CN104722701A - 通过径向变形制造空心轴的方法和设备与制成的空心轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变形地制造空心轴(200)的方法，所述空心轴(200)具有具备多个不同横截面的孔段(211-217)的孔(210)，所述方法包括如下步骤：-提供具有内孔(110)的旋转对称的型坯(100)；-加热所述型坯(100)；和-对加热的型坯(100)径向变形，用于同时产生外部形状和孔内形状，其中，借助至少一个具有多个不同横截面的芯轴段(411、412、413)的多功能芯轴(410)产生所述孔内形状。本发明还涉及一种制造这种空心轴的设备，以及一种按照本发明的方法和/或设备(400)制造出的空心轴。

Description

通过径向变形制造空心轴的方法和设备与制成的空心轴

技术领域

本发明涉及一种用于变形地制造空心轴的方法和设备，所述空心轴具有多个在横截面上不同的孔段。本发明还涉及一种相应的空心轴。

背景技术

这种类型的空心轴被再加工尤其用作车辆变速器的传动轴。

在DE 10 2008 036 226 A1中公开了一种用毛坯制造空心轴的具有顺序过程步骤的方法，使得空心轴在批量生产过程中既在制造时间方面、材料和能源使用方面，也在投资成本方面能够被有利地制造。该方法具有如下步骤：通过锻造制造型坯；对型坯实施热处理；通过孔挤压使型坯变形成至少局部空心的中间型材；并且将中间型材旋转锻造成空心轴，该空心轴在空心轴的延伸段上具有基本相同的壁厚。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于制造前述类型空心轴的更有利的方法。

为了理解本发明、表述上也参照同一发明人的DE 10 2008 036 226 A1中的说明。

所述技术问题通过一种按照本发明的变形地制造空心轴的方法解决，所述空心轴具有具备多个在横截面上不同(也就是横截面大小和形状)的孔段的孔，所述方法至少包括如下方法步骤：

-提供具有内孔的旋转对称的型坯或毛坯件；

-加热所述型坯；和

-对加热的型坯径向变形，用于同时产生外部形状和孔内形状，其中，借助至少一个具有多个在横截面上不同的芯轴段的多功能芯轴产生所述孔内形状。

在径向变形机械上实施的径向变形是一种步进的变形方法，其与旋转锻造(Rundkneten)类似。在此，具有内孔的工件通过多次且尤其四次脉冲式地压力冲击或对工件同步径向击打的径向锤击被塑性成型，其中，工件与内部芯轴一同相对锤子旋转。材料沿径向在处于内孔之内的内部芯轴上成型，该内部芯轴按照本发明被设计为多功能芯轴，并在此材料沿内部芯轴或多功能芯轴的轴向也被成型，使得材料沿至少一个轴向沿着多功能芯轴确定地流动。由此出现工件的轴向伸长，使得完成成型的空心轴具有比型坯明显更大的轴向长度。尤其该长度比大于2(大两倍)，也就是说，型坯在径向变形时沿轴向被延长2倍且尤其至少延长2.5倍或3倍。主要的形状变化方向原则上是轴向，其中实现较大的变形度，例如Phi大于3(大于3)。优选地规定，型坯在径向变形时沿两个轴向方向被延长，也就是说，通过变形造成轴向长度变化。

待制造的空心轴具有多个在其横截面上不同的孔段，即轴向部段，这些部段沿空心轴的轴向相继设置。各个轴向部段满足不同的功能，以下还将进一步阐释。按照本发明，借助至少一个具有在横截面上不同的芯轴段的多功能芯轴产生空心轴的孔内形状。所述芯轴段是轴向部段，其沿多功能芯轴的轴向相继地设置。借助多功能芯轴尤其在变形过程中能够制造出多个在横截面上不同的孔段，其中，芯轴段的相应的外侧结构预先规定了孔段的被制造的内部结构。由此，芯轴段被用作用于构造孔内形状或孔内轮廓的功能单元。按照本发明也可以使用多个也是常规类型的内部芯轴。

按照本发明的空心轴的制造是变形的且由此是非切削的。但是，在变形的制造之后，随后还可以进行切削的加工步骤。按照本发明制造的空心轴优选地被继续加工成用于机动车变速器(纵向变速器和横向变速器)的传动轴。空心轴或传动轴优选具有150mm至160mm的轴向长度。

按照本发明的方法比已知的方法能够允许更多的构造自由度。此外，空心轴可以更快地且以更小的设备成本被制造。以下进一步阐述本发明的另外的优点，例如在制造出的空心轴上的有利的倒角延伸。

