Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von gezahnten Körpern aus Metall durch Pressen. Die Erfindung bezieht sieh auf ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur Herstel lung von gezahnteil Körpern aus Metall, wie Zahnräder, Zahnkränze, Kegelräder, gezahnte Kupplungsscheiben und dergleichen, durch Pressen.
Die Vorteile der Herstellung solcher Teile, die im folgenden zur Vereinfachung des Aus- druekes kurz als Zahnräder bezeichnet wer den, durch Pressschmieden sind bekannt. Sie bestehen vor allem darin, dass das Gefüge des Rolhlings durch den Schmiedevorgang nur umgeformt wird, aber keine Einschnitte und Unterbrechungen erfährt. Die Materialfasern folgen beim geschmiedeten Zahnrad durch die gesamte Dicke des Werkstückes der Gestalt desselben in mehr oder weniger gleich starken Scbiehten, wodurch die Festigkeit des Werk stückes erhöht wird.
Beim Fräsen von Zahn rädern wird dagegen das natürliche körnig faserige Gefüge des Rohlings an den ver- wundbarsten Stellen des Werkstückes unter brochen, nämlich an dem verzahnten Umfang, an dem die grössten Beanspruchungen und der stärkste Verschleiss auftreten.
Bei den bisher bekannten Verfahren wird der Rohling so weit erwärmt, dass er im Ge senk fliesst, wenn er der Wirkung des Stem pels einer Schmiedepresse ausgesetzt wird. Dabei wird der teigige, plastische Rohling ver- lhältnismässig langsam in die für die Formung der Zähne ausgearbeiteten Zonen am innern odler äussern Umfang der Matrize eingedrückt. Infolgedessen ist die Temperatur an den Um- fangszonen des Werkstückes wesentlich nied riger als in dessen Kern. Dies führt zu einer ungleichmässigen Dichte des Gefüges des Werkstückes und verursacht eine Unzuver lässigkeit in der Genauigkeit der Zahnform.
Zur Behebung dieses Nachteils ist vorge schlagen worden, das als Stempel wirkende Gesenkteil mit kleinen Fortsätzen hinter jeder Zahnform zu versehen, um ein zusätzliches Zusammendrücken in der Bewegungsrichtung des Gesenkes in dem Augenblick zu erzielen, in welchem das Gesenkteil in die Matrize ein tritt, damit der Werkstoff so stark gepresst wird, dass er auch die die Zähne bildenden Räume am Umfang der Matrize vollständig aus füllt.
Dieses Verfahren erfordert aber zahl reiche Arbeitsgänge und mehrere Satz Werk zeuge. Fluch verursachen die kleinen Ansätze am Gesenk notwendigerweise kleine Hohl räume in jedem Zahnrücken, welche die Festigkeitseigenschaften -des Zahnrades beein trächtigen, insbesondere mit Bezug auf dessen Biegefestigkeit. Um den hinter jedem Zahn durch die Ansätze gebildeten Grat. zu ent fernen, sind Nachbearbeitungen erforderlich. Gleichwohl bleiben auf der Oberfläche noch Faltungen und Nähte sichtbar.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ver meidet diese Nachteile dadurch, dass in den in teigigem, plastischem Zustand befindlichen scheiben- oder ringförmigen Pressrohling ein c Verdrängerkörper eingepresst wird, der eine Fläche besitzt, welche einem Teil des plasti- sehen Materials eine Bewegeng in radialer Richtung erteilt.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnun gen an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt im Aufriss und im Schnitt eine Ausbildung der Gesenkteile, bei welcher die Beschleunigung des Werkstoffes bei der Verdrängung nach aussen durch einander gegenüberliegende, gleichachsig angeordnete kegelstumpfförmige Ansätze des Stempels und des Bodens der Matrize erzielt wird.
Fig. 2 zeigt im Aufriss und im Schnitt die Verwendung von einander gegenüberliegenden ringförmigen Ansätzen an den Gesenkteilen.
Fig.3 zeigt den Querschnitt eines Werk stückes nach Entfernung der in Fig. 2 dar gestellten Gesenkteile.
Fig. 4 zeigt im Aufriss und im Schnitt eine weitere Ausführungsform, bei welcher an den Gesenkteilen ausser den gleichachsig angeord neten zentralen Erhöhungen ringförmige Wulste ausgebildet sind, durch die eine Dii- senwirkung auf die plastische, teigige Nasse des Rohlings ausgeübt werden kann. Dabei ist der Oberstempel vor dem Aufsetzen auf das Arbeitsstück gezeigt.
