DE10129671A1 - Verfahren zur Herstellung gezielter Werkstoffanhäufung an hohlen Wellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hohlen Wellen mit mindestens einem vollformgebundenen Wellenbund durch gezieltes Aufstauchen der Wandstärke. Ein rohrförmiges Halbzeug wird durch eine formbegrenzende Matrize und durch mehrere am Umfang angeordnete Werkzeuge, durch radiales Führen bei gleichzeitigem axialen Stauchen gezielt zu einem lokalen Wellenbund oder -absatz ausgeformt. Dabei wird die Wandstärke gezielt erhöht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit mindestens einem Wellenbund mit lokal erhöhter Wandstärke.
• Derartige Hohlwellen werden zur Zeit insbesondere in Getrieben benötigt. Der Wellenbund dient entweder zur Einbringung einer Verzahnung (Festradgetriebewelle) oder als Anschlag für ein Zahnrad (Losradgetriebewelle).
• Stand der Technik ist das Fließpressen in Kombination mit dem Tieflochbohren. In dieser Prozesskette wird vor dem Härten die Welle tieflochgebohrt. Diese Fertigungsalternative beinhaltet dennoch verfahrensbedingte Nachteile. Aufgrund des hohen Zerspanungsaufwandes resultiert zwangsläufig ein enormer Werkzeugverschleiß der Bohrwerkzeuge. Des weiteren kann die Forderung aus der Automobilindustrie nach deutlicher Reduzierung des Bauteilsgewichts oft nicht erfüllt werden, da Hinterschnitte mit dieser Prozesskette nicht herstellbar sind.
• Ebenfalls bekannt ist, derartige Hohlwellen durch Rundkneten herzustellen. Dieses bekannte Verfahren ist allerdings auf Hohlwellen mit Wellenbünden ohne lokale Werkstoffanhäufung im Bereich des Wellenbundes begrenzt.
• Als noch zu erwähnende Fertigungsalternative ist das Napfrückwärtsfließpressen zweier Bauteilhälften mit anschließendem Reibschweißen zu nennen. Diese Verfahrenskombination wurde in vergangener Zeit für kleine Stückzahlen realisiert. Problematisch ist hierbei die Positionierung der Bauteilhälften vor der Fügeoperation, wodurch sich ein axialer Versatz einstellen kann, der den Rundlauf negativ beeinträchtigt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Hohlwellen mit Wellenbünden die im Bereich des Wellenbundes eine deutlich erhöhte Wandstärke mit größerem Durchmesser als des Ausgangsmaterials hergestellt werden können.
• Als Grundlage wird eine erweiterte Rundknetanlage mit axialer Staucheinrichtung und ggf. Erwärmungseinheit zum partiellen Erwärmen des Werkstückes benötigt.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche a-i gelöst. Es sind erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
  
• a) Bereitstellung eines rohrförmigen Bauteils mit eingeschobenen Werkzeughülsen.
• b) Einspannen des Werkstücks in eine Werkstückaufspannung (je nach Maschinenkonzept mit oder ohne Dreheinrichtung), die das Werkstück mittig zu dem Umformwerkzeugen positioniert.
• c) Je nach geforderten Umformgrad wird das Werkstück ggf. partiell auf eine bestimmte Umformtemperatur erwärmt.
• d) Positionieren des Werkstückes in der Umformeinheit.
• e) Positionieren der begrenzenden Umformhülsen.
• f) Zufahren der am Umfang angeordneten Werkzeugsegmente bis maximal auf den Durchmesser des Halbzeuges und Einfahren eines formbegrenzenden Innendorn.
• g) Umformung des Halbzeuges durch die am Umfang angeordneten oszillierenden Werkzeugsegmenten und einleitenden axialer Stauchbewegung. Dabei rotieren je nach Maschinenbauform die Werkzeuge oder das Werkstück um eine gemeinsame Rotationsachse, so dass eine Relativdrehbewegung zwischen Werkzeug und Halbzeug durchgeführt wird (vgl. Rundkneten oder Axial-Radial-Umformen).
• h) Weiteres Umformen mit kontinuierliches oder diskretes radiales Verfahren nach außen der oszillierenden Werkzeugsegmente bei gleichzeitigem axialen Stauchen des Rohres (einseitig oder beidseitig) und der beschriebenen Drehbewegung.
• i) Abschließendes Ausformen und Kalibrieren der Eckenbereiche der gewünschten Endkontur ohne weiteres radiales Verfahren der Werkzeugsegmente.
• Mit diesem Verfahren kann auf einer Axial-Radial-Umformanlage in einfacher Weise aus einem rohrförmigen Halbzeug ein Wellenbund ausgeformt werden, der eine größeren Außendurchmesser und eine deutlich höhere Wandstärke als das ursprüngliche Halbzeug beinhaltet.
• Die Oberflächenbeschaffenheit der erzeugten Hohlwelle hängt hierbei von der Qualität und Struktur der Umformhülsen, der Werkzeugsegmente und dem verwendeten Schmierstoffsystem ab. Vorteile ergeben sich durch die gezielte Ausformung des Wellenbundes durch die Einbringung der Umformhülsen. Hierzu zählt die gezielte Breite des Wellenbundes als auch die Form der Seitenflanken des Wellenbundes. Weiterhin entscheidend ist für den Verfahrensablauf das radiale Verfahren der Werkzeugsegmente die eine unerwünschte Faltenbildung verhindert. Durch die Ausformung der Hohlwelle in eine konturgebenden Umformhülsen und Werkzeugsegmenten können enge Toleranzbereiche realisiert werden, so daß nötige Nachbearbeitungsschritte minimiert werden können. Komplexe Wellengeometrien können material- und energiesparend erzeugt werden. Durch die gezielte Anhäufung des Werkstoffmaterials kann die Bauteilgeometrie belastungsoptimiert gestaltet werden, so dass eine Minimierung des Bauteilgewichts erreicht werden kann.
• Die unter a) beschriebene konturgebenden, Werkzeug bzw. Umformhülsen kann je nach der Größe der wirkenden Beanspruchungen wärmebehandelt sein. Es stellt im wesentlichen die Negativform der Seitenkontur und die Breite des zu erzeugenden Wellenbundes dar und besteht aus mindestens einem Teil. Je nach Konstruktionskonzept und zu erwartenden Beanspruchung kann sie ggf. auch als geteiltes Werkzeug ausgeführt werden.
• Die unter d) und e) beschriebene Positionierung des Halbzeuges und der Werkzeughülsen kann je nach Lage des herzustellenden Wellenbundes im Randbereich oder inneren des Wellenbundes liegen. Bei einer Ausformung im Randbereich ist dann nur eine Werkzeughülse erforderlich.
• Das unter f) beschriebene Zufahren der Werkzeugsegmente kann je nach Stabilität des Halbzeuges gegen Ausbeulen variiert werden. Bei dünnwandigen Rohren ist ein Zufahren der Werkzeugsegmente bis auf den Außendurchmesser des Halbzeuges erforderlich. Der eingebrachte Dorn kann je nach anzustauchenden Wellenbund vom Innendurchmesser des Halbzeuges abweichen.
• Die unter g) beschriebene Umformung ohne das unter f) beschriebene radiales Verfahren der Werkzeugsegmente kann ggf. auch entfallen.
• Wie in Punkt h) beschrieben, werden die Werkzeugsegmente kontinuierlich oder diskret verfahren. Dabei kann entweder die axiale Stauchbewegung konstant oder variabel gestaltet werden. Dies gilt auch für das radial Verfahren der Werkzeugsegmente, die vom Ausgangsdurchmesser radial nach außen verfahren werden, bis sie den gewünschten Enddurchmesser erreicht haben. Die radiale Verfahrbewegung wird dabei der oszillierenden Werkzeugbewegung überlagert. Bei geeigneter Wahl der Hülsengeometrie und Verfahrweg kann gleichzeitig eine Hinterschneidung ausgeformt werden. Dazu verfahren die Werkzeugsegmente soweit, bis sie einen größeren Durchmesser als der Außendurchmesser der Werkzeughülsen erreicht haben. Anschließend werden die Werkzeug wieder radial zugestellt und die Hinterschneidung ausgebildet. Durch das generell beschriebene radiale Verfahren wird der Materialfluss dahingehend beeinflusst, das die Verfahrensgrenze des Axial-Radial-Umformens gezielt erhöht werden kann. Hierdurch lassen sich deutlich größere Wanddickenerhöhung als beim Axial-Radial-Umformen mit gravierten Werkzeugen erreichen. Entgegen dem radialen Führen ohne die begrenzenden Werkzeughülsen kann die Seitengeometrie als auch die Breite des Wellenbundes unabhängig von der ggf. vorhereingebrachten partiellen Erwärmung hergestellt werden.
• Das unter h) beschriebene abschließende Umformen dient zum einen zum Ausformen der Eckenbereiche des Wellenbundes. Zum anderen wird die Kontur in Umfangsrichtung kalibriert. Diese Vorgänge sind vergleichbar mit denen des Axial-Radial-Umformen mit gravierten Werkzeugen.
• Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert.
• Es zeigt:
• Bild 1 den prinzipielle Aufbau des zu patentierenden Verfahrensprinzip.
• Bild 2 und Bild 3 zeigen die prinzipiell herzustellenden Wellenbundformen.
• Bild 4 stellt ausschnittsweise die oszillierende Werkzeugbewegung mit Überlagerung des beschriebenen radialen Verfahren, dar.
• Bild 5 zeigt den Vergleich des Stoffflusses zwischen konventionellen Axial-Radial-Umformen mit gravierten Werkzeugen und des zu patentierenden Verfahrensprinzip.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle (x), welche eine Außenkontur mit mindestens einem Wellenbund (x) aufweist, gekennzeichnet dadurch, dass Wellenabsatz aus einem rohrförmigen Halbzeuges durch die Verfahrenstechnologie des Axial-Radial-Umformen bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenbund eine gezielte lokale Werkstoffanhäufung in Form von einer Wanddickenerhöhung aufweist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenbund an den Wellenbundseitenflächen (x) gezielt formgebunden ausgeformt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausformung der Wellenbundseitenflächen zwei fixierte oder flexibel axial verfahrbare Formgebungshülsen, die die Kontur der Seitenflächen darstellt, eingebracht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hämmerwerkzeugsatz einen Absatz beinhaltet, der zu Prozessbeginn zwischen die Formgebungshülsen eingefahren wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugsegmente durch einen geeigneten Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf, während der axialen Stauchbewegung der Manipulatoren und der oszillierenden Werkzeugbewegung, die Werkzeugsegmente radial nach außen verfahren werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung des Stoffflusses radial nach innen, durch einen Dorn begrenzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Umformung das Werkstück partiell erwärmt werden kann.