Der wesentliche Schmiedeprozess für Kardangelenke

Zusammenfassung

Der Schmiedeprozess für Kardangelenke ist ein anspruchsvolles Fertigungsverfahren, bei dem hochwertige Stahllegierungen unter extremem Druck geformt werden, um robuste, langlebige Bauteile herzustellen. Zu den wichtigsten Techniken gehören die Warmumformung, bei der das Metall über seine Rekristallisationstemperatur erhitzt wird, um eine einfachere Formgebung zu ermöglichen, sowie die Kaltumformung zur Erhöhung der Präzision. Bei diesem Verfahren kommen Pressen mit hoher Tonnage und spezielle Gesenke zum Einsatz, um die Hauptteile wie Gabeln und Kreuze zu formen, wodurch eine hervorragende Festigkeit und eine durchgängige Kornstruktur gewährleistet werden, die für Anwendungen unter hoher Belastung unerlässlich ist.

Gelenkwellen und der Vorteil des Schmiedens verstehen

Ein Gelenk, oft als Gelenkzapfen bezeichnet, ist eine wichtige mechanische Kupplung, die rotierende Wellen verbindet und es ihnen ermöglicht, Drehmoment und Bewegung zu übertragen, auch wenn sie in einem Winkel zueinander stehen. Diese Flexibilität ist in unzähligen Anwendungen unerlässlich, von Fahrzeugantriebswellen und Lenksystemen bis hin zu industriellen und landwirtschaftlichen Maschinen. Das Gelenk besteht typischerweise aus zwei Gabeln, die durch ein kreuzförmiges Element oder einen Kreuzkopf verbunden sind, der Lager enthält, um eine reibungslose Rotation zu gewährleisten.

Schmieden ist das bevorzugte Fertigungsverfahren für diese Komponenten, da es ihnen eine außergewöhnliche Festigkeit verleiht. Im Gegensatz zum Gießen oder Bearbeiten aus massivem Rohling wird beim Schmieden das Metall durch kontrollierte Verformung geformt, wodurch die innere Kornstruktur des Materials mit der endgültigen Form des Bauteils ausgerichtet wird. Dadurch entsteht ein kontinuierlicher Kornfluss, der den Konturen des Gabelkopfs und des Kreuzes folgt, was zu hervorragender Zugfestigkeit, Ermüdungswiderstand und Schlagzähigkeit führt. Diese strukturelle Integrität ist entscheidend für eine Komponente, die während ihrer gesamten Nutzungsdauer ständigen, komplexen und wechselnden Belastungen standhalten muss.

Die Werkstoffauswahl für Gelenkwellen wird durch diese anspruchsvollen Bedingungen bestimmt. Hochwertige legierte Stähle sind die Standardwahl, da sie über hervorragende Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit verfügen. Zum Beispiel werden mittelkohlenstoffhaltige Stähle wie der Stahl 45 häufig für Komponenten wie die Gelenkwelle-Gabel verwendet. In einigen speziellen Anwendungen, insbesondere solchen mit hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, können Edelstahllegierungen eingesetzt werden, und Oberflächen können beschichtet werden, um die Reibung zu verringern und Kaltverschweißung zu verhindern.

Kernschmiedeverfahren: Warm- vs. Kaltumformung

Die Herstellung von Gelenkwellen basiert hauptsächlich auf zwei Schmiedeverfahren: dem Warm- und dem Kaltumformen. Die Wahl zwischen diesen Verfahren hängt vom jeweiligen Bauteil, den erforderlichen Materialeigenschaften und der Produktionsmenge ab. Jedes Verfahren bietet eine eigene Kombination aus Vorteilen und Nachteilen hinsichtlich Präzision, Festigkeit und Kosten.

Warmumformen ist die gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Gelenkwelle-Komponenten wie dem Kreuzgelenk. Bei diesem Verfahren wird der Stahlblock auf eine Temperatur über seinen Rekristallisationspunkt erhitzt. Diese extreme Hitze macht das Metall formbar und plastisch, sodass es mit geringerem Druck einer Schmiedepresse oder eines Hammers geformt werden kann. Der Hauptvorteil des Warmumformens besteht darin, dass komplexe 3D-Geometrien und große Verformungen relativ leicht erzeugt werden können, was es ideal für die komplizierte Form eines Kreuzgelenks macht. Außerdem verfeinert es die Kornstruktur des Metalls, beseitigt Porosität und erhöht die Zähigkeit.

Kaltformung , wird dagegen bei oder nahe der Raumtemperatur durchgeführt. Dieser Prozess erfordert deutlich mehr Druck, um das Metall zu formen, bietet jedoch eine überlegene Maßhaltigkeit, eine bessere Oberflächenqualität und erhöhte Festigkeit durch ein Phänomen, das als Kaltverfestigung bekannt ist. Obwohl die Kaltschmiedung für die Erstformung komplexer Teile wie der Kreuze weniger verbreitet ist, kann sie für bestimmte Bauteile oder als sekundärer Nachbearbeitungsprozess eingesetzt werden, um enge Toleranzen ohne umfangreiches maschinelles Bearbeiten zu erreichen.

