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Trends in der Kaltumformung:Ressourcen- und kosteneffiziente ProzesseTrends in cold forging:Resource and cost efficient processes

Dipl.-Ing. Reinhard Tampe, Dr.-Ing. Hans-Willi Raedt

Exit

„Werkstoffwoche 2015“, Dresden, 14. bis 17.09.2015

„Materialsweek 2015“, Dresden, September 14 to 17, 2015

2Contents


Gliederung

Structure

Exit

Vergleich von Umformprozessen: Energieverbrauch / CO2-Emissionen

Comparison of forging processes: Energy consumption / CO2-emissions

Hohlteile

Hollow forgings

Gepresste Verzahnungen

Forging of gears and splines

Technologiewechsel hin zur Kaltumformung

Parts newly claimed by cold forging

Werkstoffentwicklungen für die Kaltumformung

Material developments for cold forging

Initiative Massiver Leichtbau

Lightweight Forging Initiative

Fazit

Conclusion

Quelle Source: Hirschvogel

EUMUCO, hydraulische Kaltumformpresse, 4-stufig, 2000 t, 1000 mm Hub

EUMUCO, hydraulically cold forging press, 4-stage, 2000 t, 1000 mm lift

3Contents


Vergleich von Umformprozessen - Beispiel Getriebewelle

Comparison of forging processes - sample transmission shaft

Stangen vom StahlwerkSteel bars from steelwork

WarmumformungHot forging

KaltumformungCold forging

20,8

25,9

HalbwarmformungWarm forging

19,2

LD-Stahl (Linz-Donauwitz-Verfahren)*

LD steel (Linz Donauwitz process)

stehend ohne Grat Vertical without flash

EinsatzgewichtCharge weight

kg

5,2

3,8

3,2

2,6

2,4

CO2 – WertCO2 – value

kg

EnergiewertEnergy value

kWh

stehend ohne Grat Vertical without flash

4,2

liegend mit GratHorizontal with flash


*) Sauerstoffblasverfahren zur Stahlerzeugung durch Umwandlung von kohlenstoffreichem

Roheisen in kohlenstoffarmen Stahl.

4Contents

EinsatzgewichtCharge weight

%


Energiebilanz (prozentual)

Energy balance (percental)

Gesamtbilanz: Stahlherstellung und Umformung point balance: steel production andforging

CO2 – WertCO2 – value

%

EnergiewertEnergy value

%

Zusätzlicher Energieverbrauch 2)

additional energy consumtion• Transport zu Hirschvogel

Transport to Hirschvogel• Transport zu Kunden

Transport to customer• Tranport Schrott

Transport of scrap• Werkzeugverschleiß toolwear• Energie-/Werkzeugeinsatz

DrehenEnergy and tools for turning

▄▄▄▄

▄

▄▄

WarmumformungHot forging

Kaltumformung 1)

Cold forging

HalbwarmformungWarm forging

137

111

100

139

109

100

161

112

100


2) qualitative Bewertung

qualitative evaluation

1) Normierung auf 100%

normalisation to 100%

5Contents


Vergleich der Fertigungsprozesse

Comparison of production processes

Bohren versus Hohlteile

Drilling versus hollow forging

• A - Conventional manufacturing

Forging � Drilling

Disadvantage: High material volume

• B - Alternative manufacturing

Hollow forging without drilling

Advantage: Minimized material usage

� ressource efficient production

A

B


• A - Konventionelle Fertigung

Massivumformung � Bohren

Nachteil: Hoher Werkstoffverbrauch

• B - Alternative Fertigung

Umformung als Hohlteil ohne Bohren

Vorteil: Minimierter Werkstoffbedarf

� Ressourceneffiziente Produktion

6Contents


• Hohlwelle für Doppelkupplungsgetriebe

• Länge 360 mm (14,2 Zoll)

• Durchmesser Flansch 108 mm (4,3 Zoll)

• Fertigungsabfolge:

Kaltumformung � Bearbeitung �

Kaltumformung

• Hohlgeometrie durch Bearbeitung

nicht herstellbar

Getriebehohlwelle

Hollow transmission shaft

Getriebewelle

transmission shaft


• Hollow shaft for double clutch transmission

• Length 360 mm (14.2 inch)

• Diameter flange 108 mm (4.3 inch)

• Manufacturing sequence:

Cold forging � Machining � Cold forging

• Hollow shape impossible to manufacture

by machining

7Contents


Wellen mit Verzahnungen

Shaft with splines

• Kaltumgeformte Welle mit

A - gepresster einbaufertiger

Verzahnung

B - umgeformten Hinterschnitt

• einsatzhärtender Stahl

• Gewicht: 14,1 kg (31.1 lbs)

• Einsatz in NKW-Getrieben

Kaltumgeformte Welle mit gepresster Verzahnung

cold-forged shaft with pressed splines


• Cold-forged shaft with

A - forged assembly-ready splines

B - forged undercut

• Case-hardening steel

• Weight: 14.1 kg (31.1 lbs)

• Application in lorry transmission

A

B

8Contents


Lamellenträger: Verzahnung bis zum Grund

Disc drum: No fillet at base

• am Boden angebundene Verzahnung

• Warm-/Kaltumformung, C45

• Zwischenzerspanung / Weichbearbeitung

• Erheblich wirtschaftlicher als alternative

Herstellungsverfahren:

• geräumte Hülse, Schweißen des Bodens

oder

• gestoßene Verzahnung

Lamellenträger: umgeformt

Disc drum: forging


• Splines close to the ground

• Hot-/cold forging, C45

• Soft intermediate machining

• Significantly more economic than

alternative manufacturing routes:

