Rundkneten für den Leichtbau
Einfach und universell präsentiert sich eine neue Rundknet-Maschine der Generation „e“ von Felss. Das traditionelle Kalt-Massivumformverfahren bietet sich für die effiziente Herstellung von Antriebwellen und ähnlichem an, die bisher oft als Drehteile gefertigt werden. Mit der neuen Maschinentechnik wird der Einstieg in das Rundkneten erleichtert.
Werkstück einspannen, rotieren lassen und horizontal in das Werkzeug einfahren. Ein kurzes Brummen und fertig ist die Kontur. Auf den ersten Blick könnte man das Rundkneten auf den neuen Maschinen der Generation „e“ Felss in Königsbach-Stein mit dem Drehen verwechseln. Aber es handelt sich um eine Kalt-Massivumformung, die gerade Stangen und Rohre zu konturierten Teilen formt, die Drehteilen ähneln. Mehr noch, von Querschnittsminderungen über Einstiche und Außensechskante bis zur Innenverzahnung sind mit dem Verfahren eine Vielzahl von Gestaltungen möglich. Mit allen Vorteilen, die ein Kalt-Umformverfahren mit sich bringt: Kein Materialverlust, höhere Festigkeiten durch Kaltverfestigung, günstiger Faserverlauf und enge Toleranzen und hohe Oberflächengüte.
Beste Voraussetzungen für den Einsatz in einer modernen Fertigung, die auf Energie- und Kosteneffizienz bedacht ist, bei kleinen Losgrößen mit hoher Zuverlässigkeit eingesetzt werden kann und fertigungstechnische Leichtbaupotenziale in den Bauteilen eröffnet.
Vor diesem Hintergrund wurde die Generation „e“ der Rundknetmaschinen mit dem Ziel entwickelt, die Prozesskontrolle und damit die Bedienung zu vereinfachen und den Rüstaufwand beim Bauteilwechsel zu minimieren. „e“ steht für einfach zu bedienen, effizient und einfach erweiterbar. Attribute für eine skalierbare Maschinenbaureihe, die den Einstieg in die Rundknettechnik erleichtern kann. Später werden sich die Maschinen der Baureihe mit Automatisierungskomponenten bis hin zu Fertigungslinien erweitern lassen. In der Vorführmaschine deutet eine einfache Steuerung und der Werkzeugwechsel in Minutenschnelle darauf hin, dass Felss den eigenen Ansprüchen gerecht geworden ist.
„Mit der „Generation e“ lassen sich die Vorteile des Rundknetens für den Leichtbau effizient nutzen“, sagt Winfried Richter, Geschäftsführer bei Felss. Geeignet ist das Verfahren beispielsweise zur Herstellung von Getriebe- oder Antriebswellen, Airbagzylinder, Stoßdämpferstangen oder anderen Bauteilen, die heute oft als Drehteile hergestellt werden. Die Leichtbaupotenziale ergeben sich aus den Eigenschaften des Verfahrens.
Rundkneten ist ein inkrementelles Umformverfahren
Beim Rundkneten handelt es sich um ein inkrementelles Umformen zur schrittweisen Querschnittsverringerung von metallischen Stangen und Rohren. Zwei bis maximal acht Werkzeugsegmente umschließen das Werkstück radial, laufen relativ zum Werkstück um und führen dabei gleichzeitig in schneller Folge radial gerichtete Hübe aus. Diese weggesteuerten Hübe, in der Regel nur zwischen 0,25 und 1,5 mm je Stößel werden mit einer Hubfrequenz zwischen 1500 und 6000 Hüben pro Minute ausgeführt. Sie übertragen hohe spezifische Umformkräfte lokal auf das Werkstück und formen das Werkstück mit hohen Umformgraden aus.
Von den verschiedenen Aufbauvarianten mit drehendem Werkzeug oder drehendem Werkstück hat sich Felss in der Generation „e“ für das drehende Werkstück entschieden. Damit führen die Werkzeugsegmente nur radiale Hübe aus, sodass weniger Massen bewegt werden und der Aufbau einfacher wird.
Beim Rundkneten wird im Wesentlichen unterschieden zwischen dem Vorschub-Verfahren zum Erzeugen langer reduzierter Querschnitte und dem Einstech-Verfahren zur örtlichen Querschnittsverminderung wie bei Taillen oder Einstiche mit steilem Übergangswinkel. Beim Einstech-Verfahren ist der radialen Werkzeugbewegung ein zusätzlicher Schließ- bzw. Öffnungshub überlagert.
