Kaltmassivumformen von Hohlbauteilen mit komplexen helixförmigen Innengeometrien

Abstract

In den letzten Jahren erlangte der technologische Fortschritt von Bauteilen des Antriebsstrangs und Fahrwerks in Bezug auf Leichtbau größere Bedeutung in der automobilen Leichtbaubranche moderner PKWs. Jedoch führen stetig steigende Anforderungen wie unter anderem Sicherheit, Komfort, Fahrleistung und Platzangebot gleichzeitig zu einer Erhöhung des Fahrzeuggewichtes. Aufgrund des relativ hohen Anteils kaltumgeformter Bauteile in Fahrzeugen kann eine gewichtsorientierte Bauteiloptimierung, welche keine dieser Anforderungen beeinträchtigt, entscheidend zum Leichtbau beitragen. Aus diesem Anlass wurde im Jahre 2012 die Initiative „massiver Leichtbau“ gegründet mit dem Ziel, die Massivumformteile moderner Fahrzeuge bezüglich Gewichtseinsparung, Werkstoffwahl, Fertigungstechnik und Bauteildesign bei akzeptablen Kosten zu optimieren. Große Herausforderungen bestehen bei der Optimierung von Bauteilen, die hohen Belastungen wechselnder Richtungen unterliegen. Dazu gehören beispielsweise Kolbenbolzen, welche trotz geringen Gewichts eine hohe Steifigkeit aufweisen müssen. Eine Gewichtsreduzierung solcher Bauteile kann in der Regel nur konstruktiv bzw. durch die Änderung des Bauteildesigns realisiert werden. In [Missal, N., Liewald, M., Felde, A. et al.: Piston pin optimisation with respect to light-weight design in: International Cold Forging Group, 49th Plenary Meeting, Stuttgart 2016, S. 157-161] wurden deshalb innovative Kolbenbolzen mit einer neuartigen helixförmigen Innengeometrie anstelle von bislang üblichem konstantem oder gestuftem Innendurchmesser entwickelt, welche diese widersprüchlichen Anforderungen erfüllen. Aufgrund der Beschränkung und zum Teil unbekannten Verfahrensgrenzen der Massivumformung bei der Herstellung von komplexen Geometrien wurden solche helixförmigen Innengeometrien bisher stets mittels spanender Verfahren erzeugt. Als technisch und wirtschaftlich vorteilhaftere Alternative zur Zerspanung kommt das Kaltfließpressen bzw. Abstreckgleitziehen in Frage. Kaltfließgepresste Komponenten besitzen im Vergleich zu spanend hergestellten verbesserte Eigenschaften wie die Kaltverfestigung, belastungsgerechte Faserverläufe und Eigenspannungen, welche zu erhöhten mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und Härte führen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse und der Kombination von konstruktiver Optimierung und festigkeitssteigernder Effekte bietet das Kaltfließpressen ein hohes Potenzial für den konstruktiven Leichtbau. Die Anwendbarkeit des Abstreckgleitziehens für die Herstellung von Hohlbauteilen mit komplexen helixförmigen Innengeometrien ist bislang aufgrund unbekannter Verfahrensgrenzen bezüglich der Formfüllung der Innengeometrie in Abhängigkeit der Prozessparameter und des Innenprofils in der industriellen Praxis beschränkt. Zum maximal zulässigen Schrägungswinkel, der Helix bei dem ein schädigungsfreies Ausstoßen des Bauteils noch möglich ist, wurden darüber hinaus ebenfalls noch keine hinreichenden wissenschaftlichen Untersuchungen angestellt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der systematischen Aufarbeitung ebendieses Forschungsbedarfs sowie in der Entwicklung einer analytischen Methodik zur Ermittlung der Verfahrensgrenzen bezüglich des zulässigen Schrägungswinkels der Innengeometrie beim Ausstoßen unter Berücksichtigung der Reibung, Kontaktspannungen und Kontaktfläche.