Spindelpresse mit elektrischem Direktantrieb
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Großgerät wurde und wird entsprechend dem im Antrag vorgelegten Betriebs- und Nutzungskonzept im Forschungsbereich Präzisionsschmieden eingesetzt. Dabei wurden bisher 2 Forschungsvorhaben bearbeitet, die ohne das GG nicht möglich gewesen wären. 1. BMBF KMU-innovativ Produktionsforschung, Verbundprojekt TubeForging „Endkonturnahe Umformung verzahnter Hohlwellen aus Rohr“; Laufzeit 05/2012-11/2014 Das Vorhaben baut auf von LUW mit einem Industriepartner entwickelten, inzwischen serienerprobten Erkenntnissen zur Rohrstauchtechnologie lokaler rotationssymmetrischer Flanschgeometrien auf und beinhaltet die Realisierung einer hochkomplexen, engtolerierten Formgebung dieser Volumina in Gestalt von Laufverzahnungen mit Feinbearbeitungsaufmaß. Die Zahnradformen umfassen Zylinderschräg- und Kegelbogenverzahnungen an beliebiger axialer Position der Wellen. Aus den hierzu entwickelten Präzisionsumformverfahren resultieren Vorteile reduzierter Einsatzmasse und Bearbeitungszeit, Entfall der Werkzeugausläufe sowie eine faserverlaufbedingte höhere Zahnfußdauerfestigkeit. Das Umformen der Verzahnungen wird wegen der hohen lokalen Umformgrade als Warmstauchen durchgeführt, ist gratlos und durch minimale radiale Fließwege des Werkstoffes gekennzeichnet. Im Fokus der Forschungsarbeiten standen die Entwicklung einer CAD-Methode zur Ableitung der endkonturnahen Zahnradgeometrien und Auslegung der Verzahnungswerkzeuge sowie die Verifikation im Versuchsfeld des LUW. Als wesentliche Störfaktoren von Präzisionsschmiedeprozessen sind Temperaturfeld und Dehnungszustand in Bauteil und Werkzeug durch FEM-Berechnung vorbestimmbar, so dass prinzipiell rechnerische Vorkorrekturen der thermomechanisch bedingten Bauteilfehler vorgenommen werden könnten. Aufgrund der Ungenauigkeit der verfügbaren, zur Berechnung erforderlichen Material- und Prozessgrößen, wie Wärmeübergangskoeffizient unter Druck, Wärmeausdehnungskoeffizient, spezifische Wärmekapazität, lokale Reibung und der temperaturabhängigen Fließspannungen, ist eine Berechnung der Verzahnungsabweichung in der zur angestrebten Fertigungsqualität erforderlichen Genauigkeit aber unmöglich. Zur Lösung dieses Problems wurden für beide Zahnradformen Präzisionsschmiedeprozesse entwickelt und nach einer ersten Schmiedung Prototypen aus simulationstechnisch vorkorrigierten Werkzeugen vermessen. Die zwangsläufig auftretenden Abweichungen von den Nenngeometrien wurden ermittelt, über die entwickelte Methodik aufbereitet und mit einer Automatisierungsroutine in die CAD-Modelle zwecks Korrektur implementiert. Mit diesen Daten wurde das Erstwerkzeug in einer einzigen CADCAM-Rekursionsschleife überarbeitet und erlaubte danach sofort die seriennahe Fertigung. Die Genauigkeit beider untersuchter Zahnradformen wurde dabei von Qualität 12 nach rechnerischer Vorauslegung auf Qualität 8 verbessert und lässt eine Feinbearbeitung der Verzahnung zu. 2. Niedersächsisches Vorab, Forschungsschwerpunkt Optiheat „Optimierung von Umform- und Wärmebehandlungsprozessen für eine wirtschaftliche und anwendungsorientierte Gestaltung von Hochleistungswerkstoffen“ Laufzeit 01/2013-12/2017 Der Forschungsschwerpunkt zielt auf die Entwicklung einer Methodik, mit der sich Wärmebehandlungsverfahren mit den Fertigungsprozessen für Konstruktionswerkstoffe derart abstimmen lassen, dass eine deutliche Reduktion der Prozessdauer bei gleichzeitiger Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erreicht werden. Ausgangspunkt sind dabei konkrete Problemstellungen der Industriepartner, die bereits in vorherigen Entwicklungsprojekten beleuchtet werden konnten, darunter die thermomechanischen Behandlungen von Nickelbasis-Superlegierungen und bainitischer Stähle. Wesentliche Elemente der experimentellen Entwicklungsarbeit bestehen in der schnellen Warmumformung mit Hilfe einer Spindelpresse, der Wärmebehandlung, bei der die Umformwärme ausgenutzt werden soll, der Werkstoffcharakterisierung mittels Metallographie (u.a. analytischer Elektronenmikroskopie) und der mechanischen Werkstoffprüfung (u.a. Hochtemperaturermüdung). Aus laufenden Forschungsarbeiten werden Modellierungskonzepte aufgegriffen und weiter entwickelt, die eine Simulation der integrierten Wärmebehandlung und der daraus resultierenden Eigenschaften ermöglichen soll. Die Kombination von Umformsimulation, Finite-Elemente-Berechnung der Abkühlung und schließlich der Einbeziehung von Kinetik und Thermodynamik der Ausscheidungsbildung (Kommerzielle Codes und Eigenentwicklungen) soll dazu beitragen die Prozessparameter bereits im Vorfeld für die vielfältigen Werkstoffanforderungen festlegen zu können. In verschiedenen Teilprojekten werden die thermomechanische Gefügeeinstellung bainitischer Stähle und die Mikrostrukturoptimierung ausgewählter Nickelbasis-Superlegierungen simulationstechnisch und experimentell untersucht. Als Versuchsträger werden dabei Turbinenschaufeln und auf der Stahlseite Pkw-Achszapfen geschmiedet und analysiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Präzisionsschmieden ultraleichter, verzahnter Hohlwellen aus Rohr“. Kolloquium der Konrad-Schäfer-Stiftung 2013, HS Osnabrück, Tagungsbericht S. 8 – 13, Osnabrück 26.04.2013
Adams, B.
- „Hohlwellen mit Verzahnungen“. 30. VDI-Jahrestreffen der Kalt-Massivumformer, Düsseldorf, 11.-12.02.2015
Rauschnabel, E., Adams, B.