在型坯内的内孔可以是贯穿孔或盲孔。尤其涉及圆柱形的内孔。优选地规定，型坯内的内孔的内径等于待制造的空心轴内的孔的最大内径或孔径，和/或型坯的外径等于待制造的空心轴上的最大外径。

在径向变形时优选在带制造的空心轴上产生至少一个具有内齿部的孔段。内齿部优选是插接齿部(或内插齿部)，其被设计为具有穿入倒角的向内指向的齿。内齿部或必要时齿上的穿入倒角仅通过径向变形产生。为此，多功能芯轴具有至少一个相应的芯轴段，该芯轴段被设计具有对应的齿部几何形状(或齿型)。

在径向变形时，温度优选处于中等温度水平，由此可以节省加热能量。型坯在径向变形前优选被加热到200℃至800℃之间，并且优选被加热到200℃至600℃之间，并且尤其温度小于600℃(600℃以下)，并且在径向变形时具有相应的变形温度，但该变形温度在变形时逐渐下降。原则上并不进行再加热。

型坯优选具有简单的几何结构。型坯优选是车削件、锻件或裁切的毛坯件，其中，这种型坯可以被低成本地提供。设计为锻件的型坯例如可以批量地落件地在水平的锻压机上制造。所使用的材料例如是渗碳钢。特别优选地规定，设有内孔的型坯的壁强度或壁厚至少是10mm、优选至少15mm且尤其至少20mm，这由较小的轴向长度所决定。由于较短的轴向长度，从而通过简单的钻孔或打孔可以成本低廉地制造出内孔。此外型坯还可以具有紧凑的尺寸。

所述技术问题还通过一种按照本发明的通过径向变形加热的型坯制造空心轴的设备解决，所述空心轴具有具备多个在横截面上不同的孔段的孔，所述设备包括：

-多个径向锤，其能够在所述型坯上实施同步的径向击打；和

-至少一个多功能芯轴，其具有多个且尤其至少三个不同横截面的芯轴段。

按照本发明的设备尤其适用于通过按照本发明的方法制造空心轴。

按照本发明的设备可以具有另外的设备构件，例如用于相对径向锤旋转驱动工件和多功能芯轴的驱动装置、在工件和径向锤之间引起相对移动的驱动装置、控制装置、夹具和更多的类似构件。

多功能芯轴具有多个不同横截面的芯轴段。多功能芯轴优选具有至少三个不同的芯轴段。至少一个芯轴段优选设计用于在待制造的空心轴上制造尤其具有穿入倒角的内齿，并且至少一个芯轴段具有相应的齿部几何结构，如前所述。多功能芯轴可以具有至少一个用于产生轻质结构底切的芯轴段。多功能芯轴优选具有多个、尤其相邻设置的或轴向相继设置的、用于产生尤其具有不同孔径的轻质结构底切的芯轴段。多功能芯轴优选由钢材构成并且尤其是工具钢并且具有抛光表面。

所述技术问题还通过一种按照本发明的方法和设备制造的空心轴解决，所述空心轴具有具备多个、尤其至少三个不同横截面的孔段的孔。按照本发明制造的空心轴的特征在于以下至少两个并且优选至少三个或四个特征：

-在至少两个相邻孔段的区域中的(确定设计的)壁厚是不同的，由此在所涉及的孔段之间存在壁厚跃变；

-在至少两个相邻孔段的区域中的(确定设计的)壁厚是相同的，由此在所涉及的孔段之间不存在壁厚跃变；

-至少一个孔段设具有内齿部，其中，通过径向变形产生内齿部；

-至少一个孔段设计为轻质结构底切，以下还要进一步阐述，其中，通过径向变形产生轻质结构底切；

-至少一个孔段设计为具有较高配合质量的轴承支承架，其中，通过径向变形产生轴承支承架并且尤其无需再加工；

-外部形状具有至少一个实心凸缘，以下还要进一步阐述；

-所述孔在轴向端部上被封闭。

综上，本发明具有如下优点(但不局限于此)：

-一种制造一体式的、重量优化的且优选也负荷优化的空心轴的经济的方法；

-适用于制造较多的件数(批量生产)；

-较少的工艺环节和较低设备耗费；

-提供和利用了用于待制造的空心轴的较高的轻质结构潜能；

-在径向变形时没有材料损失并且由此优化了材料生产率；

-较大的形状保持度并且较低的制造公差(没有径跳问题)；

-空心轴在径向变形后被成型，不需要另外的变形步骤；

-在径向变形时自由度的利用和潜在的高变形度的利用；

-型坯可以被低成本地制造和/或提供；

-在空心轴中的有利的材料倒角变化和/或较高的表面质量(没有凹槽和沟纹)，其中，孔内表面无需再加工，也就是说，可以无再加工地保持该孔内表面；

-相比较之下较低的用于制造空心轴的能量消耗和/或所使用能量的较高的能量利用率。

附图说明

以下示例性地且以非限制的方式参照附图进一步阐述本发明。在附图中示出和/或以下所描述的特征可以是本发明的通用特征，与具体特征组合无关。所使用的方向数据涉及附图所示的图示。所示和/或所述的实施可能性中的特征在本发明的框架下可相互组合。在附图中：

