Umformen Querkeilwalzen im halbwarmen Temperaturbereich als zukunftsweisendes Verfahren der Umformtechnik

Querkeilwalzen wird heute im warmen Temperaturbereich angewendet. Um dieses Verfahren auch bei halbwarmen Bauteiltemperaturen praktisch zu untersuchen, wurde am IPH - Institut für Integrierte Produktion ein Teststand für Querkeilwalzversuche entwickelt.

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GGB Heilbronn GmbH

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

IPH Institut für integrierte Produktion Hannover gGmbH

Querkeilwalzen (QKW) ist ein Fertigungsverfahren, das in der Schmiedeindustrie genutzt wird, um zylindrische Rohlinge plastisch in eine längsachsensymmetrische Vorform umzuformen. Die Verformung des Rohlings erfolgt zwischen zwei Keilen, die tangential zum Werkstück verfahren. Mit diesem Verfahren können kegelförmige Wellen gefertigt werden. Eine Querkeilwalze besteht aus zwei oder drei Walzen, auf denen das keilförmige Werkzeug gespannt ist. Das Werkstück wird in Längsrichtung in den Walzspalt gelegt. Der Walzkeil (vgl. Abbildung 1) besteht aus bis zu vier Zonen: In der ersten Zone – der Einschneidezone – wird der Rohling in der Mitte spaltförmig eingeschnitten. Die zweite Zone dient als Führungszone. In dieser rotiert der Rohling einmal um seine eigene Achse um einen gleichmäßigen Einschnitt zu erzeugen. Die darauf folgende Aufweitzone erweitert den Spalt in der Mitte auf ein gewünschtes Maß und streckt den Rohling in Längsrichtung. In der abschließenden Kalibrierzone rotiert der Rohling erneut mindestens einmal um seine Längsachse [Doe07]. Somit wird eine gleichmäßige Form erzielt. Querkeilwalzen besitzt Vorteile gegenüber herkömmlichen formgebenden Verfahren, wie z. B. Drehen, Gesenkschmieden und Gießen durch

• hohe Produktivität,
• gute Materialausnutzung,
• niedrige Betriebskosten,
• einfaches Maschinenkonzept,
• geringen Energieverbrauch und
• keine Verwendung von Kühlschmierstoffen [Her97].

Trotz dieser Vorteile ist das QKW im produzierenden Gewerbe nicht weit verbreitet, da die Auslegung und die Konstruktion von QKW-Werkzeugen Expertenwissen erfordert: Die Herausforderung liegt in der Vermeidung potentieller Fehlermechanismen, die während des Walzprozesses auftreten können. JOHNSON und MAMALIS unterscheiden drei Bauteil-Fehlerarten: Oberflächenfehler, innere Fehler und Formfehler. Zu den Oberflächenfehlern zählen die Ausbildung von spiralförmigen Kerben, Einschnürungen oder Faltenbildung. Innere Fehler sind z. B. die Bildung von inneren Hohlräumen (Mannesmanneffekt) und Brüche des Werkstücks. Formfehler entstehen, wenn aufgrund einer falsch ausgelegten Keilform die Geometrie der gewalzten Teile von der geforderten Endgeometrie abweicht. [Joh77]. Die Fehler können zu einem plötzlichen Versagen des Bauteils im Betrieb führen. Durch Berechnungen mit der Finite Elemente-Methode (FEM) und praktische Experimente können Entstehungsmechanismen von Fehlern sowie deren Auswirkungen auf Bauteile beim QKW erforscht werden. Basierend auf numerischen und experimentellen Untersuchungsmethoden kann die Entstehung von Fehlern als eine Funktion aus Werkstoff sowie den drei primären QKW-Parametern Umformwinkel, Streckwinkel und Querschnittsreduktion verstanden werden.

Eine weitere Einflussgröße auf das QKW-Ergebnis ist der Schlupf zwischen Bauteil und Werkzeug während des Walzvorgangs [Gla98, Pat98]. Ist der Schlupf zu groß, wird das Werkstück lediglich zwischen den Walzkeilen hindurchgedrückt, ohne zu rotieren und erfährt deshalb keine vollständige axiale Umformung. Die Beeinflussung des Schlupfes erfolgt direkt durch die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug: Je höher die Reibung, desto geringer der Schlupf.

QKW wird gegenwärtig nur im warmen Temperaturbereich eingesetzt. Eine Anwendung dieses Vorformverfahrens im halbwarmen Temperaturbereich wurde bislang nicht wissenschaftlich untersucht.

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