IM FOKUS
Bild 3 : Auft
retende
Kolbenbolzenrisse
bei der Dauerfestigkeitsuntersuchung
moderner
Prozessketten
erfüllen.
Die konventionelle
Kolbenbolzenfertigung
bei der MAHLE group besteht
aus 16 Fertigungsstufen,
welche
sich in Umform,
Wärmebehandlungs
und
Zerspanungsoperationen
unterteilen
lassen.
Gegenüber
dieser
etablierten
Fertigungsfolge
verspricht
die jetzt entwickelte
Prozesskette
zur Herstellung
von Kolbenbolzen
mit helixförmiger
Innengeometrie
sowohl
technische
als auch wirtschaftliche
Vorteile
(Bild 4). Da die helixförmige
Innengeometrie
durch
Abstreckgleitziehen
erzeugt
wird, weisen
die Pressteile
eine
hohe
Maßgenauigkeit,
eine
hohe
Oberflächengüte
sowie
eine
gute
Werkstoffausnutzung
auf. Nachfolgende
spanende
Bearbeitungsschritte
können
dadurch
wesentlich
reduziert
werden
(Bild 4). Eine
vergleichende
Kostenbewertung
für die konventionelle
und die neu entwickelte
Prozesskette
zeigte,
dass die
Prozesszeit
zur Fertigung
des neu entwickelten
Kolbenbolzens
um zirka
33 Prozent
kürzer
ist. Weil mehrere
Fertigungsstufen
entfallen,
verringern
sich zudem
Werkzeugkosten
und Energieeinsatz.
ZUSAMMENFASSUNG
Der Einsatz
der neu entwickelten,
helixförmigen
Innengeometrie
bietet
die Möglichkeit,
das Gewicht
eines
Kolbenbolzens
zum
Beispiel
für einen
1,2-Liter
Verbrennungsmotor
um vier Prozent
zu reduzieren,
ohne
dabei
andere
Betriebseigenschaften
wie
Festigkeit
und Steifigkeit
zu verändern.
Erforderlich
ist allerdings
noch eine
Optimierung
des Umformprozesses
und eine
Anpassung
der Parameter
der Wärmebehandlung.
Die entwickelte
Technologie
kann leicht auf weitere
hohl gestaltete
Bauteile
des
Antriebsstrangs
übertragen
werden
und dadurch
auch zu einer
Gewichtsoptimierung
des gesamten
Fahrzeugs
beitragen.
Bild 4: Neue Prozesskette
zur Herstellung
von Kolbenbolzen
Bilder: Autoren
Eine
Analyse
der numerisch
ermittelten
Prozessgrößen
des
Abstreckens
untersuchte, welche
geometrischen
Parameter
der helixförmigen
Dorngeometrie
aus umformtechnischer
Sicht
prozesssicher
zu realisieren
sind. Dabei
konnten
die Konstrukteure
die Formfüllung
der Helixgeometrie
verbessern,
die
Prozesskräfte
reduzieren
und auch die Spannungsverteilung
im Dorn während
des Umform
und Auswurfvorganges
homogenisieren.
Diese
Arbeiten
zur prozesssicheren
Auslegung
des
Abstreckens
führten
schließlich
zu einer
vollständigen
Formfüllung
der Helix
mit niedrigen
Oberflächenrauigkeiten
und zu
einer
Reduzierung
des Kolbenbolzengewichts
um vier Prozent.
Im Rahmen
des Teilprojekts
untersuchte
die MAHLE Group
die Dauerfestigkeit
der Kolbenbolzen
mit helixförmiger
Innengeometrie,
die mithilfe
des aufgebauten
Versuchswerkzeugs
entstanden
waren.
Dazu
diente
ein Modellversuch,
der die Betriebsbelastung
des Kolbenbolzens
im Verbrennungsmotor
nachbildet
1. Um für die Dauerfestigkeitsuntersuchung
identische
Werkstoffeigenschaften
wie Zugfestigkeit,
Härte
und
Oberflächenbeschaffenheit
sicherzustellen,
wurden
die konventionellen
Kolbenbolzen
und die Bauteile
mit der helixförmigen
Innengeometrie
aus derselben
Werkstoffcharge
angefertigt
und gemeinsam
einsatzgehärtet.
Die Kolbenbolzen
mit
helixförmiger
Innengeometrie,
die vier Prozent
leichter
sind,
erfüllten
in diesem
Versuch
die geforderte
Mindestschwingspielzahl.
Jedoch
reduzierte
die helixförmige
Innengeometrie
des Kolbenbolzens
die Dauerfestigkeit
um etwa 25 Prozent.
Begründet
wird dies mit einer
– für diese
Belastungsart
untypischen
– Rissinitiierung
auf der Außenoberfläche
des Kolbenbolzens
(Bild 3). Nach aktuellem
Kenntnisstand
lässt sich diese
Rissbildung
vermutlich
auf eine
im Umformprozess
entstandene
Unterfüllung
der Innengeometrie
in Wechselwirkung
mit
einer
ungünstigen
Einstellung
von Prozessparametern
des
Einsatzhärtens
zurückzuführen.
Durch eine
Optimierung
der
Formfüllung
der Innengeometrie
und eine
Anpassung
von
Wärmebehandlungsparametern
wird diese
Versagensursache
in aktuellen
Arbeiten
derzeit
kompensiert,
um höhere
Schwingspielzahlen
im Dauerfestigkeitsversuch
zu erreichen.
TECHNISCHE
UND WIRTSCHAFTLICHE
BEWERTUNG
Neben
hohen
Ansprüchen
an die Bauteileigenschaften
muss
die Kolbenbolzenfertigung
auch wirtschaftliche
Anforderungen
24 massivUMFORMUNG | SEPTEMBER 2019