Der Einfluss des Schmiedeverfahrens für Achsschenkel im Automobilbereich auf die Verarbeitungstechnologie

Der Achsschenkel ist ein zentrales Bauteil der Vorderachse und trägt maßgeblich zur Fahrstabilität und präzisen Lenkung bei. Er überträgt den Lenkeinschlag effektiv auf die Vorderräder, um die Fahrzeugspur rechtzeitig zu korrigieren und so die Fahrsicherheit zu gewährleisten. Zudem trägt er die Last der Vorderachse, lenkt die Vorderräder um den Achsschenkel und fängt die variablen Stoßbelastungen während der Fahrt ab. Daher muss der Achsschenkel nicht nur hochfest sein, sondern auch präzise gefertigt werden. Seine Geometrie ist komplex und erfordert die präzise Bearbeitung zahlreicher geometrischer Flächen. Die Positionierungsgenauigkeit der einzelnen Flächen muss hoch sein. Die Bearbeitungsgenauigkeit beeinflusst die Lenkpräzision des Fahrzeugs im Betrieb. In dieser Arbeit werden die durch zwei verschiedene Schmiedeverfahren hergestellten Schmiedeteile analysiert, der Einfluss der Trennform, der Toleranzverteilung und des Schmiedefehlers des Achsschenkels auf die Verarbeitungstechnologie untersucht und Empfehlungen für die Vorrichtungsgestaltung und die Auswahl der Positionierungsflächen im Verarbeitungsprozess gegeben.

Strukturelle Merkmale des Achsschenkels

Die Form des Achsschenkels ist relativ komplex und vereint die strukturellen Merkmale von vier Bauteiltypen: Welle, Bohrung, Scheibe und Gabelrahmen. Er besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: der Stützwelle, dem Flansch und dem Gabelrahmen. Die Stützwelle ist eine Stufenwelle mit einem rotierenden Körper, der aus einer koaxialen Außenzylinderfläche, einer Kegelfläche, einer Gewindefläche, einer Wellenschulter, einer Übergangsverrundung und einer zur Achse senkrechten Endfläche besteht. Der Flansch umfasst die Flanschfläche, die Durchgangsbohrung für die Verbindungsschraube und die Gewindebohrung für den Lenkanschlag. Der Gabelrahmen besteht aus den oberen und unteren Laschen sowie der Flanschfläche des Achsschenkels.
Aus schmiedetechnischer Sicht weist das Achsschenkel-Schmiedeteil folgende Merkmale auf: Die Stützwelle ist schlank, der Flansch groß und weist mitunter eine speziell geformte Oberfläche auf. Der Gabelrahmen ist um einen Winkel α von der Mittellinie der Stützwelle abgewinkelt und besitzt eine komplexe Form. Gemäß der Norm „GB12362-2003 Toleranzen und Bearbeitungszugaben für Gesenkschmiedeteile aus Stahl“ handelt es sich bei dem Schmiedeteil um ein typisches, komplex geformtes Gabelbauteil.

Bearbeitungsprozess für Lenkhebel

Der Hauptprozessablauf der Achsschenkelbearbeitung ist: Fräsen der Stirnfläche des Zapfens, Bohren der Zentrierlöcher an beiden Enden → Schruppen der Stirnfläche des Flansches und des Zapfens der Stützwelle → Vorschlichten und Fertigen des Stützzapfens, Verrunden, Fertigen des Flansches, Drehen des hinteren Gewindes → Bohren und Gewindeschneiden des Flanschgewindes → Schruppen und Feinfräsen der inneren und äußeren Stirnflächen der oberen und unteren Lagerringe → Schruppen und Fertigbohren des Achsschenkelbolzenlochs → Oberflächenhärten (falls erforderlich) → Fertigschleifen der großen und kleinen Lagerzapfen und Verrundungen → Gravurmarkierungen → Prüfung und Lagerung.

