Herstellung einer Wellle-Nabe-Verbindung mittels Quer-Fließpressen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hansgeorg Binz; Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 200131848

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung mittels Quer-Fließpressen“ wurde eine Verfahrenskombination aus Umformen und Fügen zur Fertigung derartiger Verbindungen erfolgreich entwickelt und umgesetzt sowie die Verbindungseigenschaften der hergestellten Bauteile untersucht. Zu Projektbeginn wurde eine sowohl für die umformtechnische Herstellung als auch für die nachfolgende Bauteilprüfung geeignete Probengeometrie festgelegt. Für diese Probengeometrie wurden entsprechende Umformwerkzeuge konstruiert und Prüfstandsmodifikationen vorgenommen. Zur Vorbereitung der numerischen Untersuchungen wurden für die verwendeten Versuchswerkstoffe entsprechende Materialkennwerten ermittelt und in den Simulationsmodellen hinterlegt. Für die Simulationsprozess selbst wurde eine Methode zur durchgängigen Simulation, bestehend aus Umformprozesssimulation und strukturmechanischer Simulation erarbeitet. In den nachfolgenden experimentellen Untersuchungen hinsichtlich des Umformprozesses wurde der Einfluss von Profilparametern wie der Mitnehmeranzahl, Profilexzentrizität und -typ, von tribologischen Bedingungen in der Kontaktfuge und von der Nabenhärte auf die sich ergebenden radialen Deformationen und Presskräfte untersucht. Die Untersuchung der Gebrauchseigenschaften der gefügten Welle-Nabe-Verbindungen umfasste die Bestimmung der übertragbaren Axialkräfte, die Ermittlung statischer Grenzdrehmomente sowie erste Untersuchungen zum dynamischen Übertragungsverhalten von Proben mit polygonaler (P3G) Nabeninnengeometrie. Zusammenfassend kann aus den durchgeführten Untersuchungen zum Umformfügeprozesses prinzipiell festgehalten werden, dass eine möglichst geringe Profilexzentrizität mit einer Mitnehmeranzahl von 6 und ein Profiltyp auf Basis eines Epizykloids bei einer gestrahlten Nabeninnenoberfläche in Kombination mit einer manganphosphatierten Welle die gestellten Prozessanforderungen am besten erfüllt. Aus Sicht der Bauteileigenschaften hinsichtlich der Verbindungsqualität sind aller Voraussicht nach möglichst Profiltypen auf Basis eines komplexen Zykloids höherer Ordnung mit großer Profilexzentrizität anzustreben. Ebenso ist anstelle des eingesetzten Wellenwerkstoffes 16MnCrS5 im GKZ- Zustand ein Werkstoff höhere Festigkeit wünschenswert, eventuell 42CrMo4, der aufgrund der höheren Fließspannung zu größeren übertragbaren Torsionsmomenten im Dauerlaufversuch führen würde und das Trainierungsverhalten der Verbindung verbessern könnte. Die im Rahmen dieses Forschungsprojekts erarbeiteten Ergebnisse zeigen zum einen ein bereits jetzt vorhandenes deutliches Potential derartig hergestellter Verbindungen, was durch eine Erweiterung des Spektrums der Nabeninnenprofile auf komplexe Zykloide eine zusätzliche Verbesserung der Verbindungsqualität erwarten lässt. Weiter ist eine Verbreiterung des Einsatzspektrums des Verfahrens durch Untersuchungen zur Herstellung von Welle-Nabe-Verbindungen mit einer Hohlwelle oder mit einer dickwandigen Nabe zu erwarten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Probengeometrie für mittels Quer-Fließpressen hergestellte Welle-Nabe-Verbindungen, Engineering - Eine Herausforderung für die Zukunft. Stuttgarter Symposium für Produktentwicklung 2011, Stuttgart: Fraunhofer, 2011, S. 103-104. - ISBN 978-3-8396-0348-2
  Funk, M.; Dörr, F.; Binz, H.; Liewald, M.
  
• Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung durch Quer-Fließpressen, Schmiede Journal, Organ des Industrieverband Massivumformung e.V., Ausgabe März 2012, Hagen, 2012
  Dörr, F.; Funk, M.; Liewald, M.; Binz, H.
  
• Rundheitsabweichungen beim Fügen von Welle-Nabe-Verbindungen mittels Quer-Fließpressen, 19. Sächsische Fachtagung Umformtechnik SFU 2012 und 4. International Conference on Accuracy in Forming Technology, Chemnitz: Fraunhofer, 2012, S. 437-450. ISBN: 978-3-942267-61-8
  Dörr, F.; Funk, M.; Liewald, M.; Binz, H.
  
• Untersuchungen zur Übertragungsfähigkeit von mittels Quer-Fließpressen hergestellten Welle-Nabe-Verbindungen mit polygonaler Nabeninnengeometrie - Erste Untersuchungen zur Herstellung der Proben und zum Übertragungsverhalten unter statischer Last, VDI-Bericht 2176 (5. VDI-Fachtagung Welle-Nabe-Verbindungen Gestaltung - Fertigung - Anwendungen), Nürtingen, 2012, S. 83-93. - ISBN 978-3-18-092176-1
  Funk, M.; Dörr, F.; Binz, H.; Liewald, M.
  
• Werkzeugkonzept und Verfahrensentwicklung zum Umformfügen einer Welle-Nabe-Verbindung durch Kalt-Quer-Fließpressen – Untersuchungen zum Einsatz eines segmentierten Werkzeugs zur radialen Vorspannung der Nabe bei der Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung mittels Quer-Fließpressen, VDI-Bericht 2176 (5. VDI-Fachtagung Welle-Nabe-Verbindungen Gestaltung - Fertigung - Anwendungen), Nürtingen, 2012, S. 271-276. - ISBN 978-3-18-092176-1
  Dörr, F.; Liewald, M.
  
• A Method to find suitable internal hub geometries for shaft-hub-connection manufactured by lateral extrusion using FEM, NAFEMS World Congress 2013, June 9-12, 2013, in Salzburg, Österreich
  Funk, M.; Dörr, F.; Binz, H.; Liewald, M.
  
• Numerical investigations on stress distribution and deformation of shaft-hub-connections manufactured by lateral extrusion, 11th International Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Processes (NU- MIFORM 2013), July 6-10, 2013, in Shenyang, Liaoning, China
  Dörr, F.; Funk, M.; Liewald, M.; Binz, H.
  
• Determination of friction coefficients of interstice of a shaft-hub-connection manufactured by lateral extrusion, 6th International Conference on Tribology in Manufacturing Processes & Joining by Plastic Deformation, 22. – 24. Juni 2014, Darmstadt
  Dörr, F.; Funk, M.; Liewald, M.; Binz, H., Savino, M.
  
• Ermittlung des statischen Grenzdrehmoments von mittels Quer-Fließpressen hergestellten Querpressverbänden mit Hilfe der FEM, ANSYS Conference und 32. CADFEM Users´ Meeting 2014, Nürnberg, 2014
  Funk, M.; Dörr, F.; Binz, H.; Liewald, M.
  
• Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung mittels Quer-Fließpressen - Verfahrensbeschreibung und Potenzial gefügter Proben mit polygonaler Nabeninnengeometrie. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Ausgabe 7-8/2013. Berlin: Hanser, S. 479- 480. - Konstruktion – Zeitschrift für Produktentwicklung und Ingenieur-Werkstoffe, Ausgabe 1-2/2014. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag, S. 67-69
  Funk, M.; Dörr, F.; Binz, H.; Liewald, M.
  
• Investigations on the influence of internal hub profile on joining process of shaft-hub-connection by lateral extrusion. 11th International Conference on Technology of Plasticity, 9. - 14. Oktober 2014, Nagoya (Japan)
  Dörr, F.; Funk, M.; Liewald, M.; Binz, H.