Fig. 5 ist ein Querschnitt nach Beendi gung des Schmiedevorganges.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungs form enthält das Gesenkgehäuse 1 die Matrize 2, die mit einer nach innen gerichteten Zahn form 2' ausgebildet ist. Diese ist zur For mung von Zähnen am Umfang des mit strich punktierten Linien gezeichneten Werkstückes (Rohling) 8 geeignet. Dieser wird, nachdem er auf die erforderliche Schmiedetemperatur gebracht ist, bei der er unter entsprechender äusserer Einwirkung als schwach teigige und plastische Masse fliesst, zwischen dem Stem pel 4 rund dem Boden des Gehäuses 1 einem plötzlich einsetzenden hohen Druck ausgesetzt, so dass der Rohling unter der Presswirkung sich zwangläufig der durch die verzahnte Aus bildung der Matrize gegebenen Form anpasst.
Der Stempel 4 und der Boden des Gehäuses 1, der praktisch einen Teil der Matrize 2 dar- stellt, sind mit zueinander gleiehaehsigen, mutig angeordneten kegelstumpfförmigen An sätzen 6 und 7 ausgebildet, die bei Beendi gung des Pressvorganges fast miteinander in Berührung kommen.
Das Werkstück lässt sieh aus der Matrize dadurch herausnehmen, dass der Ansatz 7 mit einem Kolben aus einem Stück ausgebildet ist, der aus einem Auswerfer in Form einer Kol benstange 5 mit einem dielen, zylindrischen, als Flansch ausgebildeten Kopf 5' besteht, dessen Oberfläche mit demn Innenboden des Gehäuses 1 fluchtet. Ein Einsatz- oder Auf nahmering 3 ist in das Gehäuse 1 eingesetzt, um die Matrize 2 in ihrer Lage festzuhalten. Die kegelstumpfförnmigen Ansätze 6 und 7 sind so bemessen, dass die Summe der durch sie verdrängten Volumina in dein notwendigen Verhältnis zum Volumen der Zwischenräume zwischen den Zähnen der Matrize 2 steht, die der Rohling ausfüllen soll.
Infolge der raschen Bewegung des Stem pels 4 gegen das Gesenkunterteil 1 beauf schlagt der kegelstumnpfförmnige Ansatz 6 den Rohling 8, der auf dem Kegelstunpf 7 auf liegt. Durch den Aufschlag der Kegelstümpfe 6 und 7 auf beiden Seiten der warmen plasti schen Masse des Rohlings tritt infolge der hohen Geschwindigkeit, mit der dieser Vor gang beispielsweise in einer Friktions- Sehmiedepresse vor sieh geht, eine Verdrän gung des Werkstoffes radial nach aussen ein. Mit dem Eindringen der I%egelstiimpfe 6 und 7 wird der Werkstoff in zunehmendem -Masse in waagrechten und mehr oder weniger par allelen Schichten gestreckt.
Dies hat zur Folge, dass die Aussensehieh- ten des Werkstoffes in die zahnförmig ausge bildete Zone am Umfang- des Gesenkunterteils 1 gepresst wird, wobei durch das weitere Ein dringen der Kegelstümpfe 6 und 7 in den Rohling die Masse weiter verdrängt wird und den Hohlraum ani Umfang der Matrize 2 voll ausfüllt.
Vorausgesetzt, dass das Volumen des Rohlings 8 richtig bemessen ist, wird durch diesen Vorgang ein massives Werkstück er halten, das in seiner Form -enau der Gestalt der Matrize entspricht.. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungs form ist statt der Verwendung von zwei kegelstumpfförmigen Ansätzen, die einzeln und senkrecht an den zugehörigen Gesenk- stüceken vorgesehen sind, das obere Gelenk teil 4 mit einem mittig fest angeordneten, zylindrischen Stempel 9 versehen, der in eine entsprechend bemessene Bohrung 10 des Aus werfers 5 eintreten Bann.
Auf der obern ring förmigen Fläche des Kopfes 5' des Auswer fers 5 sowie auf der Unterseite des Gelenk teils 4 sind entsprechend gestaltete ringför mige Wulste 11 und 12 ausgebildet, die beide im Querschnitt die Form einer annähernd symmetrischen Zahnspitze oder einer Ellipsen- bälfte haben, deren Höhe etwa einem Drittel der Dicke des fertigen Werkstückes in axialer Richtung gleicht, wie aus Fig.3 ersichtlich. Diese zeigt auch, dass die beiden Wulste 11 und 12 zwischen der Achse und dem Umfang des fertigen Werkstückes zwei symmetrische, ringförmige Einprägungen 13 bilden, die in die ringförmigen Flächen des fertigen Zahn rades übergehen.
