Ein Hub, Maximale Produktivität: Ein Lamellengehäuse an den Grenzen Der Machbarkeit
Volker Drumm ist als Group Leader Forming bei Feintool unter anderem für die Technik von Umformprozessen wie diesem zuständig. Das Lamellengehäuse zeigt eindrucksvoll, welche Leistung ein Einzelhub der 6-Meter-Servopressen in Obertshausen (Deutschland) in der Metallumformung erbringt.
Produktivität ergibt sich in der Metallumformung aus parallel ausgeführten Arbeitsgängen, das heisst, wenn verschiedene Prozesse an einem Teil mit nur einem Hub der Presse zeitgleich ablaufen. Bei einem sorgfältig durchdachten Umformprozess werden zwischen jedem Hub die Bauteile automatisch in die nächste Werkzeugstufe gelegt. Dort erfolgt dann der jeweils notwendige Arbeitsschritt. All dies geschieht in nur wenigen Sekunden pro Hub.
Ein komplexes, von Feintool gefertigtes Umformteil ist ein Lamellengehäuse für ein Doppelkupplungsgetriebe für Hybridfahrzeuge. Mit Abläufen wie Tiefziehen, Rollen, Prägen, Schneiden und Lochen umfasst die Fertigungsfolge nicht nur ein Dutzend Stationen, sondern auch eine Vielzahl seitlicher Bewegungen innerhalb des Werkzeugs.
Volker Drumm, Group Leader Forming bei Feintool, sagt: „Die Herstellung des kompletten Teils in nur einem Pressendurchgang war eine grosse Herausforderung.“ Sie erforderte nicht nur umfassendes Know-how in der Umformung, sondern auch eine leistungsstarke Presse. Feintool betreibt in Obertshausen (Deutschland) mechanische Umformpressen mit Servoantrieb und einem Pressdruck von bis zu 20.000 KN und Tischlängen von bis zu 6 Metern.
Derart grosse Pressen sind selten: Nur wenige Anbieter von Umformtechnik verfügen über Pressen, die so viele Stationen für einen einzigen Durchgang haben. Angesichts der Anzahl der Stationen und der Bewegung der Bauteile zwischen ihnen war diese Kapazität für das Lamellengehäuse jedoch unerlässlich. „Dank der Fähigkeiten dieser Presse können wir dieses Teil für den Kunden in einem einzigen Durchgang produzieren.“
Das Lamellengehäuse ist so komplex, dass die Herstellung in mehreren Einzelschritten viel zu teuer wäre. Nur durch Umformung kann das Teil mit all seinen Details in einem einzigen, nur wenige Sekunden dauernden automatisierten Prozess präzise gefertigt werden.
Ausgewählte Zwischenschritte beim Formen des Lamellengehäuses: (A) Schneiden der Platine, (B) Tiefziehen, (C) Stanzen des Aufnahmelochs, (D) Stanzen der Öllöcher und (E) Schneiden des Mittellochs für die finale Geometrie.
Die Fertigungssequenz
In einem Auto überträgt das Lamellengehäuse das Drehmoment von einem Kupplungspaket (das in diesem Fall auch von Feintool feingeschnittene Lamellen beinhaltet) auf zwei verschiedene Radsätze im Doppelgetriebe. Feintool fertigt dieses Gehäuse aus hochwertigem mikrolegiertem Stahl in Millionenstückzahlen pro Jahr. Die 6-Meter-Presse in Obertshausen produziert pro Hub ein Teil.
Die Fotos auf der linken Seite veranschaulichen in Auszügen den Weg des Teils durch die Presse. Jedes Foto zeigt eine nur wenige Sekunden dauernde Phase, bevor sich die Presse öffnet und das Teil zum nächsten Umformschritt weiter transportiert wird. Drumm beschreibt im Folgenden die Sequenz mit allen simultanen Vorgängen, die
bei jedem Hub ablaufen und die das Feintool-Ingenieurteam in die Werkzeugauslegung und ihre Betätigung bei jedem Pressenhub integriert hat.