Der Einfluss von Schmiedeverfahren auf die Verarbeitungstechnologie

1. Schmiedeverfahren

Für die Herstellung von Achsschenkel-Schmiedeteilen gibt es zwei Schmiedeverfahren: das horizontale (ebenes) und das vertikale (vertikales) Trennen. Beim horizontalen Trennen dient die Mittelebene des Schmiedeteils als Trennfläche. Da sich der Querschnitt des Stützwellenteils deutlich von dem des Flansch- und Gabelrahmenteils unterscheidet, ist die Verteilung des Rohlings im Schmiedeprozess sehr komplex. Trotzdem entsteht an der Verbindungsstelle zwischen Stützwelle und Flansch ein großer Grat, der sich in axialer Richtung allmählich verringert, bis er am Ende die normale Breite erreicht. Die Materialausnutzung dieses Schmiedeverfahrens ist gering. Das vertikale Trennverfahren basiert auf der Mittelebene des Flansches und berücksichtigt die Gabelaussparungen auf beiden Seiten. Bei diesem Verfahren kann im Vorschmiedeverfahren geschlossene Schmiedetechnik eingesetzt werden. Dabei wird die Welle positiv und die Gabeln beidseitig negativ extrudiert, bevor im Endschmiedeverfahren die Formgebung und der Materialabtrag erfolgen.
Aufgrund unterschiedlicher Schmiedeverfahren beeinflussen die Trennflächenanordnung, die Bearbeitungszugabe sowie Schmiedefehler und Dickentoleranzen die Bearbeitung des Achsschenkels unterschiedlich. Dies zeigt sich insbesondere beim Bohren der Mittelbohrung in der Stirnfläche des Fräszapfens, beim Drehen und Schleifen des Stützzapfens (siehe Bearbeitung der Teile A und B in Abbildung 1) und der Stirnfläche des Flansches, beim Einbringen der Gewindebohrungen in den Flansch zur Verbindung von Achsschenkelarm und Bremse sowie bei der Bearbeitung der Gabelstirnfläche und der Achsschenkelbolzenbohrung des Gabelrahmens (siehe Bearbeitung der Teile C und D in Abbildung 1). Daher müssen bei der Auslegung der Bearbeitungstechnologie und der Auswahl der Auflagefläche für die Spannvorrichtung entsprechende Gegenmaßnahmen in Abhängigkeit vom jeweiligen Schmiedeverfahren getroffen werden.
Schematische Darstellung der Bearbeitungsteile für Achsschenkel
Abbildung 1 Schematische Darstellung der Bearbeitungsteile für Achsschenkel

2. Schmiedetoleranz und Anordnung der Bearbeitungszugaben
Beim Schmieden des Achsschenkels mit einem horizontalen Trenngesenk wird die Trennfläche üblicherweise an der größten Stelle gewählt. Wie in Abbildung 2 dargestellt, ist AA die Trennfläche des Schmiedeteils. Die Schmiederichtung verläuft senkrecht zu der Ebene, in der sich die Trennfläche befindet, also in Richtung BB. Das Schmiedeteil wird so durch Ober- und Untergesenk geformt. Die Bearbeitungszugabe der Schmiedeteile ist gleichmäßig auf die Stützwelle, die Stirnfläche des Flansches sowie die Stirnflächen der oberen und unteren Gabel verteilt. Der Entformungswinkel des Schmiedeteils verläuft in Schmiederichtung, also in Richtung BB, und beträgt üblicherweise 5° bis 7°. Während des Schmiedeprozesses können Ober- und Untergesenk aufgrund von Schwankungen der Schmiedetemperatur und -kraft nicht vollständig aneinandergepresst werden. Dadurch entstehen Dickenschwankungen in Schmiederichtung, üblicherweise mit einer Toleranz von ±1 mm. Der durch die Fehlausrichtung der oberen und unteren Matrizen verursachte Fehler beträgt im Allgemeinen ±1,5 mm.
Die Trennfläche des vertikalen Trennschmiedestücks ist senkrecht zur Stützachse und verläuft durch die Mitte des Flansches. Aufgrund der Form des Schmiedestücks ist die Trennfläche jedoch gekrümmt. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, stellt die in CC dargestellte gekrümmte Fläche die Trennfläche dar. Die Schmiederichtung verläuft senkrecht zur Trennfläche, also in Richtung DD. Die so hergestellten Schmiedestücke unterscheiden sich hinsichtlich der Verteilung der Bearbeitungszugaben von denen des horizontalen Schmiedens. Da das obere Gesenkschmiedestück ein Entformungsschrägenprofil aufweisen muss, entsteht kein Gegenschrägenprofil. Daher muss an der Innenseite der oberen und unteren Gabeln ein Zuschlag hinzugefügt werden, um ein positives Entformungsschrägenprofil zu erzeugen. Die Hauptteile sind in Abbildung 2 mit E und F gekennzeichnet. Zusätzlich zum üblichen Zuschlag für die Stützwelle wird zur Erleichterung des Entformens der Stützwelle ein zusätzlicher Entformungsschrägenwinkel von 1° bis 1,5° in axialer Richtung hinzugefügt. Bei einer angenommenen Stützwelle von 200 mm Länge erhöht sich aufgrund des Entformungswinkels das zusätzliche Aufmaß vom kurzen Wellenende bis zum äußeren Schafthals am Flanschfuß von 0 auf 0,35–0,5 mm. Das zusätzliche Aufmaß beträgt d = 200 tan (1°–1,5°). Die Dickentoleranz des Schmiedeteils liegt üblicherweise bei ±1,5 mm in Richtung DD, während der Fehler senkrecht dazu ebenfalls ±1,5 mm beträgt.
Schematische Darstellung von horizontal und vertikal geteilten Gesenkschmiedeteilen Abbildung 2 Schematische Darstellung von horizontal und vertikal geteilten Gesenkschmiedeteilen

