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Die Komponenten eines (Rallye-)fahrzeugs sind extremen Bedingungen ausgesetzt. Damit diese ihren Einsatzzweck schadlos überstehen, setzen die Zulieferer der Automobilindustrie auf Massivumformung. So kommen im Bereich der Kaltumformung beispielsweise bei Hirschvogel Automotive hydraulische Pressen zum Einsatz, wie der vorliegende Beitrag anschaulich beschreibt.

Man muss kein professioneller Rallyefahrer sein, um seinem Auto im ganz normalen Alltag so einiges an Belastungen abzuverlangen. Achsen, Antriebsgelenke, Spurstangengelenke, Radträger, Radnaben und Achsträger halten im Laufe ihres Einsatzes gewaltigen Mengen an Stößen, Zügen und Kräften stand. Wenn etwa das Fahrwerk eines durchschnittlich 150.000 km lang genutzten Pkws auf einer Strecke von 100 Metern nur zweimal einfedert, heißt das, dass jedes Teil des Fahrwerks im Laufe seines Lebens mindestens 3 Millionen Mal dieser Belastung ausgesetzt ist. Von Radaufhängungen und Achsen erwartet man dementsprechend extreme Widerstandskraft und Verschleißfestigkeit, damit sie die mechanischen Stöße unebener Fahrbahnen schadlos überstehen.

Mit ihren gut 150 Tonnen Eigengewicht sind sie nicht gerade leichtgewichtig, die Pressen, die in Einzelteilen in der Fertigungshalle ankommen und dort montiert werden.

Gleichzeitig sollen diese Bauteile moderner Fahrzeuge bei hoher Stückzahl gleichbleibend hochgradig präzise geformt sein, damit sie passgenau eingebaut werden können. Diese Anforderungen setzen die Zulieferer der Automobilindustrie um, indem sie die Verfahren der Massivumformung nutzen. Die deutsche Massivumformung ist klarer Marktführer in Europa und die Nummer 2 der Welt. In Deutschland wurden im Jahr 2011 knapp 2,9 Millionen Tonnen oder rund zwei Milliarden Teile massivumgeformt, und davon gut ein Drittel exportiert.

Gleichbleibend hohe Qualität deutscher Erzeugnisse
Angesichts der niedrigeren Lohnkosten beispielsweise in Asien ist das auch ein Hinweis auf die überlegene und verlässlich gleichbleibend hohe Qualität der deutschen Erzeugnisse. Grund genug, sich die faszinierende Technik der Umformung von Stahlrohlingen einmal genauer zu betrachten. Einer der weltweit größten Automobilzulieferer auf dem Gebiet der Massivumformung und Zerspanung ist die Hischvogel Automotive Group. Ihre Firmenzentrale liegt im bayerischen Denklingen, einer Gemeinde übrigens, die mit ihren drei Gemeindeteilen insgesamt auf 2500 Einwohner kommt, aber mit Hirschvogel einen Arbeitgeber beherbergt, der weltweit 3500 Mitarbeiter beschäftigt, davon 1700 in Denklingen. So etwas gibt es wohl nur bei Familienunternehmen, die über die Jahrzehnte permanent gewachsen sind. Spezialgebiet des Unternehmens sind hochwertige Komponenten für die Bereiche Einspritzung, Getriebe, Antriebsstrang, Fahrwerk und Motor. Diese Teile werden zum Teil einbaufertig bearbeitet und fallweise zu Baugruppen wie einbaufertige Ausgleichswellen montiert.

Dr. Dirk Landgrebe (links) ist bei der Hirschvogel Automotive unter anderem dafür zuständig, dass die Produktion weltweit das richtige Equipment für effiziente und sichere Arbeit bekommt.

In der Denklinger Fertigungshalle stehen einige der weltweit 100 Pressenlinien Hirschvogels, die alle modernen Verfahren der Massivumformung ausführen und unter anderem vom ebenfalls sehr erfolgreichen Göppinger Pressenhersteller Schuler stammen. Das Umformverhalten von Stahl ist abhängig von der Temperatur. Die Warmumformung findet bei hohen Temperaturen von rund 1250 °C statt. In diesem Temperaturbereich ist der Stahl weich und mit verhältnismäßig geringen Kräften formbar. Das Gesenkschmieden ist dabei generell das mit Abstand verbreitetste Verfahren. Das Werkzeug hierzu, das sogenannten Gesenk, ist zweigeteilt. Nach dem Einlegen des rotglühenden Rohlings in das geöffnete Gesenk wird dieses maschinell zusammengedrückt. Durch den Druck fließt der Stahl ins Werkzeug und nimmt dabei die gewünschte Geometrie an. Die Warmumformung ermöglicht Umformgrade, die etwa bei der Kaltumformung nicht erreicht werden.

Kein Grund, statt Pulli nur T-Shirt zu tragen
Die Kaltumformung findet bei Raumtemperatur statt. Bei dieser Temperatur ist der Stahl hart und die Umformung erfordert hohe Kräfte. Beim sogenannten Fließpressen drückt ein Stempel den Werkstückrohling mit bis zu 4000 Tonnen Druck durch eine formgebende, im Querschnitt verminderte Werkzeugöffnung. Letztlich ist aber die Umformbarkeit von kaltem Stahl begrenzt. Welches Verfahren zur Anwendung kommt, hängt vom jeweiligen Werkstück ab: Die Kurbelwelle eines Pkws wird bei etwa 1200 °C warmumgeformt, hingegen eine Getriebewelle aus einem Pkw-Getriebe entsteht mittels Kaltumformung.

In mehreren Umformschritten wird aus dem Rohling eine Getriebewelle geformt. Die Teile werden dabei von einem automatisierten Roboter von einer Station zur nächsten gehoben.