Das fertige Werkstück ist, wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, mit einer mit tigen Bohrung 14 ausgebildet, die durch den Stempel 9 fertig gebildet wird, und mit Zäh nen 15, die von der Zahnform 2' der Matrize 2 geformt werden.
Die Wulste 11 und 12 können halbkreis förmigen, rechtwinkligen, V-förmigen oder einen andern geeigneten Querschnitt haben. Vorzugsweise gibt man ihnen eine symme trische, gekrümmte Form, und ihre Spitzen sind etwa in der Mitte zwischen der Achse der Matrize und dem verzahnten Teil der selben angeordnet.
Während des Pressvorganges geht der Stempel 9 durch das Loch des warmen pla stischen Rohlings 8, der auf dem ringförmigen Wulst 11 aufliegt, und tritt dann in die Boh rung 10 des Auswerfers 5 ein. In der näch sten Stufe des schnell ablaufenden Vorgan ges trifft der Wulst 12 auf den warmen Roh ling und dringt in diesen gleichzeitig mit dem von unten eindringenden Wulst 11 ein.
Durch das rasche Aufdrücken des Stem pels auf die Matrize werden die äussern Teile des Rohlings mit hoher Geschwindigkeit in die Zahnform der Matrize verdrängt.
Fig. 4 und 5 zeigen eine Kombination der kegelstumpfförmigen Ansätze 6 und 7 der in Fig. 1 gezeigten Art mit einer Abänderung der in Fig. 2 gezeigten Wulste 11 und 12. Die Wulste 11 und 12 sind so profiliert und wir ken, wie in Fig. 5 gezeigt, so zusammen, dass während des Schmiedevorganges eine Veren gung in dem die Ansätze 6 und 7 umgeben den ringförmigen Raum gebildet wird, die eine düsenähnliche Gestalt hat, so dass der Strom der teigigen oder plastischen Masse mit ziemlich scharfem Übergang verengt wird,
wenn er die Verdrängungszone in dem ring förmigen Raum zwischen den kegelstumpfför- migen Ansätzen 6 und 7 und den Wulsten 11 und 12 verlässt. Die Masse tritt daher in die mit 16 bezeichneten erweiterten Teile des Zwischenraumes zwischen den Gelenkteilen mit erheblich erhöhter Geschwindigkeit und entsprechend gesteigerter kinetischer Energie ein. Dabei münden die ringförmigen, sich er weiternden Zonen unmittelbar in die in Zahn form ausgebildeten Teile 2' der Matrize 2.
Für die Durchführung des Verfahrens ge nügen im allgemeinen 500 bis 700 Tonnen Friktions-Schmiedepressen oder Maschinen ähnlicher Arbeitsweisen.
Es ist kein vergrösserter Gesenkramn als Bearbeitungszugabe erforderlich, um die volle turd gesunde Formung zahnförmiger oder ähn licher Fortsätze am Umfange des Werkstückes bei gegebener Abmessung zu erreichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der die Zahnform be stimmende Matrizenteil 2 als einfacher, ver hältnismässig dünnwandiger Ring ausgebildet und in den Gehäuseblock 1 eingepresst, indem sich die Gelenkteile unter Zwischenschaltung eines Einsatzes bzw. Futters 3 führen. Dies bietet den Vorteil, dass von dem teuren Werk stoff. für die Herstellung der Matrize 2 nur eine verhältnismässig geringe Menge benötigt wird, während der eigentliche Block aus billi gerem Werkstoff bestehen kann.
Das nach der Erfindung ausgebildete Ver fahren kann zur Herstellung von Körpern aus allen schmiedbarenWerkstoffen, insbeson dere aus Stahl, angewendet werden. Es hat sieh gezeigt, dass auclh verhältnismässig schwer scihmied bare, legierte Stähle, die für lhoch- beanspruchte Zahnräder üblich sind, nach dem Verfahren ohne Schwierigkeit verarbeitet werden können.
Für viele Anwendungsfälle ist es möglich, nach der Erfindung hergestellte Zahnräder ohne jede Nachbearbeitung der Zähne zu ver wenden, zum Beispiel als Planetenräder für Differentialgetriebe. In andern Fällen ist das üblielhe Naehschleifen der Zahnflanken zweck- rmässig.