3. Einflussfaktoren der Verarbeitung
Die unterschiedlichen Einflüsse von Faktoren wie Zuschlag und Toleranz bei den beiden oben genannten Schmiedeverfahren müssen bei der Auslegung der Bearbeitungstechnologie berücksichtigt werden, da sonst die Bearbeitungsqualität des Achsschenkels beeinträchtigt wird. Folgende Bearbeitungseinflüsse sind zu beachten:

(1) Bearbeitung der Achsschenkel-Stützwelle: Die Hauptbearbeitungsschritte für die Achsschenkel-Stützwelle sind das Fräsen der Stirnfläche, das Bohren der Zentrierbohrung sowie das Drehen und Schleifen der Zapfen verschiedener Teile (siehe Teile A und B in Abbildung 1). Diese beiden Prozesse sind eng miteinander verknüpft, insbesondere das Bohren der Zentrierbohrung. Die Zentrierbohrung dient nicht nur als Positionierreferenz für die nachfolgende Bearbeitung des Stützzapfens, sondern auch als Messreferenz für verschiedene Größen- und Positionstoleranzen an der Stützwelle. Stimmt die Verbindungslinie der beiden Zentrierbohrungen während der Bearbeitung nicht mit der Achse des Stützwellen-Schmiedeteils überein, führt dies zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Schmiedegrats und zur Bildung von Bearbeitungszunder an den Zapfen (d. h. Restschmiedeoberfläche). Ein Vergleich der Zapfenteile der nach den beiden Verfahren hergestellten Schmiedeteile zeigt, dass beim vertikalen Gesenkschmieden des Achsschenkels, da das endgültige Schmiedeteil der Stützwelle in der zylindrischen Kavität geformt wird, die Rundheit dieses Teils gut und der Grat gleichmäßig ist. Dadurch lässt sich die Position beim Bohren der Zentrierbohrung leichter bestimmen. Aufgrund von Faktoren wie Fluchtungsfehlern, Dickentoleranzen und Schnittresten bildet das horizontale Schmiedeteil einen unregelmäßigen Kreis. Die Verteilung des Aufmaßes an verschiedenen Stellen des Zapfens schwankt unter dem Einfluss dieser Faktoren erheblich. Um diese Formschwankungen des Schmiedezapfens zu berücksichtigen, sollte bei der Wahl der Position der Zentrierbohrung für die Bearbeitung eine V-förmige Vorrichtung im 45°-Winkel zur Trennfläche verwendet werden. Dadurch lassen sich der Einfluss von Gratresten und Fluchtungsfehlern vermeiden und die Verbindungslinie der Zentrierbohrung an die theoretische Mittellinie des Schmiedezapfens annähern, sodass das nachfolgende Bearbeitungsaufmaß gleichmäßig verteilt wird.

(2) Axiale Abmessungen der Stützwelle Die axialen Abmessungen des Achsschenkels (siehe Abbildung 1) hängen miteinander zusammen. Besonders wichtig ist die Wandstärke der 11 mm großen Achsschenkelbolzenbohrung. Sie beeinflusst die Festigkeit der Bohrung und muss daher gewährleistet sein. Die Analyse der Zusammenhänge zwischen den axialen Abmessungen zeigt, dass die Wandstärkenabweichungen bei unterschiedlichen Schmiedeverfahren berücksichtigt werden müssen, wenn im ersten Bearbeitungsschritt, dem Fräsen der Stirnfläche, die Mittelbohrung gebohrt wird. Beim Horizontalschmieden werden die axialen Abmessungen durch die Ober- und Untergesenke bestimmt, und ihre Abweichungen werden hauptsächlich durch Schmiedefehler beeinflusst. Beim Vertikalschmieden werden die axialen Abmessungen ebenfalls durch die Ober- und Untergesenke bestimmt, ihre Abweichungen werden jedoch hauptsächlich durch die Dickentoleranz des Schmiedeteils beeinflusst. Daher wird in diesem Zustand empfohlen, bei der Auswahl des anfänglichen axialen Positionierungsmaßes die obere Matrize zu wählen, die in der gleichen Matrize wie die Wandstärke des Königszapfenlochs hergestellt wurde, d. h. die Flanschfläche in der Nähe der Gabel zu wählen.