Die folgenden Schritte werden für das Lamellengehäuse jeweils gleichzeitig ausgeführt:
1. Schneiden der Platine Die Teile werden längs der Presse, das Blechcoil-Rohmaterial aber quer und zusätzlich nach innen und aussen bewegt. Damit erreicht Feintool einen „Zickzack“-Vorschub. Diese einfache zusätzliche Bewegung sorgt für maximale Materialeffizienz und ermöglicht so erhebliche Kosteneinsparungen, da Ronden innerhalb des Blechs geometrisch verschachtelt werden können. Laut Drumm reduziert der Zickzack-Vorschub im Vergleich zum einfachen Vorschub die benötigte Material-menge um 8 bis 10 Prozent.
2. Tiefziehen Der Blechausschnitt wird durch einen kontrollierten Tiefziehprozess in eine Becherform gebracht.
3. Stanzen des quadratischen Mittellochs Ein quadratisches Mittelloch im Teil bietet während der gesamten Bearbeitung in der Presse Vorteile. „Wir benötigen dieses Loch nur zur Positionierung für andere Vorgänge“, sagt Drumm. Das finale Teil weist ein grösseres Loch auf.
4. Rollformen, Teil 1 (Vorformung) Ein Rollformwerkzeug ist ein rollierendes Umformwerkzeug, das in gerader Linie zur Stösselbewegung das Bauteil profiliert. An der ersten Rollformstation entsteht ein Teil der zahnradähnlichen Kerbgeometrie entlang des Umfangs des Teils.
5. Rollformen, Teil 2 An der zweiten Rollformstation wird das Verzahnungsprofil vervollständigt. „Diese Verzahnungen an den Flanken zählen zu den präzisesten Merkmalen, da über sie das Gehäuse mit dem Drehmoment der Lamellen verbunden werden“, sagt Drumm.
6. Höhe Schneiden, Teil 1 Die genaue Höhe des Teils wird durch einen zweistufigen Schneidvorgang erreicht, der waagerecht zum Bauteil und senkrecht zur Hubbewegung der Presse erfolgt. Das durch die Hubbewegung angetriebene Schneidwerkzeug schneidet die Oberkante des Teils von aussen nach innen ab.
7. Höhe Schneiden, Teil 2 Die Endtoleranz des Teils wird durch einen weiteren Schneidvorgang erreicht. Auch bei diesem Schritt hält ein Schiebewerkzeug eine Toleranz von +/- 0,15 mm ein.
8. Stanzen der Öllöcher, Teil 1 Die Öllöcher am Aussendurchmesser werden ebenfalls mit Schiebewerkzeugen hergestellt, die von aussen nach innen arbeiten. Dieser Stanzvorgang muss in zwei Schritten ausgeführt werden, da jedes Loch auf der gegenüberliegenden Seite des Teils gegen die Kraft des Stempels abgestützt werden muss. Im ersten Schritt werden daher zunächst alle geradzahligen Öllöcher gestanzt.
9. Stanzen der Öllöcher, Teil 2 Anschliessend werden die ungeraden Löcher gestanzt – wiederum mit Abstützung von der gegenüberliegenden Seite.
10. Prägen der Ölrückhaltung Die Ölrückhaltung wird am offenen Ende des Lamellen-trägers präzise geprägt. Sie wird durch kontrollierte Verformung mithilfe von Stempeln und einer Matrize hergestellt.
11. Schneiden des Mittellochs Im letzten Schritt der Metallbearbeitung wird ähnlich wie im ersten Schritt eine Kreisform aus dem Teil geschnitten. In diesem Schritt wird das quadratische Aufnahmeloch durch das grössere Loch ersetzt. Es ist ein kritisches Merk-mal für das finale Teil. Der Schnitt erfolgt mit H9-Toleranz, sodass keine Nachbearbeitung erforderlich ist.
