[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Achselements für Kraftfahrzeuge.
[0002] Achselemente von Kraftfahrzeugen, insbesondere Schwenklager für die Vorderachse,
sind relativ komplexe gegossene oder geschmiedete einstückig ausgebildete Bauteile,
die aus einem Stahlgusswerkstoff oder auch aus Aluminium hergestellt werden. An Schwenklagern
greifen erhebliche Kräfte an, weshalb diese Bauteile in der Regel aus einem Vollmaterial
gefertigt werden. Aus Gründen der Gewichtsersparnis kommen zunehmend Leichtmetalle,
wie Aluminium, zum Einsatz.
[0003] Bei der schmiedetechnischen Herstellung von Schwenklagern aus Aluminium dient stranggepresstes
Rundmaterial als Rohling. Fertig geschmiedete Schwenklager weisen jedoch eine sehr
ungleichmäßige Massenverteilung auf, die nicht mit der zylindrischen Form des Rohlings
einhergeht. Um dennoch in Bereichen, in denen mehr Masse vorhanden sein muss als in
anderen Bereichen, ausreichend Material für den Schmiedevorgang zur Verfügung zu haben,
werden hinreichend große Rohlinge verwendet. Der Nachteil der verwendeten Rohlinge
ist, dass eine relativ große Menge Energie erforderlich ist, um den Rohling auf die
zur Warmumformung erforderliche Schmiedetemperatur zu erwärmen. Andererseits ist der
Abfallanteil in Bereichen mit geringeren Massenanhäufungen relativ hoch. Dies ist
insbesondere kostenmäßig nachteilig, weil es sich bei Aluminium um einen vergleichsweise
teuren Werkstoff handelt. Die vorstehenden Probleme gelten nicht nur für Schwenklager,
sondern für Achselemente im allgemeinen.
[0004] Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines Achselements für Kraftfahrzeuge aus einem stabförmigen Halbzeug aus Aluminium
aufzuzeigen, bei welchem die zur Umformung zuzuführende Energiemenge vermindert ist
und herstellungsbedingte Materialverluste reduziert werden.
[0005] Die erfindungsgemäße Lösung liegt in einem Verfahren zur Herstellung eines Achselements
für Kraftfahrzeuge, bei welchem ein stabförmiges Halbzeug aus Aluminium auf eine Umformtemperatur
erwärmt und das erste Ende des Halbzeugs in einer Gravur eines Umformwerkzeugs von
einem ersten Stempel aufgestaucht wird, anschließend das zweite Ende von einem zweiten
Stempel in die Gravur gepresst wird, wobei das verpresste Material in eine Abzweigung
der Gravur zu einem Schenkel ausgeformt wird. Hieran schließt sich dann ein Schmiedevorgang
an, in dem das bereits zu einem Vorschmiedestück umgeformte Halbzeug endgeformt wird.
[0006] Mit der Erfindung wird erreicht, dass die gleichmäßige Massenverteilung des stabförmigen
Halbzeugs, insbesondere eines Rundmaterials, im Hinblick auf das zu fertigende Achselement
dahingehend verändert wird, dass in Bereichen mit größeren Massenanhäufungen in einer
Vorstufe des eigentlichen Schmiedevorgangs mehr Material bereitgestellt wird, als
in anderen Bereichen und somit eine Massenverteilung ähnlich der des zu fertigenden
Achselement erreicht wird.
[0007] Für das Aufstauchen besitzt das Umformwerkzeug eine Gravur, die eine Materialverdickung
in diskreten Bereichen ermöglicht. Hierbei kann je nach Gravur das erste Ende unmittelbar
von dem Stempel aufgestaucht werden. Es kann aber auch eine Ausnehmung der Gravur
im Abstand vom ersten Ende des Halbzeugs vorgesehen sein, in der sich beim Stauchvorgang
eine Materialanhäufung durch verpresstes Material ergibt. Die geometrische Form der
Gravur wird unter Berücksichtigung von bestimmten Durchmesser-/Stauchlängenverhältnissen
festgelegt. Um Fältelungen an der Oberfläche zu vermeiden, soll die Stauchlänge ein
Fünffaches des Durchmessers des Halbzeugs nicht überschreiten. Zum Stauchen wird der
erste Stempel an das Halbzeug herangefahren und verfährt dann mit einer Geschwindigkeit
von bis zu 150 mm/s auf die festgelegte Stauchlänge.