图1在两个剖面图中示出型坯和由此制造的空心轴，

图2在两个剖面图中示出另一个型坯和由此制造的空心轴，

图3示出用于制造空心轴的径向变形的图解剖面图。

具体实施方式

图1示出圆柱形型坯100，其具有内孔110。型坯100例如可以涉及被切割的管段或切削制成的车削件。由型坯100通过径向变形制造所示的具有孔210的空心轴200，该孔具备多个在横截面上不同的孔段211至217。在相邻的孔段之间设有过渡，从而不存在不连贯的横截面变化。型坯100和空心轴200沿纵轴线或旋转轴线L均被设计为轴对称的。

以下通过切削加工将空心轴200继续加工成传动轴，为此例如在实心凸缘201内在外圆周上铣削出运转齿部。可以设置多个这种实心凸缘。在另外的轴向位置上也可以在空心轴200的外圆周上铣削出运转齿部或插接齿部。由于空心的设计，空心轴200或由此制成的传动轴相对较轻，但由于是变形地制造而成也可以承受很大的负荷。

空心轴200的孔例如具有七个轴向孔段211至217，这些孔段的横截面在截面尺寸和截面形状方面是不同的。各个孔段211至217可以被视作独立的功能单元。左侧的孔段213是轴承支承架，其被设计具有较高的配合质量。通过外侧直径更大的孔段211和212，可以在孔段213内安置滚动轴承。用作轴承支承架的孔段213向右连接着三个直径更大的孔段214、215和216，它们相对于孔段213具有沿径向侧面下陷的轮廓并且用作轻质结构底切。空心轴200由此具有多个沿轴向直接相继设置的、相同类型但具有不同结构设计的功能单元。孔段216向右邻接着孔径减小的孔段217，该孔段217构成孔210的右侧端部。构成孔210的左侧端部的孔段211设计具有内插齿部。向着孔210的开放的端部设计有具有穿入倒角219的内插齿部的齿218，如参照放大视图。由此，径向向内指向的齿218沿轴向向着左侧的孔开口变尖地成型。孔段211和213的内壁作为功能面。

图1示出的空心轴200在孔段211至217内具有不同的壁厚或壁强度，其中在孔段以内的壁厚也可以是变化的(例如参见孔段215和216)。由此，相邻孔段的壁厚可以是不同的。同样，单个孔段或所有孔段也可以设计为有相同的壁厚。相应的壁厚例如通过在要求的强度和力求的轻质结构之间的相互匹配而获得，必要时也要考虑有利的质量分配。

如以下结合图3示例性的阐述，空心轴200由型坯100借助多功能芯轴通过径向变形制成，该多功能芯轴具有多个在截面上不同的芯轴段。

图3示出已局部变形的型坯100’(以下也称为工件)，具有多个芯轴段411、412和413的轴对称的多功能芯轴410插入所述型坯的内孔110’内。借助径向作用的锤子或径向锤420，夹紧在工件夹具(例如卡盘)内的工件100’的材料沿径向在多功能芯轴410上成型，其中工件100’始终仅局部地在轴向位置上变形。芯轴段的相应的外侧形状预先确定了待产生的孔段的内侧形状。通过工件100’(包括多功能芯轴410)相对于锤子420的轴向相对移动，逐渐使每个轴向位置均被变形，其中材料在轴向上沿多功能芯轴410确定地流动。工件100’的材料在径向变形时沿轴向一定程度上通过内芯轴410被拉动。所示的多功能芯轴410在芯轴段412内设计有用于产生内插齿部的齿部几何形状。优选地，多功能芯轴410由调质处理的钢材料构成。

根据该操作方法，图1所示的空心轴200被如下这样地制造。将设计用于制造相应孔段214、215、216和217的多功能芯轴定位在加热的型坯100的内孔110中(具有确定的轴向相对位置)，之后在第一变形过程中，对位于实心凸缘201右侧的部段进行成型，其中同时或者一次性地产生待制造的空心轴200的连续的外轮廓和内轮廓。相应的内轮廓通过芯轴段预先设定，并且相应的外轮廓通过径向的锤子位置的调整被预先设定。可选地，孔可以在右侧通过径向变形被封闭。随后，对实心凸缘201的左侧区域进行成型直至孔段214的左侧轴向端部。再之后，多功能芯轴向左从部分制成的空心轴中抽出，并且被另一个设计用于制造相应孔段211、212和213的多功能芯轴替代，并且部分制成的空心轴被围拢。在第二变形过程中，通过对位于实心凸缘201左侧的部段的成型而完成对空心轴200的成型，包括在孔段211内准确成型出的具有穿入倒角的内插齿部。