12. Pressenentnahme Die Automatisierung geht jedoch noch weiter. An der letzten Station werden die Teile automatisch aus dem Arbeitsraum transportiert und zum Waschen, Nitrieren und Paketieren weitergeleitet. Hier ist die Geometrie fertig.
Der Zickzack-Vorschub des Coilmaterials reduziert den Schrottanteil und spart so Kosten. Da aus derselben Länge Blech mehr Rohlinge geschnitten werden, sinkt der gesamte Materialverbrauch um 8 bis 10 Prozent.
Nach dem einmaligen Durchlauf durch die Presse sind keine weiteren Arbeiten er- forderlich, um die Form oder die Merkmale des Gehäuses zu realisieren. Das Teil wird mit allen Details in einem hochpräzisen Durchgang gefertigt, wobei pro Teil nur etwas mehr als 30 Sekunden Eingriffszeit über alle Vorgänge benötigt werden. Diese Produktivität lässt sich nur mit technischem Know-how, guter Planung und der richtigen Ausrüstung erreichen. Für Feintool beginnt die Umformung stets mit einer umfassenden Prozessentwicklung auf Basis von Simulationen, um Optimierungs- potenziale zu ermitteln. Die benötigten Werkzeuge werden anschliessend intern hergestellt. Damit kann die Fertigung mit einem Hub beginnen – die produktivste Methode zur Herstellung dieses komplexen Teils
Die Grösse der Presse ist entscheidend für die Herstellung höchst komplexer Teile. Die grosse Abmessung der Presse in Obertshausen bietet Platz für alle Stationen und Abläufe in der Herstellung des Lamellengehäuses.
Die simultane Umformung ist hochproduktiv. Die Teile werden mit jedem Hub der Presse von einer Station zur nächsten bewegt. So wird mit jedem Hub jeder Arbeitsgang des gesamten Ablaufs ausgeführt und ein fertiges Teil produziert.
Gas- oder Plasmanitrieren?
Nitrieren, ein üblicher Nachbearbeitungsschritt für Umformteile, ist ein Verfahren zum Härten von Stahloberflächen, bei dem Stickstoff bei hohen Temperaturen in das Material eindiffundiert. Im Lamellengehäuse der Hybrid-Doppelkupplung erhöht die Nitrierung die Verschleissfestigkeit, die für die Hunderttausenden von Schaltzyklen erforderlich ist, die das Teil während seiner Lebensdauer durchläuft.
Es gibt zwei Nitrierverfahren. Beim Gasnitrieren wird der Stickstoff mithilfe von Ammoniak in einem Massenverfahren in einem Ofen eingebracht. Beim Plasma-nitrieren wird der Stickstoff dagegen mithilfe einer elektrischen Entladung in einem Plasma eingebracht.
„Gasnitrieren ist billiger, aber nicht jedes Teil eignet sich für dieses Verfahren“, sagt Volker Drumm, Group Leader Forming bei Feintool. Das Plasmanitrieren ist ein gezielteres Verfahren.
Diese Zielgenauigkeit ist bei dem Lamellengehäuse wichtig, das daher mit Plasma statt mit Gas nitriert wird. Der Grund dafür ist das kritische Mittelloch des Teils, das auf eine Welle lasergeschweisst wird. Eine nitrierte Oberfläche würde dieses Schweissen beeinträchtigen, sagt Drumm. „Deshalb schützen wir das Mittelloch beim Plasmanitrieren mit einem kleinen Ring. So stellen wir sicher, dass auf der Oberfläche des Mittellochs keine Nitrierschicht vorliegt.“
Die nächsten Schritte nach dem Pressen sind das Waschen und Nitrieren – eine weitere Bearbeitung ist nicht erforderlich. Eine einzige Hochleistungspresse ermöglicht eine Jahresproduktion in Millionenhöhe.
