UMFORMtechnik (Massiv)

 
 
   

Pressen

Taumeltechnik in neuer Dimension

Die Schweizer Heinrich Schmid AG entwickelt und produziert seit 1980 Taumelpressen. Die neu angewandte Verfahrenskombination mit dem Warmschmieden bringt deutliche Vorteile gegenüber anderen, aufwändigen und teuren Verfahren der Massivumformung und Metallbearbeitung. Außerdem wird die Bearbeitung wesentlich gößerer Teile als bisher möglich. Für den indischen Traktoren- und Lkw-Markt werden Differentialkegelräder in dem neuen Kombinationsverfahren gefertigt. Die früher zerspanend hergestellten Teile waren für den Markt zu teuer.

Um Kegelräder für Differentialgetriebe von LKW und Traktoren herzustellen, sind verschiedene Verfahren möglich. Die bisher angewandten Verfahren Zerspanen vorgedrehter oder warmgeschmiedeter Teile sowie das Präzisionsschmieden mit anschließendem Kalibrieren können nun durch die neue Verfahrenskombination Warmschmieden und Taumeln ersetzt werden. Die Verfahren unterscheiden sich nicht nur durch unterschiedlichen Aufwand und differierende Kosten, sondern auch durch unterschiedliche Qualität des Endprodukts was statische Bruchfestigkeit Biegewechselfestigkeit und Verzahnungsqualität angeht.
Bei den Differentialkegelrädern wurden seither durch ein sehr aufwändiges Präzisionsschmiedeverfahren 98 % der Endkontur erreicht. Nach diesem Warmschmiedeverfahren konnte durch ein Kalibrierprozess auf einer entsprechenden Presse die Endkontur hergestellt werden, oder aber ein im Warmschmiedeverfahren hergestellter sehr einfacher Rohling wurde durch Span abhebende Arbeitsschritte fertig gestellt. Das Präzisionsschmieden mit dem anschließenden Kalibrieren ist jedoch aufwändig und teuer, müssen doch die Vorformen vor dem Kalibrieren eine sehr hohe Genauigkeit erreichen, was hohe Kosten im Werkzeugunterhalt zur Folge hat. Auch die Investitionskosten in Kalibrierpressen sind entsprechend hoch, da für einen geringen Umformgrad sehr hohe Presskräfte notwendig sind. Die Zerspanung von Rohlingen ist sehr zeitintensiv und die Oberflächenqualität genügt den heutigen Qualitätsansprüchen nicht mehr. Zudem sind die Materialkosten bis über 70 % höher als bei den Umformverfahren. Diese Mehrkosten können bei den heute steigenden Materialpreisen nicht mehr gerechtfertigt werden.

Mit geringem Aufwand zur Endform

Durch die Kombination von einfacherem Warmschmieden und anschließendem Taumeln können nun zwei eigentlich konkurrierende Verfahren ihre Vorteile jeweils bestens zur Geltung bringen und so einen insgesamt günstigeren Prozessverlauf mit gleichzeitig besseren Endergebnissen erzielen. Die Rohlinge der Kegelräder werden nun zwar auch noch warm geschmiedet, allerdings haben sie nach dem wesentlich einfacheren Schmiedeprozess jedoch erst ca. 65 % ihrer endgültigen Kontur. In einer Taumel-Operation wird die Endkontur fertig kalt geformt, die Verzahnung ist in ihrer Endform.

Taumeltechnologie ist einfach und zuverlässig

Die relativ unbekannte Taumel-Technologie ist ein Kalt-Umformverfahren, bei der die Umformkraft stets nur auf eine Teilfläche des Werkstückes wirkt. Beim vergleichbaren Fließpressen erschwert die Reibung an den Gesenkflächen den radialen Werkstofffluss. Die Spannung (Flächenpressung) ist im Zentrum des Werkstückes am größten und nimmt gegen den freien Rand ab. Die maximale Spannung liegt umso höher, je größer die Reibung ist. Sie kann beim konventionellen Fließpressen ein Mehrfaches der Fließspannung erreichen.
Anders beim Taumelpressen. Während das untere Gesenk das Rohteil gegen das obere Gesenk presst, führt das obere Gesenk eine kreisförmig, taumelnde Bewegung in einem bestimmten Taumelwinkel um die Taumelachse aus. Die Größe des Taumelwinkels liegt zwischen null und zwei Grad. 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 und 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. 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. Bedingt durch das Verfahren und den Aufbau der Maschine ist das Taumelpressen ein einstufiges Umformverfahren. Mit einem Hub des Pressenstößels wird nur eine Umformstufe ausgeführt. Diese Umformung wird jedoch durch mehrere Taumelbewegungszyklen erreicht. Da die Herstellung der Gesenke keine großen Kosten verursacht, rentiert sich das Taumeln auch bei kleinen Serien.
Gegenüber dem Fließpressen ergeben sich insgesamt folgende Vorteile:

Feine Verzahnungen mit kleinen Kopfradien

– großer Umformgrad in einer Operation
– kleinere Pressen möglich
– geringere Gesenkbelastung
– höhere Standmengen
– geringere Lärmentwicklung und Vibrationen
– Integration in Fertigungsinseln möglich

Bessere Qualität bei geringeren Kosten

Mit dem Pressvorgang durch ein taumelndes Obergesenk können auch relativ feine Verzahnungen mit kleinen Kopfradien sehr gut ausgeformt werden. Bei der Produktion von Kupplungsscheiben werden maximal R 0,4 erreicht. Dieses gute Resultat ist eben auf die partielle Umformung, die sich zyklisch über die gesamte Werkstück-Oberfläche abwälzt und der daraus resultierenden kleineren Reibung zwischen Gesenk und Werkstück zurück zu führen. Die Standmengen erreichen trotz der kleinen Kopfradien einige zehntausend Teile.
Die erschütterungsfreie Umformung durch Taumeln bei Raumtemperatur ermöglicht die spanende Weiterverarbeitung in unmittelbarer Nähe. Bei den Differentialkegelrädern, beispielsweise, können anschließende Weiterbearbeitungen mit Dreh- und Räumoperationen in einer Produktionslinie verknüpft werden.

Grenzen der Taumeltechnologie

Bei der Herstellung von Pkw Ausgleichskegelrädern für ein Differentialgetriebe wurden die Ergebnisse der Verfahren Zerspanen, Präzisionsschmieden und Taumeln ausführlich untersucht. Gegenüber dem Zerspanen erreichte das Präzisionsschmieden eine um 20 % höhere statische Bruchfestigkeit und eine um 10 % höhere Biegewechselfestigkeit. Mit dem Taumelpressen wurde sogar eine um 30 % höhere Bruchfestigkeit und um 40 % höhere Biegewechselfestigkeit erzielt. Die Verzahnungsgenauigkeit nach DIN 3965 erreichte eine ISO Toleranzqualität der Stufe 7 und war besser als die geforderten IT 8. Mit dem Präzisionsschmieden sind maximal IT 8 erreichbar. Beim Zerspanen waren es nur IT 9. Die Kosten lagen beim Taumeln gegenüber dem Zerspanen bei lediglich 80 % und das bei einer wesentlich besseren Oberflächenqualität von Ra = 0,3 gegenüber Ra = 2,0.

Konkurrierende Verfahren ergänzen sich nun

Grenzen der Taumeltechnologie ergeben sich durch die Konturhöhe im Oberteil. Die Konturhöhe wird durch zwei Faktoren, einen so genannten „Dreheffekt“ auf das Umformteil und durch den Werkzeug-Einbauraum im Taumelkopf beschränkt. Die Kontur des Obergesenkes muss entsprechend der Größe des Taumelwinkels korrigiert werden, um eine hohe Genauigkeit des Bauteils zu erreichen. Die geometrischen Unterschiede zwischen Werkzeug- und Werkstückoberfläche lassen ein reines „Abrollen“ des Werkzeuges auf dem Werkstück nicht zu und führen zu einem Rollen und Gleiten. Daraus resultiert eine Art Dreheffekt auf das Werkstück und die Werkzeugteile werden zusätzlich auf Schub belastet. Je größer die Konturhöhe ist, umso größer wird dieser „Dreheffekt“.
Des weiteren ist die Höhe des Werkzeugoberteils ein limitierender Faktor, denn der Taumelpunkt ist das Zentrum des kugelförmigen Taumelkopfes. In diesem wird das Werkzeugteil eingebaut.

Die Heinrich Schmid Maschinen- und Werkzeugbau AG

Durch die neuen Einsatzbereiche in Kombination mit dem Warmschmieden werden aus zwei konkurrierenden Verfahren nun ergänzende Verfahren. Das kommt dem Anwender zugute. Neben Kosten-, Zeit- und Platzvorteilen ist auch der Personaleinsatz erheblich geringer als bei Zerspanungsprozessen.
Das 1914 gegründete Schweizer Unternehmen fertigt neben den Taumelpressen auch Feinschneidpressen. Heinrich Schmid, Sohn des Gründers und Namensgeber hatte 1976 die Taumeltechnologie von einem polnischen Ingenieur kennen gelernt, perfektioniert und zur Marktreife gebracht. Schmid bietet Taumelpressen von 300 bis 800 Tonnen Presskraft an. Das Unternehmen gehört heute zur Feintool Gruppe und stellt mit 65 Mitarbeitern Pressen für den Weltmarkt her. Aufgrund der neuen Einsatzbereiche rechnet man bei der Heinrich Schmid AG mit weltweit steigender Nachfrage nach Taumelpressen“.

Heinrich Schmid
Maschinen- und Werkzeugbau AG
Grünfeldstraße 25
CH-8645 Jona
Tel.: +41 55 2252428
Fax: +41 55 2124189
E-Mail: reinhard.buehrer@schmidpress.ch
Inter...: www.schmidpress.ch