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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen von Schmiedeteilen, insbesondere zur Ausbildung von sogenannten Nebenformelementen an den Schmiedeteilen. Beispiele derartiger Schmiedeteile sind zum Beispiel Achsschenkel von Nutzfahrzeugen.
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Stand der Technik
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In der Fahrzeugindustrie sowie allgemein im Bereich der Transport- und Nutzfahrzeuge (das heißt zum Beispiel PKW, LKW, Baufahrzeuge, Züge) kommen zunehmend hochbelastete geschmiedete Bauteile mit komplexen Geometrien zum Einsatz. Gleichzeitig sind auch die Anforderungen an die Präzision der Bauteile gestiegen. Bei der Herstellung derartiger Schmiedeteile, wie zum Beispiel den eingangs genannten Achsschenkeln für Nutzfahrzeuge, wird im gegenwärtigen Stand der Technik zunächst durch Schmieden ein Rohteil erzeugt, welches nach dem Abgraten anschließend nochmals mechanisch, das heißt spanend nachbearbeitet wird, um gewünschte Merkmale wie Lageraufnahmen mit der erforderlichen Präzision auszubilden und so zum Fertigprodukt zu gelangen. Durch diese mechanische Nachbearbeitung verlängern sich zum Einen aber die Bearbeitungszeiten am geschmiedeten Teil, und andererseits wird auf Grund der Materialentfernung durch die spanende Nachbearbeitung der für das Endprodukt benötigte Rohmaterialanteil erhöht. Beide Gesichtspunkte führen zu einer nicht unwesentlichen Kostensteigerung sowie zu erhöhter Umweltbelastung. Während es aus Sicht der Materialersparnis denkbar wäre, derartige Bauteile zu gießen, so haben Gussprodukte jedoch in Hinblick auf die Materialfestigkeit und Belastbarkeit eindeutige Nachteile gegenüber Schmiedeprodukten, welche insbesondere bei hochbelasteten Bauteilen wie den genannten Achsschenkeln für Nutzfahrzeuge von großer Bedeutung sind.
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Darstellung der Erfindung
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Ausgehend von dieser Problemstellung ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Schmiedeteilen bereit zu stellen, welches ohne Einbußen bei der Fertigungsgenauigkeit das Einsatzgewicht des Bauteils reduziert und das Rohteilgewicht insgesamt verringert, und dabei gleichzeitig die Fertigungszeiten verkürzt.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Schmiedeteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung von Schmiedeteilen mit einer vorgegebenen Endkontur die folgenden Schritte: Vorschmieden eines Rohlings, um ein Schmiedeteil zu erhalten, und anschließendes Umformen des Schmiedeteils in einem Gesenk, wobei während des Umformens ein oder mehrere Werkzeuge in das Schmiedeteil eingeführt werden und dabei das Material des Schmiedeteils derart verdrängt wird, dass die vorgegebene Endkontur erreicht wird.
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Im Sinne der Erfindung ist unter Endkontur die Form der Oberfläche des fertigen Schmiedeteils (vor einer eventuellen mechanischen Feinbearbeitung wie Abgraten oder Warmrichten) zu verstehen, sie umfasst also auch Vertiefungen, Einbuchtungen, Hinterschnitte und dergleichen. Unter Außenkontur ist hingegen der Teil der Oberfläche des Schmiedeteils anzusehen, der allgemein vom Schmiedeteil nach Außen weg gerichtet ist, und somit beispielsweise keine Hinterschnitte, Einbuchtungen oder dergleichen umfasst. Bei herkömmlichem Schmieden wird die Außenkontur durch die Form der Innenflächen des Schmiedegesenks bestimmt. Im Falle der vorliegenden Erfindung wird beim Vorschmieden bevorzugt ein halb- bzw. nahezu fertiges Schmiedeteil mit im Vergleich zur Endkontur kleineren Außenkontur erhalten. Das Vorschmieden kann dabei aus einem, aber auch aus zwei oder mehreren Schmiedeschritten bestehen, mithilfe derer die das Schmiedeteil der Endkontur angenähert wird.