„Metallumformung ist so etwas wie schmieden“, denkt sich der Laie, hat dabei Bilder von glühenden Hochöfen und Fontänen magmaartiger Metalltropfen im Kopf und vermutet erstmal in einer entsprechenden Fertigungshalle Raumtemperaturen von weit über 70 Grad – dem ist aber mitnichten so. Eine angenehme Wärme zwar, aber kein Grund, statt Pulli nur T-Shirt zu tragen. Dagegen ist es verhältnismäßig laut, so dass die eingehende Erläuterung der verschiedenen Verfahren und Pressentypen besser im Büro des Leiters im Bereich Corporate Engineering, Dr. Dirk Landgrebe, stattfindet. Zunächst ist klarzustellen, dass zwar die Kräfte, die zur Formung von heißem und damit weicherem Stahl aufgewendet werden müssen, wesentlich geringer sind als in der Kaltumformung, trotzdem aber die kalte Variante die deutlich weniger energieintensive ist – die meiste Energie wird beim induktiven Erwärmen der Stahlrohlinge benötigt.

Weiterer Vorteil der Kaltumformung ist die erreichbare extrem präzise Oberflächenqualität. Hier sind auch kleine Verzahnungen mit einer Oberflächengüte der IT 9 bis 8 zu realisieren. Und es entfallen zahlreiche Nachbearbeitungsschritte, die sich der Warmumformung anschließen müssen, wie die Entfernung der Verzunderung, also eine durch Oxidation während des Abkühlungsprozesses entstehende, harte Schicht auf der Metalloberfläche, die es beim Kaltverfahren gar nicht erst gibt.

Beispiel einer automatisierten hydraulischen 4-Stufenpresse für die Kaltmassivumformung.

Über 1 Million Stück pro Jahr
Für die verschiedenen Verfahren stehen unterschiedliche Pressentypen zur Verfügung. Im Bereich der Kaltumformung werden in Denklingen hydraulische Pressen eingesetzt. Für den Betrieb in der Warmumformung sind diese nur bedingt geeignet, da sie etwas langsamer sind als mechanische Pressen, so dass zum einen das Werkstück während des Umformvorgangs zu stark abkühlen kann, andererseits die Druckberührzeit aus einem anderen Aspekt heraus dann doch wieder zu lang ist. Zwar sind die Umformwerkzeuge aus speziellem, gehärteten Stahl, teilweise noch mit keramischem Überzug, aber der lange Kontakt mit dem erhitzten Rohling lässt die Werkzeuge deutlich schneller verschleißen als bei der Kaltumformung.

Unter guten Bedingungen kann ein solches Umformwerkzeug 60.000 bis 100.000 Teile erzeugen, bevor es ausgewechselt werden muss. Das entspricht dem Volumen, das ein Bauteil mindestens pro Jahr ausmachen sollte. Einzelne Anlagen können aber auch über 1 Million Stück pro Jahr produzieren – je nach Werkstück. Umgekehrt ist Kaltumformung ab einem gewissen Grad an Querschnittsverminderung beim Werkstück überhaupt nur durch den Einsatz von hydraulischen Anlagen möglich. Die Kraft muss über den ganzen Hub hinweg gleichmäßig und konstant vorhanden sein. Bei einer mechanischen Presse über eine Kurbelwelle liegt diese Maximalkraft aber nur im unteren Totpunkt an, die Nennkraft nur in den unteren 20 Prozent des Hubes, und reicht somit nicht für den vollständigen Umformvorgang über die ganze Strecke hinweg aus. Die besonderen Anforderungen des Pressenbetriebs spiegeln sich auch im Aufbau des hydraulischen Systems in der Fertigung wieder. Während des gesamten Arbeitshubes muss der Öldruck im Hauptzylinder konstant auf 300 bis maximal 400 bar gehalten werden, bis sich 900 bis 2500 Tonnen Druck auf das Werkstück entladen haben. Ist der Pressvorgang abgeschlossen, wird die Förderrichtung des Ölflusses mittels Ventilsteuerung umgekehrt, um den Zylinder wieder anzuheben. In diesem Moment des Richtungswechsels entfällt der vorher anliegende Druck mit einem Mal vollständig, was einen Druckschlag im Leitungssystem erzeugt, der von den Rohrverbindungen abgefangen werden muss. Dieser Vorgang beansprucht die Rohrleitungen stark, zumal er sich mehrmals pro Minute wiederholt. Aus diesem Grund gibt es für die hydraulischen Anlagen in der Kaltumformung keine zentrale Druckstation mit meterlangen Zuführungen. Vielmehr steht oben auf dem Dach jeder einzelnen Hydraulikpresse eine eigene, separat angesteuerte Ölpumpe mit direktem Anschluss an die Ventile, um die Wege zum Druckverbraucher so kurz wie möglich zu halten.

Schematische Darstellung verschiedener Formgebungsverfahren in der kaltumformenden Fließpressentechnik. Das orange dargestellte Werkstück wird jeweils vom Stempel in die Form gepresst.

Niederlassungen rund um den Globus
Stickstoffkolben als Druckspeicher werden nicht grundsätzlich, sondern nur dann verwendet, wenn die Pumpe den angeforderten Volumenstrom nicht leisten kann. Ansonsten bedient die Ölpumpe den Hauptzylinder direkt.

Die derart spezialisierte Firma Hirschvogel betreibt Niederlassungen unter anderem in Indien, China, den USA und Polen. Mit einem weiteren Standort in Brasilien rückt Hirschvogel dann auch näher an den Austragungsort der wohl berühmtesten Motorrallye der Welt, der Dakar, heran und es ist anzunehmen, dass die Produkte des Denklinger Unternehmens sich auch dort bewähren würden.

Autor: Ragna Sonderleittner, freie Journalistin für fluid