Beitrag zum Umformfügeprozess einer Welle-Nabe-Verbindung durch Quer-Fließpressen

Abstract

Laut VDA-Jahresbericht 2014 wird im Bereich des Automobilbaus etwa 75 % der Wertschöpfung des Endproduktes in vor- und zwischengeschalteten Produktionsschritten bei Zulieferern erbracht [VDA14]. Zur Effizienzsteigerung der Wertschöpfungskette wird hierbei die Bündelung von Fertigungsschritten bzw. die Synchronisation mehrerer Produktionsschritte in der Zulieferkette bei einem TIER-1 Lieferant als Systemlieferant angestrebt. Die Kombination der beiden Grundverfahren Umformen und Fügen bietet beispielsweise eine Möglichkeit zur Erhöhung des Anteils an der Wertschöpfungskette bei einem solchen TIER-1 Lieferanten, wenn dieser zusätzlich zum Fügeprozess auch für die umformtechnische Herstellung der Einzelteile verantwortlich ist. Dies erfordert zum einen die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Fachgebiete Füge- und Umformtechnik und zum anderen die weitere wissenschaftliche Erforschung grundlegender Wirkzusammenhänge auf diesem Gebiet. Zur Steigerung der Attraktivität konventioneller Umformverfahren im Allgemeinen und dem Quer-Fließpressen im Speziellen untersucht diese Arbeit eine Verfahrenskombination aus Quer-Fließpressen einer Welle und dem gleichzeitigen Fügen dieser mit einer Nabe. Aufgrund der Verfahrensspezifika des umformtechnischen Fügens handelt es sich bei der hergestellten Welle-Nabe-Verbindung um einen sowohl kraft- bzw. reibschlüssigen als auch formschlüssigen nicht lösbaren Verbindungstyp. Der elastisch-plastische Umformprozess der Welle führt zu bleibenden elastischen Verformungen beider Fügepartner, wobei sich in der Kontaktfläche ein Gleichgewichtszustand aus Innendruck auf die Nabe und Außendruck auf die Welle einstellt. Insbesondere dünnwandige und gehärtete Naben sind aufgrund der ebenfalls vorhandenen tangentialen Zugspannungen und der Spannungsinhomogenität, verursacht durch das Nabeninnenprofil, anfällig hinsichtlich eines Sprödbruchs während des Umformfügens. Zur Vermeidung eines derartigen Versagensfalls während des Umformfügeprozesses kann prinzipiell zum einen werkzeugseitig eine radiale Nabenvorspannung realisiert werden. Zum anderen kann bauteilseitig eine Anpassung des Nabeninnenprofils zur Reduzierung der Kerbwirkung erforderlich werden. Eine weitere Herausforderung auf dem Gebiet des Umformfügens mittels Fließpressverfahren ist die Einstellung optimaler tribologischer Bedingungen. Im Gegensatz zum umformtechnischen Fügen im Bereich der Blechumformung treten beim Fließpressen signifikante Oberflächenvergrößerung der umgeformten Fügepartner auf. Dies wird beim Verfahren des gemeinsamen Fließpressens [Lang93] ausgenutzt, um annähernd stoffschlüssige Verbindungen in Form einer Kaltpressschweißverbindung zu erzeugen. Für den in dieser Arbeit betrachteten Fall des umformtechnischen Fügens sind daher während des Prozesses möglichst geringe Gleitreibungszahlen zum Erreichen hoher Formfüllungsgrade anzustreben. Nach dem Umformprozess sollten dahingegen hohe Haftreibungszahlen in der Kontaktfläche beider Fügepartner erreicht werden. Zur Lösung der oben genannten Herausforderungen und offenen Fragestellungen wird im Rahmen dieser Arbeit zunächst der Stand der Technik für die beiden Themengebiete Fließpressen (Kap. 2.1) und Umformfügen (Kap. 2.2) betrachtet und bereits bekannte Lösungen und Herangehensweisen analysiert. Nach der Ermittlung der relevanten Werkstoffkennwerte (Kap. 5) erfolgt eine numerische