[0008] Im Anschluss an das Aufstauchen des ersten Endes wirkt ein zweiter Stempel auf das
zweite Ende des Halbzeugs ein und presst dieses in die Gravur. Das verpresste Material
fließt dabei rückwärts in eine Abzweigung der Gravur, die im Winkel zur Mittellängsachse
des stabförmigen Halbzeugs steht. Hier wird das verpresste Material zu einem Schenkel
ausgeformt. Die Abzweigung kann dabei auf halber Stauchlänge ausgebildet sein. Vorteilhaft
ist die Gravur derart ausgelegt, dass eine neutrale Faser im Bereich der Mittellängsebene
des ausgeformten Schenkels gebildet wird. Dadurch ist gewährleistet, dass in der anschließenden
Fertigschmiedung im Gesenk diese neutrale Faser in den Grat fließt und dadurch eine
einwandfreie gerichtete Gefügestruktur im Bauteil ermöglicht wird. Die neutrale Faser
wird durch die Parameter Stempelgeschwindigkeit, Temperatur des Umformwerkzeugs und
des Halbzeugs, Geometrie der Gravur und Friktion an der Oberfläche der Gravur in ihrem
Rekristallisationsverhalten beeinflusst. Durch die optimale Wahl dieser Parameter
ist die Rekristallisation auf ein Minimum reduzierbar.
[0009] Mit dieser Erfindung werden in einem einzigen Umformwerkzeug zwei verschiedene Verfahren
miteinander kombiniert. Einerseits das endseitige Aufstauchen des Halbzeugs und andererseits
ein Fließpressen zur Ausbildung eines Schenkels, ohne dass das stabförmige Halbzeug
zwischen diesen beiden Fertigungsschritten einem weiteren Umformwerkzeug zugeführt
werden müsste.
[0010] Das derart zu einem Vorschmiedestück umgeformte Halbzeug wird anschließend in einem
Schmiedevorgang endgeformt.
[0011] Die Vorteile des Verfahrens sind darin zu sehen, dass Halbzeuge, wie beispielsweise
stranggepresstes Rundmaterial mit geringerem Ausgangsquerschnitt zum Einsatz kommen
kann und dennoch eine zum Schmieden günstige Massenverteilung durch die Vorformung
erreicht wird. Gleichzeitig ist zum Erwärmen des Halbzeugs aufzubringende Energie
durch die geringere Masse des Halbzeugs niedriger. Schließlich fallen durch die endformnahe
Konturgebung des Vorschmiedestücks geringere Gratverluste beim Schmiedevorgang an,
so dass von vornherein weniger Ausgangsmaterial eingesetzt werden muss.
[0012] Aus anlagentechnischer Sicht ist die sinnvolle Aufteilung der Kräfte für das Stauchen
und das Rückwärtsfließpressen notwendig, wobei diese Vorgänge vorteilhafterweise in
horizontaler Richtung ausgeführt werden. Um das Umformwerkzeug während des Umformprozesses
geschlossen zu halten, muss die an dem Umformwerkzeug angreifende Zuhaltekraft ca.
ein Zehnfaches der von dem ersten Stempel und dem zweiten Stempel aufgebrachten Kraft
betragen.
[0013] Gemäß den Maßnahmen des Anspruchs 2 wird das zweite Ende des Halbzeugs gegen die
Haltekraft des ersten Stempels in die Gravur gepresst. Das bedeutet, dass nach dem
Aufstauchvorgang des ersten Stempels dieser als Gegenhalter fungiert und ohne Zeitverlust
oder Umsetzung des Werkstücks der Fließpressvorgang durch den zweiten Stempel initiiert
werden kann. Umgekehrt dient der zweite Stempel während des Aufstauchvorgangs ebenfalls
als Gegenhalter.