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Durch das erfindungsgemäße Umformen wird es möglich, den Rohling unter geringerem Materialeinsatz herzustellen, da zum Erreichen der Endkontur kein mechanisches beziehungsweise spanendes Fertigbearbeiten notwendig ist. Eine eventuelle Nachbearbeitung kann somit zeitsparend auf das präzise Erreichen der Dimensionen konzentriert werden, wozu lediglich geringfügiger Materialabtrag (beispielsweise in Form von Abgraten) notwendig ist, so dass einerseits der Anteil des Rohmaterials am fertigen Produkt sinkt und andererseits erhebliche Zeitersparnisse bei der Herstellung erzielt werden können. Weiter werden auf Grund des geringeren Rohteilgewichts sowie des geringeren Einsatzgewichts (Volumen) des Schmiedeteils Ersparnisse beim Transport sowohl innerhalb der Fabrik als auch nachfolgend bei der Auslieferung erzielt. All dies wirkt sich positiv nicht nur auf die Herstellungskosten aus, sondern trägt auch zu einer geringeren Umweltbelastung der Produktion bei. Durch das Einbringen des Werkzeugs oder der Werkzeuge in das Schmiedeteil und die dementsprechende Materialverdrängung wird auch auf optimale Weise das Gesenk „von innen” gefüllt, was zu wesentlich geringerem Ausschuß durch unvollständige Gesenkfüllung führt. In anderen Worten bringt das Vorsehen des, im Vergleich zum Stand der Technik zusätzlichen Schritts des Umformens Vorteile sowohl im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit als auch auf Prozessstabilität.
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Weiter von Vorteil ist, dass durch das Umformen und insbesondere das Einführen des/der Werkzeuge Material verdrängt wird und somit der Faserverlauf des Materials parallel zu den Oberflächen (der Endkontur) gehalten wird. Dadurch wird dem fertigen Schmiedeteil eine erhöhte Festigkeit insbesondere an Kanten und Abwinkelungen sowie anderen komplizierteren geometrischen Merkmalen der Oberfläche des Schmiedteils, wie zum Beispiel Lageraufnahmen verliehen.
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Hierbei ist es bevorzugt, dass zu Beginn des Umformens geringfügig mehr Material im Gesenk vorhanden ist, als volumenmäßig für das endgültige Schmiedeteil (welches durch die vorgegebene Endkontur definiert wird) vonnöten ist, und somit durch das Einführen des Werkzeugs/der Werkzeuge beim Umformen das Material auch in die Grate an den Gesenkrändern fließt. Dadurch wird zusätzliche Prozesssicherheit im Hinblick auf eine vollständige Gesenkfüllung geschaffen.
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Bevorzugt ist das Werkzeug, welches beim Umformen in das Schmiedeteil eingeführt wird, ein Dorn oder Hohldorn. Durch den Einsatz eines Dorns oder Hohldorns können hohe Umformkräfte aufgebracht werden, welche zu einer effizienten Materialverdrängung beim Umformen und einem vollständigen Ausfüllen des Gesenks führen. Ein Hohldorn ermöglicht zudem eine besonders präzise Formung des Schmiedeteils an der Einführstelle und kann somit besonders effektiv zur Bestimmung der Endkontur eingesetzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden durch das beziehungsweise die Werkzeuge Nebenformelemente des fertigen Schmiedeteils ausgebildet. Nebenformelemente im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind dabei Formmerkmale der Schmiedeteiloberfläche, welche schmiedetechnisch nicht oder nur schwer durch Gesenke (gegeneinander bewegte Gesenkhälften) herstellbar sind, beispielsweise die Aufnahmen für Lagerschalen an LKW-Achsschenkeln. Insbesondere die Ausbildung von Nebenformelementen erforderte im Stand der Technik Material abtragende maschinelle Bearbeitungsvorgänge, welche nicht nur den Materialeinsatz erhöhten sondern auch die Prozesszeiten verlängerten. Indem derartige Nebenformelemente mit Hilfe des/der Werkzeuge ausgebildet werden, kann somit besonders viel Material und entsprechend Zeit gespart werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Umformen im Wesentlichen bei der Temperatur des vorangegangenen Schritts des Vorschmiedens durchgeführt. Vorteilhaft ist hierbei, dass auf Grund der noch aus dem Schmiedevorgang hohen Temperaturen eine wesentlich kraftsparendere Umformung möglich ist und gleichzeitig keine zusätzliche Energie zur Erwärmung des Schmiedeteils für die Umformung vonnöten ist.
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Vorteilhaft ist ferner, dass die durch das/die Werkzeuge bestimmte Umformrichtung/Umformrichtungen im Wesentlichen senkrecht zur Schließrichtung des Gesenks ist/sind. Beim Umformen wird nämlich der vorgeschmiedete Rohling in das Gesenk eingelegt und dieses geschlossen. Durch Einbringen der Werkzeuge in der genannten Umformrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Schließrichtung des Gesenks kann somit das zu den Seiten des Werkzeugs weg gedrängte Material in nahezu idealer Weise den durch das Gesenk bestimmen Formhohlraum ausfüllen. Dieser Formhohlraum definiert bevorzugt die Außenkontur der vorgegeben Endkontur, in anderen Worten bestimmt das Gesenk die Lage der im Wesentlichen nach außen gerichteten Oberflächen des fertigen Schmiedeteils, während durch die Werkzeuge (beispielsweise Hohldorne) Vertiefungen, Einbuchtungen oder ähnliche Nebenformelemente definiert werden können. Dies trägt ebenfalls zur effizienten Füllung des Gesenks bei und vermeidet dadurch übermäßigen Materialeinsatz.