Prozessanalyse des Umformfügeprozesses (Kap. 7), die neben der Untersuchung unterschiedlicher Einflussfaktoren und der Festlegung von Versuchsparametern für die experimentelle Untersuchung die Grundlage für die Werkzeuggestaltung und -konstruktion (Kap. 6) bildet. Mit Hilfe eines segmentierten Werkzeuges zur einstellbaren, radialen Vorspannung der Naben während des Umformfügeprozesses werden im weiteren Verlauf der Arbeit drei Versuchsreihen durchgeführt (Kap. 8). Diese drei Versuchsreihen beschäftigen sich mit der Untersuchung des tribologischen Systems zwischen Welle und Nabe während und nach dem Umformfügeprozess, dem Einfluss des Nabeninnenprofils auf Vorgangs- und Kenngrößen der Verbindung und mit dem Einfluss der radialen Nabenvorspannung während des Umformfügeprozesses. In der ersten Versuchsreihe (Kap. 8.3), die die Analyse des tribologischen System umfasst, werden neben unterschiedlichen Oberflächentopografien beider Fügepartner auch verschiedene Schmierstofftypen untersucht sowie Haft- und Gleitreibungszahlen in der Kontaktfläche der Welle-Nabe-Verbindung ermittelt. In der nachfolgenden Versuchsreihe zum Einfluss des Nabeninnenprofils auf Vorgangs- und Verbindungskenngrößen (Kap. 8.4) werden die Hauptmerkmale des Nabeninnenprofils, bestehend aus Profilexzentrizität, Mitnehmeranzahl und Profiltyp variiert. Die letzte Versuchsreihe (Kap. 8.5) dient zur Ermittlung des Einflusses der radialen Nabenvorspannung durch das segmentierte Werkzeug auf Vorgangsgrößen und Bauteileigenschaften, wie beispielsweise die übertragbare Axialkraft, die sich ergebende Rundheitsabweichung oder den sich einstellenden Kontaktfugendruck in der Verbindung. Die Diskussion der numerischen und experimentellen Untersuchungsergebnisse (Kap. 9) führt alle erzielten Ergebnisse zusammen und vergleicht diese. Abschließend werden Empfehlungen zur Prozessführung und Bauteilgestaltung gegeben, welche zur Herstellung einer dünnwandigen Welle-Nabe-Verbindung mit gehärteter Nabe einzuhalten sind und welche Wirkzusammenhänge zwischen den genannten Einflussfaktoren und Prozesskenngrößen und Bauteileigenschaften bestehen. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass es möglich ist, Welle-Nabe-Verbindungen mit komplexen Nabeninnenprofilen und guten Bauteileigenschaften mittels Quer-Fließpressen der Welle herzustellen. Hierbei treten Bauteileigenschaften wie die Zunahme der Rundheitsabweichung oder das Vorhandensein von Eigenspannungen in der Nabe auf, die sich aufgrund des Herstellverfahrens lediglich reduzieren, sich jedoch nicht vollständig vermeiden lassen. Die für diesen konkreten Fall gewonnenen Erkenntnisse werden abstrahiert und dienen als Basis für allgemeingültige Prozessanforderungen sowie zu erwartende Komponenteneigenschaften nach dem umformtechnischen Fügen durch Kaltfließpressen (Kap. 9). Während sich diese Arbeit maßgeblich auf den Herstellungsprozess und einige Komponenteneigenschaften wie die erreichbare axiale Haftkraft oder die sich einstellenden Rundheitsabweichungen fokussiert, werden Verbindungseigenschaften, wie die dynamische und statische Torsionsfestigkeit von Hr. Michael Funk (Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, IKTD, Universität Stuttgart) betrachtet und analysiert. Diese Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit dem IKTD im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde (LI 1556/24-1 bzw. BI 746/10-1). Eine kurze Übersicht zu den ermittelten Verbindungseigenschaften ist ebenfalls in Kap. 9 zu finden.