Die Umformverfahren auszeichnende Volumenkonstanz verbessert die Materialausnutzung gegenüber spanenden Verfahren deutlich. Das am Querschnitt abzunehmende Volumen wird lokal verdrängt und verlängert das Werkstück in axialer Richtung. Durch diesen Effekt wurden nach Angaben von Felss bei einer rundgekneteten Massivantriebswelle für PKW gegenüber der spanend hergestellten Ausführung im Einsatzgewicht des Rohlings bis zu 20 Prozent Material eingespart.
Potenzial zur Gewichtseinsparung – Rundkneten von Rohren
Neben massiven Stangen können mit dem Rundkneten auch Rohre bearbeitet werden. Hier liegt dann ein komplizierter Werkstofffluss vor; Längenzunahme, Innendurchmesserabnahme und Wanddickenzunahme beeinflussen sich wechselseitig abhängig von den Werkstoffeigenschaften und der Werkstückgeometrie. Mit Hilfe eines Stützdornes können bei Rohrumformungen gezielte Wanddickenabnahmen erreicht werden.
Das Potenzial zur Gewichtseinsparung erschließt sich vor allem, wenn durch das Rundkneten von massivem Ausgangsmaterial auf Rohr umgestellt werden kann. Dabei lassen sich anders als beim Drehen Einstiche in der Werkstückmitte ohne Wanddickenreduzierungen herstellen. Die Rohrwand wird nach innen eingeformt, das Rohteil kann ohne Bearbeitungszuschläge ausgelegt werden. Beim Drehen wären Querschnittschwächung unumgänglich.
Wie bei den meisten Umformverfahren treten Kaltverfestigungen ein, die zu entsprechenden Steigerungen der Zugfestigkeit führen. Dies ermöglicht unter bestimmten Umständen den Einsatz kostengünstigerer Werkstoffe mit geringerer Ausgangsfestigkeit oder eine geringere Dimensionierung des Werkstücks. Letzteres bedeutet eine zusätzliche Verringerung des Materialeinsatzes und des Gesamtgewichtes.
Formen- und Werkstoffvielfalt durch Rundkneten
Das Rundkneten erreicht ohne Zwischenglühen vergleichsweise hohe Umformgrade und bietet eine Fülle an Formgebungsmöglichkeiten. Neben rotationssymmetrischen Formen sind auch Zweiflach-, Drei-, Vier- oder Sechskantprofile herstellbar.
Bei der Bearbeitung von Rohren können durch den Einsatz entsprechend ausgelegter Dorne hochpräzise und komplexe Innenkonturen eingebracht werden, beispielsweise Innensechskant oder lange Evolventen- beziehungsweise Kerbverzahnungen, aber auch in sich verjüngende Werkstücke oder Sackbohrungen.
Fügeoperationen sind ebenfalls zuverlässig realisierbar. So lassen sich zwei ineinandergesteckte Teile kraft- und formschlüssig verbinden. Und last but not least: Rohrenden können durch Rundkneten bis zu massiven druckdichten Zapfen umgeformt werden.
Nahezu jeder metallische Werkstoff ist zum Rundkneten geeignet, sofern er eine Dehnung von mindestens 8 Prozent aufweist. Bei Stahlwerkstoffen reicht der Einsatzbereich von unlegierten und legierten Baustählen bis hin zu Automaten- und Werkzeugstählen. Bei NE-Metallen lassen sich alle Knetlegierungen umformen, beispielsweise Aluminium, Messing, Kupfer, Bronze, Magnesium, aber auch Nickel, Wolfram, Titan und deren Legierungen. Oftmals ist auch die Bearbeitung von Sinterwerkstoffen möglich.
Bei teuren Werkstoffen, wie nicht rostenden Stählen oder hochtemperaturfesten Nickel-Basislegierungen führt das Rundknetverfahren durch minimierten Werkstoffeinsatz zu erheblichen Kosteneinsparungen. Diese zudem häufig schwer zerspanbaren Werkstoffe lassen sich in der Regel im Rundknetverfahren gut umformen.
Schon heute deckt das Rundkneten ein weites Anwendungsfeld ab, angefangen bei der Automobilindustrie über die Medizin- und die Schreibgerätetechnik, die Optik- und Elektronikindustrie, die Sanitär- und Hausgerätetechnik bis zur Klimatechnik.
Generation „e“ als Einsteigermodell
Die auf der Tube 2010 präsentierte erste Maschine der Generation „e“ ist nach Aussagen von Winfried Richter auf gute Resonanz bei den Besuchern gestoßen. Ihre Leistungsfähigkeit wird die Maschine demnächst bei rotaform, den Komponentenfertigern der Felss Gruppe, im Fertigungseinsatz beweisen.