• broached sleeve, welded to disc,

or

• slotted gears

9Contents


Hirth-Verzahnung

Hirth Gear

• Maximale Drehmomentübertragung auf

reduziertem Bauraum

• weitere Erhöhung der übertragbaren Drehmomente

durch Radialanbindung der Zähne möglich

• Keine Einschränkungen der Zahnpositionen beim

Umformen (z.B. in Vertiefungen)

• Keine Einschränkungen des Zahnflankenwinkels

• Ballige Ausführung möglich in axialer und radialer

RichtungStirnverzahnung

Face Gear


• Maximum torque transfer within restricted space

• Can be increased even further in case of radial

connection of teeth

• No limitation of tooth position in forging (e.g. in recesses)

• No limitation of tooth flank angle

• Crowning possible in axial and radial expansion

10Contents


Technologiewechsel hin zur Halbwarm- oder Kaltumformung

Parts newly claimed by warm or cold forging


Halbwarme Radnabe

Warm Forged Wheel Hub

• Herstellprozess: Halbwarmumformung

• Stahl: SAE 1050 (C50E)

• Wärmebehandlung: kontrollierte Abkühlung

• Sehr feines Korngefüge (ASTM 7 – 10)

� verbessertes Verhalten bzgl. Induktivhärten

• Optimierung Bauteilgeometrie,

z.B. durch Aufmaßreduzierung

• Manufacturing process: warm forging

• Steel: SAE 1050 (C50E)

• Heat treatment: controlled cooled

• Very fine grain (ASTM 7 - 10)

� improved induction hardening behavior

• Optimisation part geometry,

e.g. by reduction of machining allowance

ASTM: American Society for Testing and Materials

11Contents



Parts newly claimed by warm or cold forging


Halbwarme Radnabe

Warm Forged Wheel Hub

• Minimierter Bearbeitungsaufwand

• Reduzierung Materialabtrag (Anzahl der Schnitte)

• geringer Gesenkschrägenwinkel

� konstante Bearbeitungstiefe

• Induktivhärten auf der geschmiedeten Oberfäche

• Direkte (Hart-) Fertigbearbeitung (Lagersitz, Kugellaufbahn

3. Gen.) ohne Weichbearbeitung

• Minimized machining depth

• Reduced material removal (number of cuts)

• Low die draught angle

� constant machining depth

• Induction hardening on forging surface

• Direct (hard) fine finishing (bearing seat,

ball track 3. Gen.) without soft machining

12Contents



Parts newly claimed by warm or cold Forging

Quelle Source: Hirschvogel (Foto), NSK

• Komplett kalt umgeformte Radnabe

• Induktivhärtender Stahl

• Umformung durch Querfließpressen

• Gratlose Umformung

• Läuft in Serie in japanischen Kleinstfahrzeugen

• Completly cold forged wheel hub

• Inductive hardening steel

• Forging by lateral extrusion

• Flashfree forging

• Serial application in japanese micro cars

Kaltumgeformte Radnabe

Cold forged wheel hub

13Contents


• H2 steel can be cold forged, e.g.

into transmission shafts

• H2 offers high hardenability

• Hardenability is reached by low-

cost alloying elements

• Fundamental developments have

been accomplished

• Application tests at customers

ongoing


Einsatzstahl: H2 anstatt hochlegiertem Stahl / Härtbarkeit

Carburizing steel: H2 instead of high alloy steel / Hardenability

Härtbarkeit des H2; Härtewerte in HRC

Jominy-Values of H2; Hardness in HRC

Stahl

Steel

Streuband

VariationJ1,5 J5 J11 J20*)

20MnCrS5 +HH

Min. 41 36 28 23

Max. 49 48 42 37

16MnCr5mod (H2)

Min. 42 42 41 38

Max. 48 48 47 45

18CrNiMo7-6 +HMin. 40 39 36 32

Max. 48 46 44 41

• H2-Stahl ist kalt umformbar,

z.B. in Getriebewellen

• H2 bietet eine hohe Härtbarkeit

• Härtbarkeit durch kostengünstige

Legierungselemente realisiert

• Grundlagenuntersuchungen

liegen vor

• Anwendungsuntersuchungen

mit Kunden laufen

*) J - Schleifstifthärte

14Contents


Initiative Massiver Leichtbau

Lightweight Forging Initiative

Quelle Source: Lightweight Forging Initiative

• Including valuable contributions

from cold forging, e.g. fasteners

• beinhaltet wertvolle Beiträge

aus der Kaltumformung,

z.B. Befestigungselemente

Phase 1: Leichtbaupotenziale PKW

Phase 1: Lightweight potentials

passenger car

www.massiverLEICHTBAU.de

15Contents


Fazit

Conclusion


Vorteile der Kaltumformung:

� Herstellprozess mit hoher Ressourceneffizienz

� Herstellbarkeit von ressourceneffizienten Hohlbauteilen sowie einbaufertigen

Innen- und Außenverzahnungen

� Realisierbarkeit hoher Form- und Maßgenauigkeiten

Kaltumformung kommt verstärkt zum Einsatz und hat hohes Leichtbaupotenzial

Advantages of cold forging:

� Manufacturing process with high resource efficiency

� Manufacturability of resource efficient hollow shafts and ready-for-assembly forged

internal and external splines

� High level feasibility for accuracy of shapes and dimensions

Cold forgings find new applications and demonstrates high lightweight potential

16Contents


Trends in der Kaltumformung

Trends in cold forging


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Thank you for your kind attention!

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