[0014] Während Rohteile beim Warmschmieden auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur
erwärmt werden, damit keine bleibende Verfestigung des Werkstückwerkstoffs auftritt,
genügt es für die Fertigung eines Vorschmiedestücks aus Aluminium, dass die Umformtemperatur
niedriger ist als 520 °C (Anspruch 3). Vielmehr kann eine Umformtemperatur zwischen
420 °C und 480 °C für die Umformung des Halbzeugs ausreichen (Anspruch 4). Eine Umformung
bei zu niedriger Temperatur kann eine nicht abgebaute Versetzungsdichte verursachen,
die bei der nachfolgenden Erwärmung auf die Schmiedetemperatur zu einer unkontrollierten
und unerwünschten Grobkornbildung durch Rekristallisationsvorgänge führt.
[0015] Nach Anspruch 5 wird das erste Ende des vorgeformten Halbzeugs vor dem Schmiedevorgang
in einem zweiten Umformwerkzeug ein weiteres Mal gestaucht. Dies kann insbesondere
dann von Vorteil sein, wenn die vom ersten Stempel aufgebrachten Kräfte zum Aufstauchen
ein bestimmtes Maß nicht überschreiten dürfen, damit Material nicht unkontrolliert
in die Abzweigung der Gravur fließt, sondern erst durch den Fließpressvorgang durch
den zweiten Stempel kontrolliert in die Abzweigung eingebracht wird. Ein zweites Umformwerkzeug
ermöglicht somit eine noch endformnähere Konturgebung des Vorschmiedestücks.
[0016] Um eine bleibende Verfestigung des Werkstückwerkstoffs zu verhindern, ist gemäß Anspruch
6 vorgesehen, das Vorschmiedestück vor dem Schmiedevorgang auf eine Schmiedetemperatur
zu erwärmen, die zweckmäßig oberhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmt wird.
Hier sind etwa 520 °C zweckmäßig (Anspruch 7).
[0017] Das vorstehend geschilderte Verfahren eignet sich für die Herstellung unterschiedlich
konfigurierter Achselemente, insbesondere aber für die Herstellung von Schwenklagern
(Anspruch 8).
[0018] Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in schematischen Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- ein stabförmiges Halbzeug aus Aluminium;
- Figur 2
- das Halbzeug aus Figur 1 mit einem aufgestauchten ersten Ende;
- Figur 3
- das zu einem Vorschmiedestück umgeformte Halbzeug gemäß Figur 2 mit einem angeformten
Schenkel an seinem anderen Ende;
- Figur 4
- ein aus dem Vorschmiedestück gemäß Figur 3 endgeformtes Schwenklager;
- Figur 5
- im Schnitt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei in einem ersten
Verfahrensschritt das erste Ende des Halbzeugs aufgestaucht wird, und
- Figur 6
- die Vorrichtung gemäß Figur 5, wobei der Schenkel ausgeformt wird.
[0019] Figur 1 zeigt ein stabförmiges Halbzeug 1 aus Aluminium, konkret ein stranggepresstes
Rundmaterial. Dieses Halbzeug 1 wird in einem nicht näher dargestellten Fertigungsschritt
auf eine Temperatur von 450 °C erwärmt und anschließend in zwei Schritten umgeformt.
[0020] Der erste Fertigungsschritt ist ein Aufstauchen des ersten Endes 2 des Halbzeugs
1 auf einen Durchmesser D2, der gegenüber dem Durchmesser D1 des Halbzeugs 1 annähernd
doppelt so groß ist. Die verbleibende ungestauchte Länge L2 des Halbzeugs 1 beträgt
etwas mehr als die Hälfte der Ausgangslänge L1 des ungestauchten Halbzeugs 1.
[0021] Das Aufstauchen des Halbzeugs 1 erfolgt in einem Umformwerkzeug 3 gemäß Figur 5.
Hierzu wird das Halbzeug 1 in eine Gravur 4 des Umformwerkzeugs 3 eingelegt und von
dem Umformwerkzeug 3 umschlossen. Ein erster Stempel 5 wirkt auf das erste Ende 2
des Halbzeugs 1 ein und staucht dieses entsprechend der Konturierung der Gravur 4
des Umformwerkzeugs 3 auf. Das erste Ende 2 erfährt eine Umformung zu einem zylindrischen
Endabschnitt 6 mit dem Durchmesser D2 (vgl. Fig. 2), der über einen konischen Zwischenabschnitt
7 zu dem Durchmesser D1 des Halbzeugs 1 verjüngt wird.