前述方法步骤通过所使用的径向变形机械被自动地实施。通过空心轴200的符合制造要求的结构设计可以在必要时仅借助一个多功能芯轴制造空心轴。孔210的内表面在径向变形后不必再加工。这尤其适用于孔段211的内插齿部。

如图1用虚线所示的，在型坯100内的内孔110的内径等于待制造的空心轴200的孔段214内的孔210的最大孔径，并且型坯100的外径等于待制造的空心轴200上的实心凸缘201的外径。由此在型坯100的径向变形中，在待变形的部段内在外圆周和/或内圆周上实现直径的减小。尤其规定，在实心凸缘201的区域内既在外圆周也在内圆周上不进行径向变形并且由此没有直径的减小。实心凸缘201由此在外侧具有型坯100的外圆周并且在内侧具有型坯100的内孔110的内圆周。

图2示出另一种型坯100a，其在所示的纵剖面图中设计为T型，并且图2还示出由此通过径向变形借助多功能芯轴制造的具有孔210a的空心轴200a，该孔210a具有三个孔段211a、212a和213a。从尤其以锻件形式提供的型坯100a开始，空心轴200a可以在变形过程中与前述类似地通过多功能芯轴被制造。孔段212a与所示实施可能性不同地可以被设计为轻质结构底切。

附图标记列表

100  型坯(毛坯件)

110  内孔

200  空心轴

201  实心凸缘(材料积聚)

210  孔

211  孔段

212  孔段

213  孔段

214  孔段

215  孔段

216  孔段

217  孔段

218  齿(内插齿部)

219  穿入斜坡(尖部)

400  用于径向变形的设备

410  多功能芯轴

411  芯轴段

412  芯轴段

413  芯轴段

420  径向锤

L    纵轴线(旋转轴线)

Claims (10)

1.一种变形地制造空心轴(200)的方法，所述空心轴(200)具有具备多个不同横截面的孔段(211-217)的孔(210)，所述方法包括如下步骤：

-提供具有内孔(110)的旋转对称的型坯(100)；

-加热所述型坯(100)；和

-对加热的型坯(100)径向变形，用于同时产生外部形状和孔内形状，其中，借助至少一个具有多个不同横截面的芯轴段(411-413)的多功能芯轴(410)产生所述孔内形状。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述型坯(100)内的内孔(110)的内径等于在待制造的空心轴(200)内的孔(210)的最大孔径，和/或所述型坯(100)的外径等于在待制造的空心轴(200)上的最大外径。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述型坯(100)在径向变形时沿轴向被延长至少两倍的长度。

4.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述型坯(100)在径向变形时沿两个轴向方向被延长。

5.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在径向变形时产生至少一个具有内齿部的孔段(211)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述内齿部的齿(218)设有穿入倒角(219)。

7.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述型坯(100)在径向变形前被加热到在200℃至800℃之间的温度，并且尤其被加热到在200℃至600℃之间的温度。

8.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述型坯(100)是车削件、锻件或裁切的毛坯件。

9.一种通过径向变形被加热的型坯(100)制造空心轴(200)的设备，所述空心轴(200)具有具备多个不同横截面的孔段(211-217)的孔(210)，所述设备包括：

-多个径向锤(420)，其能够在所述型坯(100)上实施同步的径向击打；和

-至少一个多功能芯轴(410)，其具有多个且尤其至少三个不同横截面的芯轴段(411-413)。

10.一种空心轴(200)，具有具备多个不同横截面的孔段(211-217)的孔(210)，其中，通过如前述权利要求之一所述的方法和/或设备(400)制造所述空心轴(200)，并且所述空心轴(200)的特征在于以下至少两个特征：

-在至少两个相邻孔段(211-217)的区域中的壁厚是不同的；

-在至少两个相邻孔段(211-217)的区域中的壁厚是相同的；

-至少一个孔段(211)设有内齿部；

-至少一个孔段(214、215、216)设计为轻质结构底切；

-至少一个孔段(213)设计为具有较高配合质量的轴承支承架；

-外部形状具有至少一个实心凸缘(201)；

-所述孔(210)在轴向端部上被封闭。