Produktion 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.

Firmen zum Thema

Getriebewellen, Crashrohre, Nockenwellen: Die Kaltumformung ermöglicht es, Bauteile aus Stahl leichter und präziser zu fertigen als mit zerspanenden Verfahren.
Getriebewellen, Crashrohre, Nockenwellen: Die Kaltumformung ermöglicht es, Bauteile aus Stahl leichter und präziser zu fertigen als mit zerspanenden Verfahren.
(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.

Bildergalerie

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.

Ergänzendes zum Thema
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.

Bis zu 90 Prozent Material einsparen

Die Idee, Metalle kalt umzuformen, ist keineswegs neu: Das Rundkneten hatte bereits bei Goldschmieden Tradition – sie wollten so sparsam wie möglich mit dem teuren Rohstoff umgehen. Heute ist ein möglichst leichtes, belastbares und präzise verarbeitetes Material das Wunschziel der Konstrukteure: Wer beispielsweise gestufte Hohlwellen durch Rundkneten formt anstatt sie abzuspanen, spart bis zu 90 Prozent Material ein, das sonst in Form von Spänen in den Abfall wandern würde.

Bildergalerie

Ein vielseitiges Verfahren

Bei Felss Shortcut Technologies kommt das Verfahren bereits seit mehr als 100 Jahren zum Einsatz und hat sich insbesondere in der Komponentenfertigung für die Automobilindustrie bewährt: Rundgeknetete Bauteile wie Getriebe-Hohlwellen, Lenkwellen, Crashrohre, Airbagbehälter und Kolbenstangen von Stoßdämpfern sind wesentlich leichter, präziser und schneller zu fertigen als mit zerspanenden Verfahren. Dafür gibt es zahlreiche aktuelle Praxisbeispiele: In einem anderen Projekt konnten die Felss-Ingenieure das Gewicht einer Getriebewelle von 5,2 auf 3,3 Kilogramm reduzieren. Und eine Hohlwelle, die im Elektromotor einer Servolenkung zum Einsatz kommt, ist nun 67 Prozent leichter als das Vorgängermodell, das per Warmumformung erzeugt wurde.

Axialformen als Alternative

Mit diesen Beispielen demonstriert Felss, dass intelligente Bearbeitungstechniken wie die „Shortcut Technologies“ des Rundknetens ein Schlüssel für Leichtbauinnovationen sein können. Ähnliches gilt für eine weitere Kerntechnologie von Felss: das Axialkneten. Mit diesem Verfahren lassen sich – wiederum mit der Kaltumformung – aus einem Rohr-Rohling Wellen mit komplexer Außen- und Innengeometrie sowie mit hochgenauer Verzahnung herstellen. Dabei presst eine verzahnte Matrize von außen auf das Rohr und bearbeitet es in Axialrichtung. Beim herkömmlichen Axialformen wird das Werkzeug mit konstanter Geschwindigkeit der Bearbeitung zugestellt.

Ergänzendes zum Thema
Über die Felss-Gruppe

Die Felss-Gruppe produziert unter dem Markennamen Felss Shortcut Technologies für Branchen wie die Automobilindustrie Maschinen zur Metallbearbeitung und Komponenten. Technisch stehen die Kaltumform-Verfahren Rundkneten, Axialformen, Biegen und Endenbearbeitung im Mittelpunkt. Der Hauptsitz der Unternehmensgruppe ist in Königsbach-Stein. Neben zwei weiteren deutschen Standorten in Bretten-Gölshausen und Nesselwang ist das Unternehmen in Wujiang/China, New Berlin/USA und Triengen/Schweiz ansässig. Der Umsatz lag im Jahr 2013 bei über 100 Millionen Euro. Weltweit beschäftigt Felss über 540 Mitarbeiter, 330 davon in Deutschland.

Für viele Anwendungen ist die von Felss patentierte Rekursivmodulation nötig. Hier führt das Werkzeug die Umformung mit kleinen, wiederkehrenden Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen aus. Dadurch werden Stauchungen am Werkstück – besonders bei dünnwandigen Rohren oder ausgedünnten Bauteilen – vermieden. Mit dieser Fertigungstechnologie lässt sich das Gewicht zum Beispiel von Leitradwellen um rund zehn Prozent senken. Zugleich erhöht sich die Dauerfestigkeit um 30 Prozent.

Im Interview: Philipp Grupp, Felss-Gruppe

Philipp Grupp ist Leiter Business Development der Felss-Gruppe.
Philipp Grupp ist Leiter Business Development der Felss-Gruppe.
(Foto: Felss-Gruppe)

Herr Grupp, Ihr Unternehmen hat überzeugende Beispiele und Referenzen für die Kaltumformung. Dennoch sind Verfahren wie Rundkneten und Axialformen noch kein Standard. Woran liegt das?

Kaltumformwerkzeuge sind in der Anschaffung teurer. Aber sie halten in der Regel viel länger als zerspanende Werkzeuge. Je länger die Standzeiten und je größer die Stückzahlen sind, desto früher wird mit der Kaltumformung der Break Even erreicht. Hier müssen wir noch Überzeugungsarbeit leisten.

Dabei dürften Ihnen die Plattformstrategien der Automobilindustrie entgegenkommen, die ja zu immer größeren Stückzahlen führen.

Das stimmt, diesen Trend verspüren wir auch stark. Gerade bei den großen Plattformen setzen die OEMs auf die von uns angebotenen Verfahren. Und: Wer einmal diese Verfahren angewendet hat, kennt ihre Vorteile. Die Idee für die Nockenwelle entstand zum Beispiel, nachdem wir bereits mit dem Automobilhersteller bei der Produktion von Antriebswellen und Lenkungen

zusammengearbeitet hatten.

Sie arbeiten ja schon lange schon an der Verfeinerung der Kaltumform-Verfahren. Sind die Potenziale inzwischen ausgereizt?

Nein, noch längst nicht. Einer unserer Kunden hat beispielsweise beim Dauertest einer rundgekneteten Getriebewelle eine zehnmal höhere Dauerfestigkeit im Vergleich zu herkömmlich produzierten Komponenten festgestellt. Dabei war die Welle, wie die meisten rundgekneteten Komponenten, nicht einmal gehärtet.

Verkaufen Sie die Maschinen für Ihre Verfahren oder fertigen Sie als Zulieferer die Komponenten wie Getriebewellen?

Beides. Der Kunde kann sich bei Felss zwischen „Make or buy“ entscheiden. Wir entwickeln und fertigen Maschinen für Verfahren wie Rundkneten, Axialformen, Autofrettage sowie Biegen und Endenbearbeitung. Und wir haben in Europa, den USA und China Komponentenwerke, in denen wir kaltumgeformte Automobilbauteile fertigen.

(ID:42701817)