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Schließlich ist es besonders vorteilhaft, das Schmiedeteil nach dem Umformen einem Schritt des Abgratens beziehungsweise Warmrichtens zu unterziehen. Dadurch kann das durch das Hohldornen entstehende Verzugsverhalten des Schmiedeteils effizient kompensiert werden, ohne dass es eines großen Materialabtrags beziehungsweise Warmrichtaufwands bedarf, mit konsequenter Verbesserung der Präzision der Fertigung unter gleichbleibend geringem Materialeinsatz und mit kurzen Prozesszeiten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert.
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1 zeigt am Beispiel eines Achsschenkels schematisch ein Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik;
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2 zeigt schematisch ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Schmiedeteilen mit einer vorgegebenen Endkontur, ebenfalls am Beispiel des Achsschenkels;
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3 zeigt eine Gegenüberstellung eines herkömmlich hergestellten Achsschenkels und eines erfindungsgemäß hergestellten Achsschenkels, sowohl in perspektivischer Ansicht als auch als radialen Schnitt durch die Lageraufnahmen;
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer unteren Gesenkhälfte mit eingelegtem Rohling zur Verdeutlichung der Umformrichtung und der Endkonturfüllung während des Umformvorgangs; und
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5 zeigt einen radialen Schnitt durch einen erfindungsgemäß hergestellten Achsschenkel, wobei die Darstellung des Achsschenkels nach dem Schmieden und die Darstellung des Achsschenkels nach dem Umformen zur Verdeutlichung der Konturauffüllung übereinander gelegt sind.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt schematisch den Ablauf eines Herstellungsverfahrens eines LKW-Achsschenkels gemäß dem Stand der Technik. Ein Rohling 10 aus Stahl wird zunächst gestaucht, vorgepresst und einem ersten Vorschmiedeschritt unterzogen (1a bis c), wobei die wesentliche Außengeometrie des zu fertigen Bauteils erzeugt wird. Beim nachfolgenden zweiten Vorschmiedeschritt (1d) werden durch das Gesenk die detaillierten Außenkonturen dieses Zwischenprodukts 10' erzeugt (aber nicht größer als die vorgegebene Endkontur). Im abschließenden Schritt des Abgratens beziehungsweise Warmrichtens (1e) wird dann das überschüssige Schmiedematerial entfernt, sodass das geschmiedete Fertigprodukt 10'' erhalten wird. Da durch den Schmiedevorgang jedoch keine komplizierten dreidimensionalen Konturen wie zum Beispiel seitliche Einbuchtungen für Lagerschalen ausgebildet werden können, muss das fertig geschmiedete Teil 10'' noch mechanisch, das heißt spanend nachbearbeitet werden. Das bei der Nachbearbeitung anfallende überschüssige Material erhöht somit den Rohmaterialanteil am fertigen Produkt, was neben den hierfür notwendigen Bearbeitungszeiten die Herstellungskosten erhöht und zudem eine höhere Umweltbelastung bedingt.
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In 2 ist zum Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren der 1 der Ablauf eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung von Schmiedeteilen gemäß der Erfindung dargestellt, wieder am Beispiel des LKW-Achsschenkels. Wie im Stand der Technik wird ein Rohling 20 zunächst gestaucht, vorgepresst und in zwei Schritten vorgeschmiedet (2a bis d), um im Wesentlichen die Außenkontur des fertigen Schmiedeteiles anzunähern. Anders als im Stand der Technik wird allerdings nach dem Vorschmieden (d. h. im vorliegenden Fall nach dem zweiten Vorschmiedeschritt), während sich der Rohling 20' noch im Wesentlichen auf Schmiedetemperatur befindet, eine Umformung des Schmiedeteils in einem Gesenk durchgeführt, dessen Formhohlraum die Außenkontur der vorgegebenen Endkontur des Bauteils definiert. Dabei werden im vorliegenden Fall des Achsschenkels während des Umformvorgangs, das heißt des Schließens des Gesenks, jeweils ein Hohldorn von der vorderen und hinteren Achsschenkelseite in das halb fertige Schmiedeteil 20' eingeführt und dadurch die nach Innen vertieften Lageraufnahmen 21a und 21b ausgebildet (2e und 3b). Die Hohldorne haben dabei exakt die Form und die Dimensionen der auszubildenden Lageraufnahme. Erst daraufhin wird durch Abgraten/Warmrichten der in der Schmiedeebene gelegene Schmiedeüberschuss entfernt, wobei allerdings das Abgraten beziehungsweise Warmrichten nicht mehr zur Erzeugung der vollständigen Endkontur notwendig ist und somit auf Grund des wesentlichen geringeren Materialabtrags viel weniger Zeit in Anspruch nimmt als das Abgraten oder Warmrichten im Stand der Technik (vgl. 1e). Dieser Zeitgewinn wird auch nicht durch den im Vergleich zum Stand der Technik zusätzlichen Schritt des Umformens („Hohldornens”)(2e) zunichte gemacht. Im Gegenteil erspart der zusätzliche Umformschritt des „Mohldornens” eine zusätzliche spanende Bearbeitung zur Ausbildung der Lageraufnahmen.