Hier ist ein Vergleich der beiden Hauptverfahren:

Der schrittweise Herstellungsprozess

Die Herstellung eines Kardangelenks durch Schmieden ist ein mehrstufiger Prozess, der einen einfachen Stahlstab in ein leistungsfähiges mechanisches Bauteil verwandelt. Jeder Schritt wird sorgfältig überwacht, um sicherzustellen, dass das Endprodukt strengen Qualitäts- und Haltbarkeitsstandards entspricht. Obwohl sich die genauen Details unterscheiden können, folgt der allgemeine Arbeitsablauf einem klaren, sequenziellen Pfad.

1. Materialvorbereitung und Schneiden: Der Prozess beginnt mit der Auswahl von hochwertigen Stahllegierungsstäben. Diese Stäbe werden auf Qualität geprüft und anschließend in exakte Längen geschnitten, die als Barren oder Knüppel bezeichnet werden. Das Gewicht und Volumen jedes Barrens wird berechnet, um sicherzustellen, dass gerade genug Material vorhanden ist, um den Formhohlraum vollständig auszufüllen und Abfall (sogenannter Grat) zu minimieren.
2. Erhitzen (für Warmumformung): Die geschnittenen Barren werden zu einem Ofen, oft ein Induktionsofen, transportiert, wo sie auf die optimale Schmiedetemperatur erhitzt werden. Bei Stahl liegt diese typischerweise zwischen 1100 °C und 1250 °C. Dieser Schritt ist entscheidend, um das Metall formbar genug zu machen, um es unter Druck verformen zu können.
3. Schmieden und Formen: Der erhitzte Barren wird schnell in die untere Hälfte eines speziell konstruierten Matrizenpaares innerhalb einer hochtonnagigen Schmiedepresse eingelegt. Die Presse übt dann einen enormen Druck aus, wodurch sich das plastische Metall verformt und den Hohlraum der Matrize ausfüllt, der die Form des gewünschten Bauteils hat (z. B. ein Gelenk oder eine Kreuzgabel). Dies ist oft ein mehrstufiger Prozess, der eine Vorschmiedestufe zur groben Vorformung und eine Endschmiedestufe zur Erzielung der endgültigen Geometrie und feinen Details umfasst.
4. Kürzen: Nach dem Schmiedevorgang weist das Teil entlang der Kanten eine dünne Linie aus überschüssigem Material auf, an der sich die beiden Hälften der Matrize trafen. Dieser Überschuss, Flash genannt, wird in einer Trimm- oder Entgratpresse entfernt. Der Flash wird später recycelt.
5. Wärmebehandlung: Um die gewünschten endgültigen mechanischen Eigenschaften zu erreichen, werden die geschmiedeten Bauteile einer Wärmebehandlung unterzogen. Wie von HYB Gelenkwelle beschrieben, umfasst dies Verfahren wie Abschrecken (schnelle Abkühlung) zur Härtung des Stahls und Anlassen (erneutes Erwärmen auf eine niedrigere Temperatur), um die Zähigkeit zu erhöhen und die Sprödigkeit zu verringern. Einige Teile können außerdem carboniert werden, um eine harte, verschleißfeste Oberfläche zu erzeugen.
6. Endbearbeitung und Maschinelle Bearbeitung: Obwohl das Schmieden eine nahezu fertige Form erzeugt, ist eine präzise maschinelle Bearbeitung erforderlich, um die endgültigen engen Toleranzen für Lagerflächen und Verbindungspunkte zu erreichen. Vorgänge wie Bohren, Schleifen und Drehen werden mit CNC-Maschinen durchgeführt, um perfekte Passgenauigkeit und einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen.
7. Montage und Qualitätskontrolle: Abschließend werden die einzelnen Komponenten – Gabeln, Kreuzstück und Lager – zusammengebaut. Während des gesamten Prozesses werden strenge Qualitätskontrollen durchgeführt, einschließlich dimensionsbezogener Prüfungen und Dauerhaltbarkeits-Tests, um sicherzustellen, dass jedes Gelenk den Leistungsanforderungen entspricht.

Schmieden spezifischer Komponenten: Gabeln und Kreuze

Die Hauptkomponenten des Kardangelenks, die Gabel und das Kreuz, weisen unterschiedliche Geometrien auf, die spezielle Schmiedewerkzeugauslegungen und prozesstechnische Überlegungen erfordern. Die Optimierung dieser Prozesse ist entscheidend, um die Materialausnutzung zu verbessern, die Werkzeuglebensdauer zu verlängern und die strukturelle Integrität des fertigen Bauteils sicherzustellen.

