Die Automobilindustrie befindet sich aktuell in einem von wirtschaftlicher Zurückhaltung geprägten Umfeld. Steigende Energie- und Produktionskosten, volatile Absatzmärkte und ein insgesamt gedämpftes Investitionsklima zwingen Hersteller und Zulieferer dazu, bestehende Fertigungsprozesse kritisch zu hinterfragen. Produktionslösungen müssen heute nicht nur technisch leistungsfähig sein, sondern zugleich wirtschaftlich, energieeffizient und langfristig investitionssicher ausgelegt werden.

Rotorwellen spielen in elektrischen Antriebssystemen eine zentrale Rolle und unterliegen steigenden Leistungs- und Drehmomentanforderungen bei gleichzeitig wachsenden Ansprüchen an die Maßhaltigkeit und Bauteilqualität. Konventionelle spanende Fertigungsverfahren stoßen dabei insbesondere bei hohl- oder dickwandigen Rotorwellen an Grenzen, da sie mit hohem Materialabtrag, langen Bearbeitungszeiten und entsprechend hohem Energieeinsatz verbunden sind. Neben wirtschaftlichen Nachteilen wirkt sich dies auch negativ auf den Product Carbon Footprint der Bauteile aus.

Mit über 120 Jahren Erfahrung in der Kaltmassivumformung begegnet die Felss Gruppe als Maschinenhersteller und Prozessentwickler diesen Herausforderungen mit ihren Kerntechnologien Rundkneten und Axialformen. Durch die gezielte Kombination beider Verfahren wurde ausgehend von einem Rohrhalbzeug eine funktions- und prozessgerecht ausgelegte Rotorwellengeometrie entwickelt (Abb. 1), die aktuelle Anforderungen an Leichtbau und Funktionalität berücksichtigt. Eine belastungsorientierte Wandstärkenverteilung ermöglicht eine hohe geometrische Präzision und strukturelle Effizienz, während die integrierte Schrägverzahnung eine sichere und zuverlässige Drehmomentübertragung auch bei hohen Drehzahlen gewährleistet. Die überwiegend umformtechnische Herstellung in den Stationen 1 bis 6 ermöglichen eine hohe Materialausnutzung ohne Erwärmung und minimiert so unnötige Energie- und Werkstoffverluste. Daraus ergeben sich signifikante Einsparpotenziale in Materialverbrauch, Energieeinsatz und CO2-Emissionen gegenüber spanenden Fertigungslösungen.

Höherfeste Werkstoffe

Die Steigenden Ansprüche von modernen Hochleistungs-Rotorwellen sowie die zunehmende Verarbeitung höherfester Werkstoffe verschieben das Prozessfenster der bisherigen Rundknetmaschinen zunehmend an die oberen Kapazitätsgrenzen. Da höhere Bauteilgenauigkeiten an den Leistungsgrenzen durch dynamische Effekte und Schwingungen nur mit erheblichem Aufwand zu erreichen sind, hat Felss die Rundknetmaschine Generation E10 entwickelt.

Die Maschine wurde gezielt für anspruchsvolle Serienanwendungen ausgelegt, bei denen höchste Präzision, Prozessstabilität und Energieeffizienz gefordert sind. Kern des Konzepts ist eine 6-Backen-Umformeinheit mit einer Gesamtumformkraft von bis zu 6.000 kN sowie Knetfrequenzen von bis zu 50 Hz (Abb 2.). Zentrale Weiterentwicklungen liegen in der elektrischen Antriebstechnik, die eine präzisere Regelung, höhere Dynamik und eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Umformprozesse bei gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs gegenüber hydraulisch dominierten Systemen bietet. Zusätzlich wurde der Maschinenaufbau konstruktiv so ausgelegt, dass er weniger empfindlich gegenüber dynamischen Belastungen und Schwingungen ist, was sich unmittelbar positiv auf die erreichbare Bauteilgenauigkeit auswirkt. Der modulare Aufbau der Generation E10 erleichtert Wartung und Umrüstung und erlaubt eine gezielte Anpassung an unterschiedliche Geometrien, Werkstoffe und Stückzahlen. Damit schafft Felss die Voraussetzung, Rundknetprozesse sicher, wirtschaftlich und ressourcenschonend in industrielle Serienfertigungen zu integrieren und flexibel mit nachgelagerten Umformtechnologien wie dem Axialformen zu kombinieren. Die Generation E10 bildet somit ein zentrales Element leistungsfähiger und nachhaltiger Prozessketten in der Rotorwellenfertigung.