Bei der Durchführung des Verfahrens empfiehlt es sieh, insbesondere wenn jede Nachbearbeitung der Zahnflanken entfallen soll, den Rohling unter Luftabschluss oder in einer Schutzgasatmosphäre zu erwärmen, um Zunderbildung zu verhüten.
Method and device for the production of toothed bodies from metal by pressing. The invention relates to a Ver drive and a device for the produc- tion of toothed part bodies made of metal, such as gears, ring gears, bevel gears, toothed clutch disks and the like, by pressing.
The advantages of producing such parts, which in the following to simplify the expression are briefly referred to as gears, by press forging are known. Above all, they consist in the fact that the structure of the roller blank is only reshaped by the forging process, but does not experience any cuts or interruptions. The material fibers follow the forged gear through the entire thickness of the workpiece in the shape of the same in more or less equally strong Scbiehten, whereby the strength of the workpiece is increased.
When milling gears, on the other hand, the natural grainy, fibrous structure of the blank is interrupted at the most vulnerable parts of the workpiece, namely at the toothed circumference where the greatest stresses and the greatest wear occur.
In the previously known method, the blank is heated so far that it flows down in the Ge when it is exposed to the effect of the Stem pels of a forging press. In doing so, the doughy, plastic blank is pressed relatively slowly into the zones on the inner or outer circumference of the die that are worked out for the shaping of the teeth. As a result, the temperature at the peripheral zones of the workpiece is significantly lower than in its core. This leads to an uneven density of the structure of the workpiece and causes an unreliability in the accuracy of the tooth shape.
To overcome this disadvantage, it has been proposed to provide the die part acting as a punch with small extensions behind each tooth shape in order to achieve additional compression in the direction of movement of the die at the moment in which the die part enters the die, so that the The material is pressed so hard that it also completely fills the spaces around the die that form the teeth.
However, this method requires numerous operations and several sets of tools. Curse cause the small approaches on the die necessarily small cavities in each tooth back, which the strength properties of the gear impaired, especially with regard to its flexural strength. To remove the burr formed by the approaches behind each tooth, reworking is required. Nevertheless, folds and seams remain visible on the surface.
The method according to the invention avoids these disadvantages in that a c displacement body is pressed into the doughy, plastic state, which is in the doughy, plastic state, and has a surface which allows part of the plastic material to move in the radial direction .
In the following the invention is described in more detail with reference to the accompanying drawings using exemplary embodiments.
Fig. 1 shows in elevation and in section an embodiment of the die parts in which the acceleration of the material is achieved during displacement to the outside by opposing, coaxially arranged frustoconical attachments of the punch and the bottom of the die.
Fig. 2 shows in elevation and section the use of opposing annular lugs on the die parts.
Fig.3 shows the cross section of a work piece after removal of the die parts provided in Fig. 2 is.
4 shows, in elevation and in section, a further embodiment in which, in addition to the coaxially arranged central elevations, annular beads are formed on the die parts, by means of which a nozzle effect can be exerted on the plastic, doughy moisture of the blank. The upper punch is shown before it is placed on the workpiece.
Fig. 5 is a cross section after completion of the forging process.
In the embodiment shown in Fig. 1, the die housing 1 contains the die 2, which is formed with an inwardly directed tooth form 2 '. This is suitable for the formation of teeth on the circumference of the workpiece (blank) 8 drawn with dash-dotted lines. This is, after it is brought to the required forging temperature, at which it flows under the appropriate external influence as a weakly doughy and plastic mass, between the Stem pel 4 around the bottom of the housing 1 is suddenly exposed to high pressure, so that the blank under the pressing action inevitably adapts to the shape given by the toothed design of the die.
The punch 4 and the bottom of the housing 1, which practically represents a part of the die 2, are formed with mutually identical, courageously arranged frustoconical projections 6 and 7 which almost come into contact with each other at the end of the pressing process.
The workpiece can be removed from the die in that the projection 7 is formed with a piston from one piece, the rod of an ejector in the form of a Kol rod 5 with a large, cylindrical, designed as a flange head 5 ', the surface with demn inner bottom of the housing 1 is aligned. An insert or on receiving ring 3 is inserted into the housing 1 to hold the die 2 in place. The frustoconical extensions 6 and 7 are dimensioned so that the sum of the volumes displaced by them is in the necessary ratio to the volume of the spaces between the teeth of the die 2, which the blank is to fill.