Schmieden der Kardangelenk-Gabel

Die Kardangabel, auch Yoke genannt, ist eine typische gabelförmige Schmiedung mit erheblichen Unterschieden in der Metallverteilung. Ihre komplexe Form mit schmalen, hohen Stegen erschwert eine effiziente Herstellung durch Schmieden. Herkömmliche Methoden können zu einer schlechten Materialflussführung führen, was an einigen Stellen übermäßigen Anschnitt und an anderen Stellen unvollständiges Füllen zur Folge hat. Dies verschwendet nicht nur Material, sondern führt auch zu einer beschleunigten Werkzeugbeanspruchung und erfordert höhere Schmiededrücke.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurden fortschrittliche Verfahren wie ein halbgeschlossener Vorschmiedprozess entwickelt. Wie in einer Analyse von Xinlong Machinery , beinhaltet dies die Neugestaltung der Werkzeugstruktur, um den Metallfluss besser zu kontrollieren und in die erforderlichen Hohlräume zu lenken, anstatt in den Flash-Kanal zu gelangen. Durch die Optimierung der Vorformgestaltung und der Werkzeuganordnung können Hersteller die Materialausnutzung von etwa 61,5 % auf 75 % oder mehr erhöhen, die endgültige Schmiedekraft erheblich reduzieren und die Standzeit der Werkzeuge mehr als verdoppeln.

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Schmieden der Querwelle

Die Kreuzwelle, auch Spinnenwelle genannt, ist das zentrale Bauteil, das die beiden Gabeln verbindet. Ihre vierarmige Geometrie ist ein klassisches Beispiel für ein komplexes 3D-Teil, das sich ideal für das Gesenk-Schmieden im Warmumformverfahren eignet. Der Prozess muss sicherstellen, dass die Kornstruktur kontinuierlich vom Zentrum durch jede der vier Achsstummel (oder Zapfen) verläuft. Dies ist entscheidend, um die Torsions- und Biegekräfte standzuhalten, die während des Betriebs auftreten.

Der Schmiedeprozess für eine Kreuzgelenk-Welle umfasst das Pressen eines erhitzten Stahlblockes in einem Gesenk, wodurch sich das Material in die vier Arme der Kreuzform ausdehnt. Die Gestaltung des Vorformteils und des Gesenks ist entscheidend, um eine vollständige Füllung der Form ohne Fehler sicherzustellen. Nach dem Schmieden wird die Kreuzwelle einer Wärmebehandlung, wie zum Beispiel Aufkohlen, unterzogen, um auf den Achsstummeln – dort, wo die Nadellager sitzen – eine sehr harte, verschleißfeste Oberfläche zu erzeugen, während gleichzeitig ein zäherer, duktilerer Kern erhalten bleibt, der Stoßbelastungen absorbieren kann.

Häufig gestellte Fragen

1. Welche 4 Arten von Schmiedeverfahren gibt es?

   Es gibt vier Hauptarten von Schmiedeverfahren, die zur Formgebung von Metall verwendet werden. Dazu gehören das Gesenkschmieden (auch Geschlossenes-Schmieden genannt), bei dem Metall zwischen zwei Matrizen gepresst wird, die eine präzise Form enthalten; das Flachschmieden, bei dem das Metall zwischen flachen Matrizen geformt wird, ohne eingeschlossen zu sein; das Kaltumformen, das bei Raumtemperatur für hohe Präzision durchgeführt wird; und das nahtlose Ringwalzschmieden, das zur Herstellung ringförmiger Bauteile verwendet wird.

2. Woraus bestehen Gelenkwellen?

   Gelenkwellen werden typischerweise aus hochfesten, wärmebehandelbaren Stahllegierungen hergestellt, um hohen Drehmomenten und Verschleiß standzuhalten. Häufig verwendete Materialien sind Kohlenstoffstähle wie 45-Stahl sowie verschiedene legierte Stähle. Für Anwendungen mit hohem Korrosionsschutzbedarf, beispielsweise in maritimen oder Offshore-Umgebungen, können Bauteile aus rostfreiem Stahl wie der Güteklasse 316L gefertigt werden. Beschichtungen wie PTFE können zusätzlich aufgebracht werden, um die Reibung zu verringern.

3. Was ist das Querschmiedeverfahren?

   Das Kreuzschmieden ist die Vorbearbeitung von Schmiedewerkzeugen in alternativen Ebenen zur Entwicklung mechanischer Eigenschaften. Für ein universelles Gelenkkreuz wird ein geschlossenes Druckverfahren verwendet, bei dem ein erhitzter Schiefer komprimiert wird, wodurch das Metall nach außen in die vier Hohlräume der Druckmaschine fließt. Bei einem universellen Gelenkkreuz wird ein geschlossener Verarbeitungsverfahren verwendet, bei dem ein erhitzter Schiefer komprimiert wird und das Metall in die vier Hohlräume der Kreuzung, die die Arme des Kreuzes bilden, nach außen fließt. Das Verfahren soll sicherstellen, dass die Druckmaschine vollständig gefüllt wird und dabei Abfallmaterial (Flash) minimiert wird.