Axialformen

Neben dem Rundkneten spielt das Axialformen eine entscheidende Rolle in der Rotorwellenfertigung, insbesondere zur Herstellung von funktionalen Endgeometrien. Mit steigenden Drehmomentanforderungen kommen zunehmend Schrägverzahnungen zur sicheren Kraftübertragung zum Einsatz, die in der industriellen Praxis häufig spanend mittels Wälzfräsen hergestellt werden. Um auch diesen Prozessschritt in die umformtechnische Prozesskette zu integrieren, wurde das Axialformen bei Felss gezielt weiterentwickelt.

Das Entwicklungsergebnis ist eine neue Maschinengeneration für das Axialformen, die gezielt auf die umformtechnische Herstellung von Schrägverzahnungen ausgelegt ist und die Vorteile hydraulischer und elektrischer Antriebstechnik kombiniert (Abb. 3). Die erforderlichen hohen axialen Umformkräfte werden über einen hydraulisch betätigten Stößel realisiert, der durch eine speziell ausgeführte Lagerung eine rotationsspielfreie Führung des Werkzeugträgers auch unter maximaler Belastung gewährleistet. Die für den Umformprozess notwendige Drehbewegung wird über ein spielfreies Antriebssystem aus Servomotor und Getriebe bereitgestellt, das hohe Drehmomente bei gleichzeitig hoher Dynamik und Positioniergenauigkeit ermöglicht. Ergänzend ist die Maschine mit einer schaltbaren Kupplung ausgestattet, die einen frei drehbaren Zustand erlaubt. Dadurch kann das Werkzeug nach Abschluss der Umformung nahezu kraftfrei aus der Verzahnung herausgeführt werden, was den Verschleiß von Werkzeug und Bauteil deutlich reduziert und eine stabile sowie reproduzierbare Prozessführung unterstützt.

Engineering

Der Entwicklungsprozess bestätigte, dass die erhöhte Torsionssteifigkeit des Pressengestells, die exakte Synchronisation der Achsen sowie die leistungsfähige Werkzeuglagerung ein stabiles und reproduzierbares Prozessfenster ermöglichen. Versuche validierten die zuverlässige Umformung von Schrägverzahnungen über einen breiten Bereich unterschiedlicher Schrägungswinkel. Mit angepasster Rohteilgeometrie und geeigneter Prozessführung lassen sich maßgenaue Verzahnungsprofile erzeugen, wobei elastische Verformungen gezielt kompensiert werden können. Weiterführende Details sind den Publikationen [1-3] zu entnehmen.

Durch die Kombination der elektrifizierten Rundknettechnik mit der weiterentwickelten Axialformmaschine kann eine überwiegend umformtechnische Rotorwellenfertigung realisiert werden. Die ökologischen Potenziale dieser Prozesskette wurden anhand einer CO2-Bilanzierung mit dem Tool FRED untersucht. Als Referenz diente eine alternative, mechanisch spanende Prozessroute. Die Auswertung der relevanten Prozessschritte zeigt eine Reduktion der CO2-Emissionen von über 60%, entsprechend etwa 4 kg CO2 pro Rotorwelle. Bei einer angenommenen Jahresmenge von 200.000 Bauteilen ergibt sich somit eine Gesamteinsparung von mehr als 800 t CO2 je Bauteilvariante.

Die gezielte Weiterentwicklung von Rundknet- und Axialformmaschinen ermöglicht Felss die wirtschaftliche, präzise und ressourceneffiziente Rotorwellenfertigung und unterstützt Anwender dabei, auch unter schwierigen Marktbedingungen wettbewerbsfähig zu bleiben.

www.felss.com

Info

Dr.-Ing. Nadezda Missal ist Director Technology Center bei Felss.

Dennis Beihofer ist Head of Engineering bei Felss.

Quellen

[1] Missal, N.; Schwertel, S.: Schrägverzahnungen durch Axialformen: Neue und nachhaltige Wege in der Massivumformung. massivUMFORMUNG Ausgabe 04/2024, S.27-31, Industrieverband Massivumformung e.V., Hagen, 2024, ISSN 2366-5106

[2] Missal, N.; Schwertel, S.: Innovative cold metal forming processes for a sustainable future – Moving forward with helical gear drive components in a resource and energy-efficient way. Dritev 2023, VDI-Berichte Band 2420, S.295-306, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2023, https://doi.org/10.51202/9783181024201

[3] Missal, N; Schwertel, S.; Ludwig, M.: The next level of axial forming for a sustainable component and process chain design. Tagungsband International Conference on Gears 2023, VDI-Berichte Band 2422, S.1765-1776, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2023, http://dx.doi.org/10.51202/9783181024225-1765