Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Net-Shape Verzahnungen aus hochfesten Stählen durch oszillierende Umformung

Das oszillierende Verzahnungsdrücken findet Anwendung in der Herstellung von Verzahnungen, z.B. auf Antriebswellen. Circa 80 % der hiermit hergestellten Verzahnungen müssen im Anschluss an die Umformung zur Festigkeitssteigerung wärmebehandelt werden, da eine direkte Umformung gehärteter Werkstoffe aufgrund des hohen Werkzeugverschleißes bislang nicht möglich ist. Das Ziel des Forschungsvorhabens liegt in der Realisierung einer direkten Umformung gehärteter Werkstoffe. Dies führt zu einer Verkürzung der Prozesskette, einer Produktivitätssteigerung als auch einer Reduktion des CO2-Ausstosses. Des Weiteren können verbesserte Verzahnungseigenschaften aufgrund erhöhter geometrischer Genauigkeiten und als auch höherer Oberflächenqualitäten erzielt werden.

Die direkte Umformung gehärteter Werkstoffe soll durch das gezielte Ausnutzen einer variablen Matrizenvorspannung, den Einsatz alternativer Schmierstoffsysteme sowie gezielt eingestellter Halbzeugzustände ermöglicht werden. Dazu finden numerische Untersuchungen statt, die optimale Prozessparameter und –grenzen bei Umformung harter Werkstoffe identifizieren. Diese dienen als Eingangsgröße für die Experimente. Unter Variation signifikanter Einflussgrößen (Matrizenvorspannung, tribologische Verhältnisse sowie der Halbzeugzustände) kann die Machbarkeit der direkten Hartumformung untersucht und gemeinsam mit Industrieversuchen Verschleißmechanismen identifiziert werden.

Die Untersuchungen münden in Richtlinien zur direkten Umformung gehärteter Werkstoffe. Die Hartumformung und das Vermeiden einer Wärmebehandlung reduziert sowohl die Stückkosten als auch die aufzuwendende Energie und steigert gleichzeitig die Verzahnungseigenschaften. Insbesondere KMUs profitieren von diesen Vorteilen, da eine Umsetzung der Ergebnisse sowohl wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt als auch deutliche technologische Fortschritte erwarten lässt, die ohne das Forschungsvorhaben aufgrund geringer F+E Ressourcen schwer umsetzbar sind.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projekts war es eine neue Prozessroute für die Getriebewellenherstellung anhand des Verfahrens Oszillierendes Verzahnungsdrücken zu überprüfen. Innerhalb dieser Route soll auf Wärmebehandlungen verzichtet werden und stattdessen die Walzwärme und die Kaltverfestigung bei der Umformung genutzt werden, um die für den Betrieb benötigte Bauteilhärte zu erreichen.

Innerhalb des Projekts konnten verschiedene Werkstoffe auf deren Eignung bei dieser neuen Prozessroute überprüft werden. Dabei wurden industrielle Festigkeitsvorgaben als Benchmark herangezogen. Die Werkstoffeinstellung durch thermomechanisches Walzen führte zur benötigten erhöhten Ausgangsfestigkeit der überprüften Werkstoffe. Die Überprüfung der Umformbarkeit konnte mittels numerischer Simulation, experimenteller Untersuchungen und Industrieversuche durchgeführt werden. Die Machbarkeit des Hartverzahnens wurde auf diese Weise nachgewiesen.

Zusätzlich hierzu wurde eine neuartige Regelung der Hubbewegung während des Verzahnungsprozesses an einer Servomotorpresse erfolgreich umgesetzt. So kann durch das kontrollierte Verringern der Werkzeugvorspannung im Rückhub eine Erweiterung des Prozessfensters für das Verzahnungsdrücken beobachtet werden, was die Robustheit des Verfahrens deutlich erhöht. Hierbei wird der Rückhub bei Erreichen einer Kraftgrenze von der Maschinenregelung selbstständig eingeleitet.