As a result of the rapid movement of the Stem pels 4 against the lower die part 1 beauf of the cone-shaped approach 6 beats the blank 8, which is on the cone 7 on. Due to the impact of the truncated cones 6 and 7 on both sides of the warm plastic's mass of the blank, a displacement of the material radially outward occurs as a result of the high speed at which this process goes, for example in a friction-welding press. With the penetration of the I% egelstiimpfe 6 and 7, the material is increasingly stretched in horizontal and more or less parallel layers.
As a result, the external appearance of the material is pressed into the tooth-shaped zone on the circumference of the lower die part 1, the further penetration of the truncated cones 6 and 7 into the blank, the mass being displaced further and the cavity ani The circumference of the die 2 is completely filled.
Provided that the volume of the blank 8 is correctly dimensioned, a massive workpiece will be kept by this process, which in its shape -exactly corresponds to the shape of the die .. In the embodiment shown in FIG. 2, instead of using two frustoconical projections, which are provided individually and vertically on the associated die pieces, the upper joint part 4 is provided with a centrally fixed, cylindrical punch 9, which enter a correspondingly dimensioned bore 10 of the thrower 5 spell.
On the upper ring-shaped surface of the head 5 'of the ejector 5 and on the underside of the joint part 4, appropriately designed ring-shaped beads 11 and 12 are formed, both of which have the shape of an approximately symmetrical tooth tip or an ellipse half in cross section, the height of which is approximately one third of the thickness of the finished workpiece in the axial direction, as can be seen from FIG. This also shows that the two beads 11 and 12 between the axis and the circumference of the finished workpiece form two symmetrical, annular impressions 13, which merge into the annular surfaces of the finished gear.
The finished workpiece is, as can be seen from Fig. 3, formed with a bore 14 with term, which is finished by the punch 9, and with teeth 15, which are formed by the tooth shape 2 'of the die 2.
The beads 11 and 12 can be semicircular, rectangular, V-shaped or have another suitable cross-section. They are preferably given a symmetrical, curved shape, and their tips are arranged approximately in the middle between the axis of the die and the toothed part of the same.
During the pressing process, the punch 9 goes through the hole of the warm pla-elastic blank 8, which rests on the annular bead 11, and then occurs in the Boh tion 10 of the ejector 5. In the next stage of the fast running process, the bead 12 hits the warm blank and penetrates it simultaneously with the bead 11 penetrating from below.
By quickly pressing the stamp onto the die, the outer parts of the blank are displaced into the tooth shape of the die at high speed.
4 and 5 show a combination of the frustoconical projections 6 and 7 of the type shown in Fig. 1 with a modification of the beads 11 and 12 shown in Fig. 2. The beads 11 and 12 are so profiled and we ken, as in Fig 5 shown together so that during the forging process a constriction in which the lugs 6 and 7 surround the annular space is formed, which has a nozzle-like shape, so that the flow of the doughy or plastic mass is narrowed with a fairly sharp transition,
when it leaves the displacement zone in the annular space between the frustoconical lugs 6 and 7 and the beads 11 and 12. The mass therefore enters the widened parts of the space between the joint parts, designated by 16, at a considerably increased speed and correspondingly increased kinetic energy. The annular, widening zones open directly into the tooth-shaped parts 2 ′ of the die 2.
In general, 500 to 700 tons of friction forging presses or machines with similar working methods are sufficient to carry out the process.
No enlarged Gesenkramn is required as a machining allowance in order to achieve the full turd healthy formation of tooth-shaped or similar extensions on the circumference of the workpiece with the given dimensions.
In a preferred embodiment of the device, the die part 2, which determines the tooth shape, is designed as a simple, relatively thin-walled ring and pressed into the housing block 1 in that the joint parts lead with the interposition of an insert or chuck 3. This has the advantage that the expensive material. only a relatively small amount is required for the production of the die 2, while the actual block can consist of cheaper material.
The method designed according to the invention can be used for the production of bodies from all malleable materials, in particular from steel. It has been shown that alloy steels which are relatively difficult to weld and which are customary for highly stressed gears can also be processed according to the method without difficulty.
For many applications, it is possible to use gears manufactured according to the invention without any reworking of the teeth, for example as planet gears for differential gears. In other cases, the usual grinding of the tooth flanks is appropriate.
When carrying out the method, it is recommended, especially if any reworking of the tooth flanks is to be omitted, to heat the blank in the absence of air or in a protective gas atmosphere in order to prevent scale formation.