Aktuell / 18.03.2015

Mit mehrdirektionalem Verfahren Kurbelwellen materialsparend schmieden

Weniger Grat beim Schmieden. Das mehrdirektionale Schmiedewerkzeug presst Metall nicht nur durch Druck von oben in Form, sondern auch von den Seiten. © IPH
Der Gratanteil ist bei der mehrdirektional geschmiedeten Kurbelwelle (rechts) deutlich geringer als bei der konventionell geschmiedeten (links). © IPH
Das Schmieden der Kurbelwelle erfolgt in fünf Schritten: der vierte mit dem mehrdirektionalen Werkzeug, der abschließende Schritt mit einer Exzenterpresse. © IPH
Bearbeitungsschritte zur Kurbelwellenherstellung: Vorformen des Werkstücks, mehrdirektionales und endgültiges Formen und Entgraten. © IPH

Ein neu entwickeltes Schmiedeverfahren spart Material und Energie. Mit dem sogenannten mehrdirektionalen Schmieden konnten Forscher den Gratanteil beim Schmieden von Kurbelwellen von 54 auf 7 Prozent senken und dabei rund 20 Prozent Energie sparen. Das Verfahren wurde bereits erfolgreich im industriellen Einsatz erprobt.

Die Entwickler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) konnten im EU-Projekt REForCh (Resource efficient forging process chain for complicated high duty parts) den Gratanteil beim Schmieden einer Zweizylinderkurbelwelle erheblich senken. Dadurch müssen sie wesentlich weniger Stahl als im bisherigen konventionellen Schmiedeverfahren einsetzen. Bei diesem brauchten sie für eine sieben Kilogramm schwere Kurbelwelle 10,8 Kilogramm Stahl. Mit dem neuen, mehrdirektionalen Schmiedeverfahren genügen 7,5 Kilogramm Stahl: Der Gratanteil sinkt von zuvor 54 auf 7 Prozent. Da weniger Stahl erhitzt werden muss, spart das neue Verfahren etwa 20 Prozent Energie.

Mehrdirektional statt konventionell Schmieden

Bei herkömmlichen Schmiedeverfahren wird das Werkstück ausschließlich durch Druck von oben umgeformt. Der sogenannte Grat entsteht beim Gesenkschmieden dadurch, dass überschüssiges Material zu den Seiten hin entweicht, wenn das Gesenk komplett ausgefüllt ist. Bei komplizierteren Formen wie Kurbelwellen kann der Gratanteil mehr als 40 Prozent erreichen. Dieser Grat muss anschließend entfernt werden.
Beim mehrdirektionalen Schmieden wird der erwärmte Stahl dagegen nicht nur von oben umgeformt, sondern gleichzeitig mit Druck von den Seiten bearbeitet. So lässt er sich kontrollierter in Form pressen und weniger Material wird verbraucht.
Ein Video des Verfahrens gibt es hier.

 

Neues Verfahren spart Material und Energie

Die Reduzierung des Gratanteils von etwa 54 auf etwa 7 Prozent entspricht einer Einsparung von etwa 3,8 Kilogramm Stahl pro Kurbelwelle. Da weniger Ausgangsmaterial eingesetzt werden muss, sinkt der Energieverbrauch pro Werkstück um etwa 20 Prozent – obwohl der relative Energieverbrauch für das Aufheizen um bis zu 15 Prozent höher ist als beim konventionellen Schmiedeverfahren.
Beim türkischen Schmiedeunternehmen Omtaş Otomotiv Transmisyon Aksami wurde die Prozesskette mit dem mehrdirektionalen Werkzeug erprobt. Nach dem Vorform-Prozess wurden die Werkstücke in einem Induktionsheizer wieder gleichmäßig angewärmt, um den Temperaturverlust während der Vorformprozesse aufzufangen und das Werkstück gleichmäßig zu erwärmen. So konnte der multidirektionale Prozess mit wenig Kraft ablaufen. Daran anschließend erfolgte der abschließende Schmiedeschritt in einer Exzenterpresse mit einer Kraft von bis zu 40.000 kN.
Die Firma Omtas stellte Prototypen von Zweizylinderkurbelwellen für Quads und Schneemobile her. Sie will damit auch weitere Kurbelwellentypen produzieren.
Der Hauptanteil der Produktionskosten beim Schmieden wird durch das Material verursacht. Bei Stahl sind das beispielsweise bis zu 50 Prozent der Gesamtkosten.
Bei einer Jahresproduktion von 10.000 Kurbelwellen dieser Bauart gehen die Forscher davon aus, dass 34 Tonnen Stahl eingespart werden können. Die Reduzierung des Energieverbrauchs spart weitere 2.000 Euro.

Das IPH hat das mehrdirektionale Schmieden im Rahmen des EU-Projekts REForCh gemeinsam mit Industriepartnern erprobt. Am Projekt beteiligten sich sechs Unternehmen und Forschungsinstitute aus Deutschland, Spanien, Rumänien und der Türkei. Das Institut für Elektroprozesstechnik der Leibniz Universität Hannover hat sich mit der Auslegung der induktiven Erwärmungsprozesse sowie der Energiebilanz des Schmiedeverfahrens auseinandergesetzt. Die spanische Firma Aurrenak hat das Umformwerkzeug hergestellt, das sich in eine ganz normale Exzenterpresse einsetzen lässt und den Pressendruck so umleitet, dass der Stahl gleichzeitig von oben und von den Seiten umgeformt wird.

Verknüpfte Projekte

    Mehr zum Projekt

    REForCh

    Projektleitung, Entwicklung Schmiedewerkzeug
    IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover gemeinnützige GmbH

    Herstellung des Umformwerkzeugs
    Aurrenak

    Schmieden der Kurbelwellen
    Omtas

    Materialforschung, Verfahrenstechnik
    Metav

    Induktive Erwärmungsprozesse
    ETP Institut für Elektroprozesstechnik der Leibniz Universität Hannover

    Herstellung Induktionsheizer
    Ema-tec