(3) Flanschbearbeitung: Der Flanschbereich des vertikal geschmiedeten Teils wird in einem geschlossenen Hohlraum geformt, wodurch Formabweichungen gering sind. Bei der Bearbeitung der Anschlussbohrungen um den Flansch herum ist die Wandstärke um die Anschlussbohrung sehr gleichmäßig, sofern die Zentrierbohrung der Stützwelle präzise positioniert ist. Bei horizontal geschmiedeten Teilen wird der Flanschbereich in Ober- und Untergesenk geformt. Aufgrund von Schmiedefehlern und Dickentoleranzen sowie des oben beschriebenen Problems der Zentrierung der Zentrierbohrung besteht bei der Bearbeitung der Anschlussbohrungen um den Flansch herum die Gefahr ungleichmäßiger oder sogar zu geringer Wandstärken. Dies muss unbedingt beachtet werden. Gegebenenfalls kann ein entsprechendes Aufmaß um die einzelnen Bohrungen herum erforderlich sein, um dieses Risiko zu vermeiden. Darüber hinaus wird die Flanschdicke von vertikal geschmiedeten Teilen durch die Dickentoleranz des Schmiedeteils beeinflusst. Das Bearbeitungsaufmaß der Flanschstirnfläche variiert zwischen Schmiedeteilen aus verschiedenen Chargen. Auch dies muss bei der Bearbeitung berücksichtigt werden.

(4) Bearbeitung der Achsschenkelgabel: Da zwischen dem Stützwellenteil des Achsschenkels und seinem Gabelteil ein Winkel α besteht, muss beim vertikalen Schmieden des Achsschenkels die Aufweitung erhöht werden, um eine Rückschrägung zu vermeiden und das Entformen des oberen Gesenkteils zu ermöglichen. An den in Abbildung 2 dargestellten Positionen E und F, insbesondere an Position F, ist die Aufweitung groß. Bei einem angenommenen Winkel α = 7°, einer Gabeltiefe von 70 mm und einem normalen Entformungswinkel von 3° ergibt sich eine Erhöhung der Aufweitung am Gabelfuß von: δ = 70 tan 7° + 70 tan 3° = 12,2 mm. Daher muss bei der Bearbeitung der Gabel, insbesondere bei der Schruppbearbeitung, eine große Aufweitung an diesem Teil berücksichtigt werden. Während die Bearbeitungszugabe bei horizontalen Schmiedeteilen konventionell erfolgen kann, ist der Abtrag gering. Da jedoch zwischen den beiden Gabeln ein Entformungsschrägen vorhanden ist, wird dieser Bereich zur Sicherstellung der Genauigkeit der Zentrierbohrung in der Regel plangefräst. Zudem dient der Zapfen bei der Bearbeitung der Gabel üblicherweise zur Positionierung. Bei vertikalen Schmiedeteilen ändert sich die Bearbeitungszugabe der Gabel aufgrund von Fertigungstoleranzen. Im Extremfall ist die Bearbeitungszugabe unzureichend, was zur Bildung von Zunder führt.

Abschluss
Sowohl horizontale als auch vertikale Schmiedeverfahren finden derzeit breite Anwendung in der Fertigung von Achsschenkeln für Kraftfahrzeuge. Bei Achsschenkeln, die auf unterschiedliche Weise hergestellt werden, sind aufgrund der Unterschiede in den Umformverfahren, der Verteilung der Bearbeitungszugaben und der Trennstruktur gezielte Analysen während der mechanischen Bearbeitung erforderlich. Entsprechend der jeweiligen Situation müssen Maßnahmen ergriffen werden, um bei der Bearbeitung der Mittelbohrung der Stützwelle, der Flanschbearbeitung und der Gabelbearbeitung unterschiedliche Positionierungs- und Schnittverfahren anzuwenden und so eine optimale Bearbeitungstechnologie zu erzielen.