DE10101934B4

DE10101934B4 - Verfahren zur Herstellung von scheibenförmigen Steuernocken oder dergleichen sowie Räumbügel zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Info

Publication number: DE10101934B4
Application number: DE10101934A
Authority: DE
Inventors: Hermann-Josef Müller
Original assignee: H B Seissenschmidt AG
Current assignee: H B Seissenschmidt AG
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2021-01-18
Also published as: DE10101934A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von scheibenförmigen Steuernocken oder dergleichen aus einer hochkohlenstoffhaltigen Stahllegierung, die mit einer zur Außenkontur zentrierten Lochung auf einer Nockenwelle aufsetzbar sind, gekennzeichnet durch folgende Umformschritte in einer Wärme unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Stahllegierung:
a) Pressen eines scheibenförmigen Rohlings (1'''') mit einer nockenförmigen Außenkontur in einer Umformmatrize (2),
b) ein- oder mehrstufiges Vordornen einer zur Außenkontur achsparallel zentrierten Sacklochung (11''', 11'') mit Lochungsabmessungen, die kleiner als die Endabmessungen der endgültigen Lochung sind, und unter gleichzeitiger weiterer Pressung des Rohlings (1'') in Achsrichtung in einer Umformmatrize (2', 2),
c) Durchlochen der entstandenen Sacklochung (11'') mit einem Stanzstempel (8) und Herausstanzen des Lochungskernes (10),
d) Durchfahren der entstandenen Lochung mit einem stempelartigen Räumbügel (9) mit tolerierten Außenabmessungen, die der zu tolerierenden zentrischen Lochung (11) entsprechen, unter Ausfüllung und Glättung des stirnseitigen Abrißbereiches des ausgestanzten Lochungskernes (10) an der stirnseitigen Lochungskante.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von scheibenförmigen Steuernocken oder dergleichen aus einer hochkohlenstoffhaltigen Stahllegierung, die mit einer zur Außenkontur zentrierten Lochung auf einer Nockenwelle aufsetzbar sind, sowie einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Räumbügel.
Aus Gründen der Fertigungsvereinfachung, der Reduzierung der Fertigungskosten und der besseren Schmiermittelführung werden insbesondere in der Automobilindustrie neben den bekannten einstückigen geschmiedeten Nockenwellen, die einen erheblichen spanenden Nachbearbeitungsbedarf haben, auch Nockenwellenkonstruktionen eingesetzt, bei denen vorgefertigte Nockenscheiben auf entsprechenden Wellen zentriert und gefügt werden. Solche Fertigungsverfahren haben den Vorteil, daß nur die Nocken selbst aus hochbeanspruchten Materialien herzustellen sind. Daraus ergeben sich Fertigungs- und Gewichtsvorteile.
Es ist bekannt, die benötigten scheibenförmigen Steuernocken in mehreren Umformungsstufen zu pressen und dabei die notwendige zur Außenkontur zu zentrierende Lochung einzustanzen. Die Umformungen erfolgen dabei im hochwarmen Zustand über 1000°C, vorzugsweise auf Mehrstufenpressen. Verwendet werden zur Herstellung dieser Steuernocken hochkohlenstoffhaltige Stähle, beispielsweise 100Cr6. Bei diesem Herstellungsverfahren müssen sowohl die der Steuerung dienende Außenkontur als auch die zur Außenkontur zu tolerierende, zentrierte Lochung spanabhebend nachbearbeitet werden. Insbesondere sind der sich an der Lochkante ergebende Abrißbereich des ausgestanzten Lochkernes entsprechend stirnseitig und von der Innenseite der Lochung her nachzubearbeiten ebenso wie die Außenkontur, die durch ihre verzunderte Außenhaut ein großes Aufmaß zur Fertigkontur benötigt. Die ausgestanzten Lochungen haben daher zunächst ein Untermaß, welches die nachträgliche spanabhebende Bearbeitung des Abrißbereiches zuläßt. Diese Lochungen können je nach Festsetzungsart der Steuernocke auf der Welle im Querschnitt rotationssymmetrisch, oval oder auch sternförmig sein. Erforderlich sind in jedem Falle hohe Genauigkeiten der Geometrien der Außenkontur und der Lochung, die aufeinander zur Zentrierung im Toleranzbereich abgestimmt sein müssen.
Versuche, die Steuernockenrohlinge nach dem bekannten Verfahren im kalten Zustand zu pressen, sind wegen der hohen Preßkräfte sowohl bei der Verformung als auch beim Ausstanzen der Lochung bei Verwendung der erforderlichen Stahllegierungen gescheitert. Wirtschaftliche Fertigungsverfahren lassen sich offensichtlich mit solchen Kaltpreßverfahren nicht erzielen.

Aus der WO 96/27460 ist ein solches Herstellungsverfahren bekannt, bei dem die äußere Nockenkurve durch Kaltumformung auf Fertigmaß vorgeschlagen wird. Die Bearbeitung auf Fertigmaß der Nockenkurve soll dabei durch sogenanntes Freistauchen und anschließendes Prägen erfolgen. Solche Fertigungsverfahren erscheinen jedoch in Anbetracht der hohen zu fertigenden Stückzahlen und der erforderlichen Stahllegierungen hoher Härte wirtschaftlich nicht sinnvoll.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit dem die Innenkontur der Steuernocken preß- und stanztechnisch einbaufertig herstellbar sind und keine spanenden Nachbearbeitungen erfordern, sowie eine hohe Genauigkeit der Außenkontur zu erreichen, um das Aufmaß für das nach dem Fügen auf der Welle nötige Fertigschleifen möglichst gering zu halten.

Gelöst wird diese Erfindungsaufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Durchführung eines solchen Verfahrens in einer sogenannten Halbwärme unterhalb der Rekristallisationstemperatur der verwendeten Stahllegierung läßt Preßverformungen in Umformmatrizen zu, die relativ geringe Preßkräfte erfordern. In dieser Wärme ist ein Ausstanzen des Lochkernes möglich.

Von ausschlaggebender Bedeutung für die Fertigstellung der zu zentrierenden Lochung ist jedoch das Durchfahren der nach der Ausstanzung des Kernringes entstandenen Lochung mit einem stempelartigen Räumbügel, bei dem sowohl die Innenkonturen der danach tolerierten Lochung geglättet sind und bei der auch beim Verschieben des Materialüberschusses in Ausstoßrichtung der stirnseitige Abrißbereich an der Lochkante bei entsprechender Bemessungsabstimmung und Abstützung des Steuernockens von der Stirnseite her vollständig ausgefüllt wird. Die Rekristallisationstemperatur geeigneter hochkohlenstoffhaltiger Stahllegierungen liegt zwischen 550° – 650°C. Daher wird vorgeschlagen, die Umformung bei einer Wärme gemäß Anspruch 2 unterhalb von 500°C durchzuführen.

Von Vorteil kann es sein, das erfindungsgemäße Vordornen in zwei Umformungsschritten durchzuführen, wobei bei dem zweiten Umformungsschritt des Vordornens eine Kalibrierung erfolgt, insbesondere der Übergangsradien von der Lochungsinnenwand zum Lochungsboden. Die genaue Ausbildung dieser Radien beeinflußt in erheblichem Maße den späteren Abreißbereich an der Lochungskante nach Ausstanzen des Lochungskernes.

Mit einem Bügelstempel nach Anspruch 4 wird neben der Tolerierung der zentrierten Lochung eine Riefenbildung in der Lochung in achsparalleler Richtung erreicht, die insbesondere bei im Querschnitt runden Lochungen den Festsitz auf der Nockenwelle gegenüber Verdrehung begünstigt.

Anhand eines prinzipiell abgebildeten Ausführungsbeispiels wird das erfindungsgemäße Verfahren im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1a – 1d in teilweisen Querschnittsdarstellungen einen ersten Umformungsschritt zur Erzeugung des ebenfalls dargestellten scheibenförmigen Rohlings eines Steuernockens,
2a – 2d das Vordornen des Rohlings ebenfalls in einer ersten Umformmatrize sowie den zugehörigen Vordorn sowie einen Schnitt durch eine Draufsicht auf den vorgedornten Rohling,
3a – 3d die entsprechenden Darstellungen der zweiten Vordorn stufe,
4a – 4d die entsprechenden Darstellungen nach dem Durchstan zen des vorgedornten Rohlings und
5a – 5d die Darstellungen des Räumbügelschrittes und des sich ergebenden tolerierten Steuernockens als Endprodukt.
Zunächst wird auf die 1a – 1d Bezug genommen. In einem ersten Umformungsschritt wird aus einem entsprechend abgelängten Rundstahlabschnitt auf einer Mehrstufenpresse in einer Halbwärme der scheibenförmige Steuernockenrohling 1'''' hergestellt. Die Ablängung kann dabei durch Scheren, Schneiden, Sägen oder dergleichen erfolgen. Der abgelängte Rohling wird in einer Umformmatrize 2'' über den geführten Preßstempel 3 zu dem Steuernockenrohling 1'''' verformt. Die Außenabmessungen dieses Rohlings 1'''' sind zunächst geeignete untolerierte Abmessungen.
Mit einer mit der Ziffer 4 angedeuteten Zange wird das zu umzuformende Werkstück, in diesem Behandlungszustand der Steuernockenrohling 1'''', zur zweiten Umformstufe transportiert. Insoweit wird Bezug genommen auf die Darstellungen gemäß den 2a – 2d. In einer weiteren Umformmatrize 2' erfolgt wiederum in einer geeigneten Halbwärme ein Vordornen einer Sacklochung 11''' mit dem Vordorn 5, an dem Schultern 51 vorgesehen sind, die den Rohling 1''' stirnseitig abstützen.
In der zweiten Vordornstufe gemäß den Darstellungen in den 3a – 3d erfolgt eine Kalibrierung der Sacklochung 11'', insbesondere der Innenradien. Gleichzeitig wird in der Umformmatrize 2' eine Gesenkpressung vorgenommen. Die Innenabmessungen dieser Umformmatrize 2 sind unterschiedlich gegenüber den entsprechenden Abmessungen der Umformmatrize 2' des Umformvorganges der vorangegangenen Stufe. Der Dorn in der dritten Umformungsstufe ist ein mit der Ziffer 6 bezeichneter Kalibrierdorn, an dem die Schultern 61 vorgesehen sind, die dem Gesenkpreßvorgang dienen. Während dieses Gesenkpreßvorganges erhält der mit der kalibrierten Sacklochung 11'' versehene Steuernockenrohling 1'' die Enddicke (Endhöhe).
Zur Durchstanzung wird der Steuernockenrohling 1'' von der Umformungsstation gemäß 3a zur Umformungsstation gemäß 4a transportiert. Aus den Darstellungen der 4a – 4d ist erkennbar, daß der im Fänger 7 aufgenommene Steuernockenrohling im Bereich der vorangegangenen Sacklochung mit dem Stanzstempel 8 durchstoßen wird, wobei der Lochkern 10 ausgestanzt wird. Der nunmehr mit einer zur Außenkontur achsparallelen Lochung 11' versehene Steuernockenrohling 1' weist einen Abrißbereich 11'a an der entsprechenden Lochungskante auf, der beim Ausstoßen des Lochungskernes 10 entstanden ist. Der Lochungsinnendurchmesser ist unter der entsprechenden Gestaltung des Stanzstempels 8 kleiner als der endgültig zu tolerierende Lochungsdurchmesser des fertigen Steuernockens 1 gemäß 5c.
Die Endtolerierung der Lochung 11', 11'' und die Glättung bzw. die Ausfüllung des Abrißbereiches 11'a erfolgt in der Behandlungsstufe entsprechend den Darstellungen der 5a – 5d. Das entsprechend transportierte Werkstück ist wiederum in einem Fänger 7' aufgenommen und an der Ausstoßseite entsprechend abgestützt. In dieser Umformstation wird in die Steuernockenlochung der stempelartige Räumbügel 9 entsprechend 5b eingefahren. Dieser Räumbügel 9 besitzt eine reduzierte Schulter 91, deren Außenabmessungen den Innenabmessungen der zu tolerierenden bzw. tolerierten Lochung 11 im fertigen Steuernocken 1 entsprechen. Beim Durchfahren der Lochung 11', 11'' wird mit dem vorderen Teil des Räumbügels 9 der Materialüberschuß ausgeräumt und anschließend mit seiner reduzierten Schulter 61 die Glättung der Lochinnenwand erzeugt, sowie die Ausfüllung des stirnseitig abgestützten Abrißbereiches 11'a erreicht. Der ausgeräumte Materialüberschuß wird in Form des Kernringes 12 dargestellt.
Die geschilderten Umformungsvorgänge sollen vorzugsweise in der etwa gleichen Halbwärme unterhalb der Rekristallisationstemperatur der verwendeten Stahllegierung erfolgen. Möglich erscheint auch eine solche Umformung im kalten Zustand. Zu erwarten sind jedoch höhere Umformkräfte, eine Vergrößerung des Abrißbereiches mit erhöhter Schwierigkeit der Ausfüllung dieses Bereiches beim Räumen und Bügeln in der letzten Fertigungsstufe. Ein solches Verfahren im kalten Zustand ist jedoch denkbar bei hohen Toleranzanforderungen.

1'''': Steuernockenrohling
1''': Rohling mit Sacklochung
1'': Rohling mit Sacklochung
1': Rohling mit Sacklochung
1: tolerierter Steuernocken
2: Umformmatrize
2': Umformmatrize
2'': Umformmatrize
3: Preßstempel
4: Zange
5: Vordorn
51: Schulter
6: Kalibrierdorn
61: Schulter
7, 7': Fänger
8: Stanzstempel
9: Räumbügel
91: reduzierte Schulter
10: Lochungskern
11: tolerierte Lochung
11': Lochung
11'a: Abrißbereich
11'': Sacklochung
11''': Sacklochung
12: ausgeräumter Kernring

Claims

Verfahren zur Herstellung von scheibenförmigen Steuernocken oder dergleichen aus einer hochkohlenstoffhaltigen Stahllegierung, die mit einer zur Außenkontur zentrierten Lochung auf einer Nockenwelle aufsetzbar sind, gekennzeichnet durch folgende Umformschritte in einer Wärme unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Stahllegierung: a) Pressen eines scheibenförmigen Rohlings (1'''') mit einer nockenförmigen Außenkontur in einer Umformmatrize (2), b) ein- oder mehrstufiges Vordornen einer zur Außenkontur achsparallel zentrierten Sacklochung (11''', 11'') mit Lochungsabmessungen, die kleiner als die Endabmessungen der endgültigen Lochung sind, und unter gleichzeitiger weiterer Pressung des Rohlings (1'') in Achsrichtung in einer Umformmatrize (2', 2), c) Durchlochen der entstandenen Sacklochung (11'') mit einem Stanzstempel (8) und Herausstanzen des Lochungskernes (10), d) Durchfahren der entstandenen Lochung mit einem stempelartigen Räumbügel (9) mit tolerierten Außenabmessungen, die der zu tolerierenden zentrischen Lochung (11) entsprechen, unter Ausfüllung und Glättung des stirnseitigen Abrißbereiches des ausgestanzten Lochungskernes (10) an der stirnseitigen Lochungskante.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformschritte in unterschiedlichen Umformstationen bei nahezu gleicher Wärme unter 550°C erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein zweistufiges Vordornen in zwei unterschiedlichen Umformstationen, bei denen in der ersten Station zunächst ein Vordornen einer Sacklochung (11''') erfolgt, während in der zweiten Vordornstufe in einer anderen Umformmatrize eine Kalibrierung der Innenradien erfolgt bei gleichzeitiger axialer Verpressung des Rohlings (1'').
Räumbügel (9) zur Durchführung des Umformschrittes d) bei einem Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine reduzierte Schulter (91) mit tolerierten Außenabmessungen, die der zu tolerierenden zentrischen Lochung (11) entsprechen.