[0022] Damit beim Aufstauchen das Halbzeug 1 sicher in dem Umformwerkzeug 3 gehalten ist,
bringt ein weiterer Stempel 8 eine Gegenhaltekraft auf das zweite Ende 9 des Halbzeugs
1 auf.
[0023] Nach dem Aufstauchen dient der erste Stempel 5 als Gegenhalter, während der zweite
Stempel 8 das zweite Ende 9 des Halbzeugs 1 in die Gravur 4 presst. Hierbei wird das
verpresste Material einer endseitig offenen Abzweigung 10 der Gravur 4 zugeführt,
wobei ein Schenkel 11 am zweiten Ende 9 des Halbzeugs 1 ausgeformt wird, wie er an
dem aus dem Halbzeug 1 hergestellten Vorschmiedestück 12 gemäß Figur 3 zu erkennen
ist. Der Schenkel 11 ist entsprechend der Kontur der Abzweigung 10 so ausgebildet,
dass sich durch das Fließpressen ein günstiger Faserverlauf im Vorschmiedestück ergibt,
das heißt, dass die Abzweigung 10 bzw. der Schenkel 11 im Übergang an die das Halbzeug
1 aufnehmende Längsgravur mit Radien versehen ist, so dass sich ein fließender Übergang
ergibt.
[0024] In einem nicht näher dargestellten weiteren Verfahrensschritt wird das zu dem Vorschmiedestück
12 umgeformte Halbzeug 1 aus dem Umformwerkzeug 3 entnommen und auf eine Schmiedetemperatur
von etwa 520 °C erwärmt. Anschließend wird das in Figur 3 dargestellte Vorschmiedestück
12 zu dem in Figur 4 gezeigten Schwenklager schmiedetechnisch endgeformt.
Bezugszeichenaufstellung
[0025]
- 1 -
- Halbzeug
- 2 -
- erstes Ende v. 1
- 3 -
- Umformwerkzeug
- 4 -
- Gravur in 3
- 5 -
- erster Stempel
- 6 -
- zylindrischer Endabschnitt v. 2
- 7 -
- konischer Zwischenabschnitt v. 2
- 8 -
- zweiter Stempel
- 9 -
- zweites Ende v. 1
- 10 -
- Abzweigung v. 4
- 11 -
- Schenkel
- 12 -
- Vorschmiedestück
- 13 -
- Schwenklager
- L1 -
- Länge v. 1
- L2 -
- Länge v. 2
- D1 -
- Durchmesser v. 1
- D2 -
- Durchmesser v. 2, 6
1. Verfahren zur Herstellung eines Achselementes für Kraftfahrzeuge, bei welchem ein
stabförmiges Halbzeug (1) aus Aluminium auf eine Umformtemperatur erwärmt und das
erste Ende (2) des Halbzeugs (1) in einer Gravur (4) eines Umformwerkzeugs (3) von
einem ersten Stempel (5) aufgestaucht wird, anschließend das zweite Ende (9) von einem
zweiten Stempel (8) in die Gravur (4) gepresst wird, wobei verpresstes Material in
eine Abzweigung (10) der Gravur (4) zu einem Schenkel (11) ausgeformt wird und danach
das zu einem Vorschmiedestück (12) umgeformte Halbzeug (1) in einem Schmiedevorgang
endgeformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (9) des Halbzeugs (1) gegen die Haltekraft des ersten Stempels (5)
in die Gravur (4) gepresst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformtemperatur niedriger ist als 520 °C.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Umformtemperatur zwischen 420 °C und 480 °C liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass das erste Ende (2) des vorgeformten Halbzeugs (1) vor dem Schmiedevorgang in einem
zweiten Umformwerkzeug ein weiteres Mal gestaucht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass das Vorschmiedestück (12) vor dem Schmiedevorgang auf eine Schmiedetemperatur erwärmt
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiedetemperatur etwa 520 °C beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass das Achselement ein Schwenklager (13) ist.