile oder eben Kegelräder. Und Bührer fügt noch einen wichtigen Aspekt hinzu: «Der Taumelprozess verursacht keine störenden Vibrationen. Die Pressen können somit fertigungslogistisch ideal innerhalb eines gesamten Prozesses aufgestellt werden».

Nicht nur technische Verbesserungen

Über die technischen und materialspezifischen Aspekte hinaus zeigen sich in Kassel auch die geforderten Verbesserungen und Einsparungen hinsichtlich des Gesamtprozesses. So werden insgesamt 5 von 12 Bearbeitungsschritten eingespart. Durch Raum sparende Gestaltungsmöglichkeiten der Kegelräder ergeben sich Gewichtsvorteile, schliesslich berührt der Leichtbau heute ausnahmslos alle Teile im Automobilbau.

Die Taumelmaschinen arbeiten aufgrund der geringen benötigten Umformkraft sehr energieeffizient. Zudem werden gegenüber dem Zerspanen insgesamt weniger Maschinen benötigt. Da die Taumelpressen verfahrensbedingt völlig ohne Kühl- und Schmiermittel auskommen, tragen sie auch zum Umweltschutz bei. «Und da keine Kühlmittel mehr verdampfen und aufsteigen können, tun wir auch etwas für den Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz. Abgesehen davon bleibt der Boden sauberer, was die Rutsch- und Unfallgefahr vermindert und Reinigungszyklen verlängert», erwähnt Rüsch.

InformationHeinrich SchmidMaschinen und Werkzeugbau AGGrünfeldstrasse 258645 JonaTel. 055 225 21 11Fax 055 212 24 04reinhard.buehrer@schmidpress.chwww.schmidpress.chVolkswagen AGWerk KasselDr. Ing. Sönke RüschD-34219 BaunatalTel. +49 561 490 4656soenke.ruesch@volkswagen.dewww.volkswagen.de

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