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In 3 ist in perspektivischer sowie in Schnittansicht ein Vergleich zwischen den fertig geschmiedeten und abgegrateten Bauteilen dargestellt. Wie aus 3a ersichtlich ist, umfasst das mit dem herkömmlichen Verfahren hergestellte fertig geschmiedete Rohteil 10' noch keine Ausnehmungen für die Lageraufnahme, die entsprechenden Seitenabschnitte 11a und 11b sind massiv. Dementsprechend beträgt das Gewicht des herkömmlich hergestellten Achsschenkels 32 kg. Im Gegensatz dazu weist der erfindungsgemäß hergestellte LKW-Achsschenkel bereits die Ausnehmungen für die Lagerschalen auf, sie müssen also nicht mehr durch spanendes Bearbeiten unter Materialausschuss hergestellt werden. Entsprechend niedriger ist auch das Gewicht des fertig geschmiedeten Rohteils, das 29 kg beträgt. Es können somit nicht nur etwa 10% an Material gespart sondern auch wesentlich kürzere Prozesszeiten erzielt werden.
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In 4 ist eine perspektivische Ansicht eines beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Gesenks dargestellt, wobei der besseren Verständlichkeit halber nur die untere Gesenkhälfte 30 dargestellt ist. Hierbei wird das im zweiten Schritt des Vorschmiedens (2d) erzeugte Zwischenprodukt 20', das sich noch im Wesentlichen auf Schmiedetemperatur befindet, in das Gesenk 30 eingelegt und dieses durch Absenken der oberen Gesenkhälfte (nicht gezeigt) geschlossen (siehe Pfeil: „Schließrichtung” in 4). Gleichzeitig werden von zwei Richtungen aus (siehe Pfeile „Umformrichtung”) Hohldorne 31a und 31b in die Seiten des halbfertigen Schmiedeteils 20' eingedrückt, welche die Lageraufnahmen im fertig geschmiedeten LKW-Achsschenkel 20''' ausbilden. Hierbei liegen die beiden, hier entgegen gesetzten Umformrichtungen senkrecht zur Schließrichtung des Gesenks. Wegen der noch hohen Temperaturen aus dem vorangegangenen Schmiedevorgang wird auf Grund des durch die Hohldornen 31a und 31b verdrängten Materials die gesamte Gesenkform, das heißt die vorgegebene Endkontur vollständig ausgefüllt. Dies ist durch die schattierten Umrisse des Schmiedeteils 20'' dargestellt. In anderen Worten fließt beim erfindungsgemäßen Umformen das Material in die anfangs noch freien Formräume an den Gesenkinnenflächen bis die Gesenkform ausgefüllt ist. Hierzu ist vorzugsweise zu Beginn des Umformens geringfügig mehr Material im Gesenk vorhanden, als volumenmäßig für das endgültige Schmiedeteil vonnöten ist. Beim nachfolgenden Verdrängen des Materials aufgrund des Einführens des Werkzeugs/der Werkzeuge fließt dieses auch in die Grate an den Gesenkrändern und sichert dadurch stets eine zuverlässige, vollständige Gesenkfüllung.
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Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte Ersparnis an Rohmaterial ist besonders gut aus der Schnittzeichnung der 5 zu entnehmen. Mit der Bezugsziffer 22 ist die nach dem zweiten Vorschmieden (2d) erzeugte geschmiedete Kontur bezeichnet, während mit Bezugsziffer 23 die Endkontur nach dem erfindungsgemäßen Umformvorgang, das heißt nach dem Einbringen der Hohldorne bezeichnet ist. Durch das Einbringen beziehungsweise Eindrücken der Hohldorne wird also die von dem Gesenk 30 vorgegebene äußere Endkontur 23 ausgehend von der geschmiedeten Kontur 22 aufgefüllt. In anderen Worten füllt der Volumenanteil des eingebrachten Hohldorns das Gelenk ausgehend von der vorgeschmiedeten kleineren Schmiedekontur 22 bis zur vorgegeben Endkontur 23 auf.
