EP1252947A2 - Verfahren zur Herstellung eines Achselementes für Kraftfahrzeuge - Google Patents

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EP1252947A2 EP02008689A EP02008689A EP1252947A2 EP 1252947 A2 EP1252947 A2 EP 1252947A2 EP 02008689 A EP02008689 A EP 02008689A EP 02008689 A EP02008689 A EP 02008689A EP 1252947 A2 EP1252947 A2 EP 1252947A2
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semi
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Michael Dr. Heussen
Bernard Comte
Vincent von Niederhäusern
Andreas Baak
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Benteler Automobiltechnik GmbH
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    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/76—Making machine elements elements not mentioned in one of the preceding groups
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/08—Upsetting
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    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/06—Making machine elements axles or shafts
    • B21K1/12—Making machine elements axles or shafts of specially-shaped cross-section

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an axle element for Motor vehicles.
  • Axle elements of motor vehicles in particular swivel bearings for the front axle, are relatively complex cast or forged one-piece designs Components made of cast steel or aluminum getting produced. Considerable forces act on pivot bearings, which is why these components are usually made from a solid material. For reasons the weight savings come increasingly light metals, such as aluminum, for use.
  • the object of the invention is to develop a method for Production of an axle element for motor vehicles from a rod-shaped To show semi-finished aluminum, in which the to be fed for forming The amount of energy is reduced and production-related material losses be reduced.
  • the solution according to the invention lies in a method for producing a Axle elements for motor vehicles, in which a rod-shaped semi-finished product Aluminum heated to a forming temperature and the first end of the semi-finished product in an engraving of a forming tool upset by a first stamp , then the second end of a second stamp in the engraving is pressed, with the pressed material in a branch of the Engraving is formed into a leg.
  • This then includes itself Forging process in which that has already been formed into a pre-forging Semi-finished product is finished.
  • the uniform mass distribution of the rod-shaped semifinished product, in particular a round material, with regard to the axis element to be manufactured is changed so that in areas with larger mass accumulations in a preliminary stage of the actual forging process more material is provided than in other areas and thus achieving a mass distribution similar to that of the axis element to be manufactured becomes.
  • the forming tool is engraved with a material thickening in discrete areas.
  • the first end immediately upset by the stamp. It can but also a recess of the engraving at a distance from the first end of the Semi-finished product can be provided, in which a material accumulation during the upsetting process resulting from pressed material.
  • the geometric shape of the engraving is taking into account certain diameter / compression length ratios established. To wrinkles on the surface too should avoid the upsetting length five times the diameter of the semi-finished product do not exceed.
  • the first stamp on the semi-finished product is used for upsetting approached and then moves at a speed of up to 150 mm / s to the specified upsetting length.
  • a second stamp is effective on the second end of the semi-finished product and press it into the engraving.
  • the pressed material flows backwards into a branch of the engraving, the is at an angle to the central longitudinal axis of the rod-shaped semi-finished product.
  • the pressed material is shaped into a leg.
  • the junction can be formed at half the compression length.
  • the engraving is advantageous designed that a neutral fiber in the area of the central longitudinal plane of the molded Leg is formed. This ensures that in the subsequent Finish forging in the die this neutral fiber into the ridge flows and thereby enables a flawlessly directed microstructure in the component becomes.
  • the neutral fiber is determined by the parameters Temperature of the forming tool and the semi-finished product, geometry of the Engraving and friction on the surface of the engraving in their recrystallization behavior affected. The optimal choice of these parameters is recrystallization reducible to a minimum.
  • the semi-finished product thus formed into a pre-forging is then finished in a forging process.
  • the sensible division of forces for Upsetting and backward extrusion are necessary, these operations advantageously be carried out in the horizontal direction.
  • the locking force acting on the forming tool is approximately ten times that of the force applied to the first stamp and the second stamp.
  • the second end of the semi-finished product pressed into the engraving against the holding force of the first stamp.
  • the first end of the preformed semifinished product before Forging process compressed again in a second forming tool.
  • This can be particularly advantageous if the first Stamp applied forces to emerge a certain amount allowed to exceed, so that material does not enter the junction of the Engraving flows, but only through the extrusion process through the second Stamp is placed in the branch in a controlled manner.
  • a second forming tool thus enables the pre-forging to be contoured even closer to the final shape.
  • the pre-forging before the forging process to heat to a forging temperature that is convenient above the recrystallization temperature is heated.
  • about 520 ° C is appropriate here (Claim 7).
  • Figure 1 shows a rod-shaped semifinished product 1 made of aluminum, specifically an extruded one Round material. This semi-finished product 1 is shown in a not shown Production step heated to a temperature of 450 ° C and then reshaped in two steps.
  • the first manufacturing step is an upsetting of the first end 2 of the semi-finished product 1 to a diameter D2, which is compared to the diameter D1 of the Semi-finished product 1 is approximately twice as large.
  • the remaining un-compressed Length L2 of the semi-finished product 1 is slightly more than half the initial length L1 of the semi-finished product 1.
  • the upsetting of the semi-finished product 1 takes place in a forming tool 3 according to Figure 5.
  • the semi-finished product 1 is engraved 4 in the forming tool 3 inserted and enclosed by the forming tool 3.
  • a first stamp 5 acts on the first end 2 of the semi-finished product 1 and compresses it accordingly the contouring of the engraving 4 of the forming tool 3.
  • the first End 2 undergoes a deformation into a cylindrical end section 6 with the Diameter D2 (see FIG. 2), which has a conical intermediate section 7 the diameter D1 of the semi-finished product 1 is tapered.
  • the first stamp 5 serves as a counterhold, during the second stamp 8 presses the second end 9 of the semi-finished product 1 into the engraving 4.
  • the compressed material of a branch 10 open at the end Engraving 4 supplied, with a leg 11 at the second end 9 of the semifinished product 1st is formed as it is made on the semi-finished 1 Pre-forging 12 according to Figure 3 can be seen.
  • the leg 11 is corresponding the contour of the branch 10 is formed so that the Extrusion results in a favorable fiber orientation in the pre-forging, that is, that the branch 10 or the leg 11 in the transition to the semi-finished product 1 receiving longitudinal engraving is provided with radii, so that a smooth transition results.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Achselements für Kraftfahrzeuge, insbesondere eines Schwenklagers, dient ein stabförmiges Halbzeug aus Aluminium als Ausgangsmaterial. Es wird auf eine Umformtemperatur erwärmt, wobei das erste Ende (2) des Halbzeugs in einer Gravur (4) eines Umformwerkzeugs (3) von einem ersten Stempel (5) aufgestaucht wird und anschließend das zweite Ende (9) von einem Stempel (8) in die Gravur (4) gepresst wird, wobei verpresstes Material in eine Abzweigung (10) der Gravur (4) zu einem Schenkel (11) ausgeformt wird. Der Umformvorgang erfolgt in einem einzigen Umformwerkzeug (3) bei einer Umformtemperatur kleiner als 520°C. Das derart zu einem Vorschmiedestück (12) umgeformte Halbzeug (1) wird anschließend auf eine Schmiedetemperatur von etwa 520 °C erwärmt und in einem Schmiedevorgang zu einem Schwenklager endgeformt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Achselements für Kraftfahrzeuge.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Das derart zu einem Vorschmiedestück umgeformte Halbzeug wird anschließend in einem Schmiedevorgang endgeformt.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
Das vorstehend geschilderte Verfahren eignet sich für die Herstellung unterschiedlich konfigurierter Achselemente, insbesondere aber für die Herstellung von Schwenklagern (Anspruch 8).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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

Claims (8)

  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.
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