Kaltfließpressen von Verzahnungen mit gezielter Reibflächenreduktion – Guided Material Flow (GMF)-Verfahren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450218053

Verzahnte Komponenten werden durch spanende oder umformende Verfahren, entsprechend der geforderten Verzahnungsgenauigkeiten hergestellt. Die spanende Fertigung der Verzahnung erlaubt heute recht hohe Verzahnungsgenauigkeiten, hat jedoch einen erheblichen Zeit- und einen erhöhten Materialeinsatz sowie eine verringerte Bauteilfestigkeit (als Rohteil) zur Folge. Durch Kaltumformung hergestellte Verzahnungen weisen dagegen eine gesteigerte Betriebsfestigkeit bei ebenfalls relativ hohe Verzahnungsgenauigkeiten auf. In der Praxis des Fließpressens werden Zahnräder heute mit dem sog. Samanta-Verfahren hergestellt. Dieser Prozess bedarf einer hohen Presskraft, wodurch kritische Spannungen und eine erhebliche elastische Verformung der Matrize auftreten. Ein Ansatz zur Presskraftreduktion und damit zur Steigerung der Verzahnungsgenauigkeit im Samanta-Verfahren besteht in der geometrischen Modifikation der Matrizenwirkfläche und der damit einhergehenden Begünstigung des Werkstoffflusses. Basierend auf dem Samanta-Verfahren wurde im Rahmen von Vorarbeiten zu diesem Antrag am IFU das sog. Guided-Material-Flow (GMF)-Verfahren konzipiert, mit welchem die Ausformung der Verzahnung durch gänzlich neuartig gestaltete Matrizenwirkflächen erfolgt. Diese Neugestaltung besteht in einer sowohl axialen Verlängerung als auch tangentialen und radialen Umgestaltung der Umformzone in Pressrichtung sowie aus einer Hinterschneidung der Verzahnungskavität. Die umgestaltete Matrizenwirkfläche führt zu einer sichtbaren Reduktion der max. Presskraft entlang eines verlängerten Umformweges bei gleichzeitig sich reduzierenden Kontakt- bzw. Reibflächen.Die Machbarkeit des Verfahrens wurde bisher numerisch und experimentell lediglich für eine Verzahnungsgeometrie gezeigt, wobei die geometrische Gestalt der Matrizenwirkfläche erfahrungsbasiert ausgelegt wurde. Der Forschungsschwerpunkt des Antrages bezieht sich daher im Wesentlichen auf die Erarbeitung einer Gestaltungsmethodik für die Konstruktion der Matrizenwirkfläche im GMF-Verfahren. Hierbei werden die Wechselwirkungen zwischen Matrizengeometrie und Werkstofffluss, der Einfluss des Werkstoffes, die tribologischen Verhältnisse einbezogen, um Implikationen auf die daraus resultierende Presskraft und die Formfüllung ableiten zu können. Diese Untersuchung soll numerisch mittels der FE-Simulationssoftware DEFORM durch Variation der umzuformenden Verzahnungsgeometrie und der geometrischen Ausprägung der Matrizenwirkfläche erfolgen. Anhand der numerischen Ergebnisse sollen Metamodelle erstellt werden, die zur geometrischen Optimierung der Matrizenwirkfläche beim GMF-Verfahren dienen. Ziel des Projektvorhabens ist damit die Erarbeitung von Gestaltungsgrundlagen für das Fließpressen von Verzahnungen mit gezielter Reibflächenreduktion mit diesem neuartigen Verfahren zur Herstellung auch andersartiger Verzahnungsgeometrien bei bestmöglicher Konturtreue und minimalem Krafteinsatz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen