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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Innenkontur
mit einem auf die Innenwandung eines topfförmigen oder ringförmigen rotationssymmetrischen
Werkstücks
einwirkenden Innendorn, insbesondere zur Herstellung von Hohlrädern, Schiebemuffen,
Schaltmuffen, Kupplungskörpern oder
dergleichen mit einer Innenverzahnung versehenen Getriebeteilen,
die mit einer mit dem Innendorn während der Kaltumformung zusammenwirkenden
Matrize gelagert sind.
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Die
Herstellung rotationssymmetrischer Werkstücke durch Kaltumformung ist
besonders wirtschaftlich bei hochbeanspruchten Teilen. Hierfür wird in
das Formteil ein Innendorn eingebracht, dessen Umfangsfläche der
Innenprofilierung nach der Verformung entspricht. Dadurch werden
einerseits bessere Festigkeitseigenschaften erzielt, die als Folge
der Werkstoffverfestigung und Faserstruktur beim Umformen entstehen.
Andererseits ist die für
die Umformung erforderliche Formwandlung relativ gering, so dass
eine ausreichende Zähigkeit
des Werkstoffmaterials erhalten bleibt.
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Nach
der Deutschen Gebrauchsmusteranmeldung
DE 295 00 403 U1 ist es
bekannt, Konturen in der Wandung eines Rohres mit einem Innenkonturstück herzustellen,
wobei gegenüberliegend
dazu außerhalb
des Rohres ein Außenkonturstück angeordnet
ist. Die Vorrichtung entspricht im Wesentlichen dem Aufbau einer
Sickenmaschine, bei der ein drehbar angeordnetes Innenkonturstück und ein drehbar
angeordnetes Außenkonturstück vorgesehen
sind, wobei die Außendurchmesser
des Innenkonturstückes
und des Außenkonturstückes etwa gleich
groß sind
und beide jeweils am Außenumfang Konturbereiche
aufweisen. Die
DE
295 00 403 U1 ist eine Kombination der bekannten Sickenmaschine
mit einer Muffenmaschine, wobei das Außenkonturstück das zu verformende Rohr
ringförmig
umschließt
und das Außenkonturstück drehbar
angeordnet ist. Die Zustellung der Walzen erfolgt ausschließlich in
Radialrichtung, wobei durch Erhöhung
des Walzdrucks eine Durchmesseraufweitung nicht auszuschließen ist.
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Nach
der
DE 199 10 474
A1 wird eine Nabenhülse
durch einen Rollvorgang beziehungsweise durch einen Prägevorgang
hergestellt, bei dem eine Längenänderung
des zu rollenden Grundkörpers nicht
stattfindet. Die Verformung beim Rollprägen erfolgt in erster Linie
in radialer Richtung. Erforderlich ist eine Abstimmung des Grundkörpers hinsichtlich seiner
Durchmesserverhältnisse
auf das fertige Werkstück,
wenn die fertige Nabenhülse
inklusive Kugelläufe
und Rändel
ohne Verkanten der Walzen des Werkzeuges erfolgen soll.
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Für die Herstellung
einer Innenverzahnung für
Klinkengesperre ist in das Profil am Innendorn das Negativ der Verzahnung
eingearbeitet. Die Anordnung zeigt eine Außenwalze als Hohlwalze mit
einem innen liegenden Profil, innerhalb derer der Innendorn mit
seinem zweiten Profil angeordnet ist, wobei der Grundkörper durch
Zustellen gegen die Außenwalze rollgeprägt wird.
Der Vorteil der Anordnung einer Außenwalze als Hohlwalze mit
innen liegendem Innendorn liegt in der stabileren Abrollkinematik
mit einer verlängerten
Rollprägestrecke,
wodurch sich der Grundkörper
beim Rollprägevorgang
stabilisiert und ohne zusätzliche
Stabilisierungshilfen gerollt werden kann.
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Eine
Umkehrung des Verfahrens findet statt bei der Herstellung von außen verzahnten
Zahnrädern
aus einem Pulvermetallrohling nach der
EP 1027 179 B1 , wobei die
Zähne ohne
eine Beeinträchtigung
der verdichteten Oberfläche
im Eingriffsbereich verdichtet werden. Die Gegenverzahnung ist als
Innenverzahnung ausgebildet und umschließt den Pulvermetallrohling
als ringförmiges
Drückwerkzeug
mit Hilfe einer am Außenumfang
des Drückwerkzeuges
abrollenden Andrückrolle.
Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass bei einer Innenverzahnung
die beim Zahneingriff auftretenden Gleitgeschwindigkeiten zwischen
den Zahnflanken des Pulvermetallrohlings und des Drückwerkzeuges deutlich
geringer ausfallen als beim Zahneingriff zwischen zwei Stirnrädern.
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Eine
Ausführungsform
der
EP 1027 179 B1 beruht
auf der Feststellung, dass die mit dem Abwälzen der Verzahnung verbundene
Gleitbewegung zwischen den aufeinander abwälzenden Flanken umso kleiner
wird, je geringer die Differenz der Zähnezahl des Drückwerkzeuges
und des Pulvermetallrohlings ist. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich demnach,
wenn bei gleicher Zähnezahl
der Innenverzahnung des Drückwerkzeuges
und der Verzahnung des Pulvermetallrohlings ohne Relativdrehung
zwischen Drückwerkzeug
und Pulvermetallrohling gearbeitet wird.
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Neben
dem Walzen von Verzahnungen ist das Walzen von Innengewinde bekannt,
dass durch Abrollen eines Walzwerkzeuges mit einer Gewinderolle
durchgeführt
wird. Nach der
DE 40
34 795 C2 erfolgt die Herstellung von Innengewinden in
rohrartigen Werkstücken
mit einem Werkzeug mit schraubenförmiger Wirkfläche. Der
Werkstoff wird durch das Formwerkzeug aus dem Gewindegrund verdrängt. Bei
dieser Art der Umformung treten sehr hohe Drücke und Reibkräfte auf,
welche sich mit zunehmender Geschwindigkeit stark vergrößern. Dies führt zum
raschen Verschleiß der
Werkzeuge und zum Ausreißen
der Gewindegänge
am Werkstück. Das
Rollen von Innengewinde erfordert eine gewisse Wandstärke und
ist für
z. B. Bleche ungeeignet.
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Bei
der Bearbeitung von Werkstücken
aus Blech mit einer Innenverzahnung werden daher in der Hauptsache
Drückverfahren
angewendet, wobei die Innenkontur auf einem Drückdorn beziehungsweise die
Außenkontur
des Werkstücks
in einer Matrize abgebildet ist. Bei der
DE 19524089 C1 wird zur Herstellung
eines Getriebeteiles mit einer Außenverzahnung ein topfförmiges Werkzeug
eingesetzt. Mit einer Drückrolle
wird die in der Matrize rotierende Metallronde durch Drücken vom
Zentrum zum Rand hin in ihrer Dicke verringert und das so gewonnene Material
zu einem von der Nabe vorstehenden zylindrischen Randbereich verformt.
Der sich im Wesentlichen senkrecht zur Nabenfläche erstreckende zylindrische
Randbereich wird auf der Außenseite
mit einer Verzahnung versehen.
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Bei
der Herstellung eines innenverzahnten Getriebeteils mit einer glatten
Außenseite
nach der
DE 39 31 599
A1 wird ein topfförmiges
Rohteil eingesetzt, das entweder auf einer Drückmaschine oder einer Presse
hergestellt wurde. Das Rohteil befindet sich auf einem Drückdorn mit
Verzahnung und mittels einer Drückrolle
wird auf das rotierende Werkstück eingewirkt.
Das Werkstück
wird in einem ersten Arbeitsgang auf den Außenumfang des mit der Außenverzahnung
versehenen Drückdorns
angelegt und in einem zweiten Arbeitsgang wird das rotierende topfartige
Werkstück
mittels einer Drückrolle
in die Nuten der Verzahnung eingepresst und dabei gleichzeitig gelängt.
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Die
nach dem Stand der Technik bekannten Rollprägeverfahren zur Herstellung
einer Innenkontur weisen den Mangel auf, dass die Innenkontur der Matrize
größer als
die Außenkontur
des Werkstückes ist.
Die Dornwalze zum Walzen der Innenkontur ist wesentlich kleiner
als die Innenkontur des Werkstückes.
Das Walzen von Innenprofilen ist daher mit einer Aufweitung des
Rohteils verbunden, was für
eine exakte Nachbildung einer Verzahnung nachteilig ist. Wenn der
Walzdorn und die Matrize gleichzeitig angetrieben werden, müssen beide
im Kontaktbereich mit dem Werkstück
die gleiche Umfangsgeschwindigkeit aufweisen. Außerdem ist beim Profilwalzen ein
Werkstofffluss in Axialrichtung zu verzeichnen, durch den das Werkstück beim
Walzen während
des Walzprozesses entsprechend dem durch das Werkzeugprofil verdrängte Werkstoffvolumens
länger wird.
Bei der Herstellung von Ringen mit großen und tiefen Profilen, bei
Getrieberingen oder Schaltmuffen führt dies zu Problemen bei der
gewünschten
Genauigkeit.
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Die
Erfindung bezweckt die Vermeidung der Nachteile des Standes der
Technik und ein Verfahren, bei dem während der Kaltumformung eine
Aufweitung und Längenänderung
des Werkstücks
vermieden wird. Damit sollen mit einer Innenverzahnung versehene
Getriebeteile hergestellt werden, die eine größere Symmetrie und höhere Genauigkeit
aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert
werden. Im Einzelnen zeigt
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1 das
Walzen der Innenverzahnung eines Werkstücks mit einem drehangetriebenen
Innendorn und
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2 das
Walzen der Innenverzahnung eines Werkstücks mit einem drehangetriebenen
Innendorn und einer angetriebenen Matrize in schematischer Darstellung.
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1 zeigt
stark schematisiert ein rotationssymmetrisches topfförmiges Werkstück 1,
bei dem die Innenbohrung mit einer Innenkontur 2 in der
Form einer Verzahnung versehen werden soll. Das Werkstück 1 kann
desgleichen eine ringförmige
Gestalt aufweisen. Bevorzugte Werkstückteile sind Hohlrädern, Schiebemuffen,
Schaltmuffen, Kupplungskörpern
oder artgemäße mit einer
Innenverzahnung versehenen Getriebeteile. In dem Ausführungsbeispiel soll
das topfförmige
Werkstück 1 mit
einer axial sich erstreckenden Innenverzahnung versehen werden, die
einen Schrägungswinkel
aufweist. Die Profilgebung erfolgt mit einem auf die Innenkontur 2 oder
Innenbohrung einwirkenden Innendorn 3, der mit einer der
Innenverzahnung entsprechenden profilgebenden Außenverzahnung 4 versehenen
ist. Der Innendorn 3 weist eine in 2 angedeutete
drehangetriebene Dornwelle 5 auf, die mit einer nicht weiter
dargestellten Dornlagerung gelagert ist, wobei der Innendorn 3 radial
und axial verschiebbar angeordnet ist.
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Das
Werkstück 1 wird
in einer mit dem Innendorn 3 während der Kaltumformung zusammenwirkenden
rotierenden Matrize 6 als Werkstückträger aufgenommen. Das Werkstück 1 wird
mit einem Passmaß außen vorgefertigt,
das einen zu der Innenkontur 2 der Matrize 6 passenden
Außendurchmesser
aufweist. Mittels einer Längspresspassung
wird das Werkstück 1 in
die Matrize 6 eingepresst. Während der Kaltumformung wird
das Werkstück 1 durch den
drehangetriebenen Innendorn 3 an die Innenkontur 2 der
Matrize 6 gepresst. Das Werkstück 1 wird damit reibschlüssig und
drehfest in der Matrize 6 fixiert. Zum Auswerfen des Werkstücks 1 nach
dem Abschluss des Walzvorgangs der Profilierung ist in der Matrize 6 ein
Axialstempel 7 vorgesehen, durch den das fertig bearbeitete
Werkstück 1 in
Achsrichtung ausgeworfen wird.
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Das
Fixieren des Werkstücks 1 in
der Matrize 6 kann durch eine Längspresspassung erfolgen, wobei
ein Aufwand zur Vorfertigung des Außendurchmessers erforderlich
ist. Um das Werkstück 1 in
der Matrize 6 zu fixieren, muss die Passung zwischen dem
Außendurchmesser
des Werkstücks 1 und
dem Innendurchmesser der Matrize 6 Übermaß haben. Um das Auswerfen nach
dem Umformen mit dem Axialstempel 7 zu ermöglichen,
darf das Übermaß der Passung
nicht zu groß gewählt werden.
Infolgedessen sind geringe Fertigungstoleranzen erforderlich. Eine
Vereinfachung kann durch die Vorfertigung von Werkstücken 1 erreicht
werden, bei denen der Außendurchmesser
mit einem Übermaß hergestellt wird.
Das reibschlüssige
Einfügen
des Werkstücks 1 in
die Matrize 6 kann bei einem mit Übermaß gefertigten Werkstück 1 durch
Anwendung von Wärme oder
Kälte erfolgen.
Während
der bei der Umformung eintretenden Formveränderung wird der durch das Übermaß vorhandene
Spannungszustand im Verlauf des Werkstoffflusses beseitigt, so dass
das Werkstück 1 ohne
weiteres mit dem Axialstempel 7 aus der Matrize 6 ausgeworfen
werden kann.
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Um
ein sicheres Spannen eines außen
vorgefertigten Werkstücks 1 zu
ermöglichen,
kann des Weiteren eine spannzangenähnliche Matrize 6 beziehungsweise
eine matrizenähnliche
Klemmeinrichtung eingesetzt werden. Mit einer spannzangenähnlichen
Matrize 6 kann ein schneller und einfacher Werkstückwechsel
in der Maschine bewerkstelligt und die Werkstückqualität bei einem außen vorgefertigten
oder profilierten Werkstück 1 gewährleistet werden.
Das Verfahren kann auf diese Weise ebenso die Herstellung von Außen und
Innen profilierten Werkstücken 1 ermöglichen.
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Gemäß 1 wird
bei der Herstellung eines vorliegenden topfförmigen Werkstücks 1 mit
Innenverzahnung beispielsweise von einem Tiefziehteil, Pressteil
oder spanend angefertigten Rohteil ausgegangen, welches von der
Matrize 6 aufgenommen wird, wobei das Werkstück 1 an
dem Axialstempel 7 anliegt und bodenseitig gestützt wird.
Der Innendorn 3 und das in der Matrize 6 aufgenommene
Werkstück 1 wälzen sich
bei parallel angeordneten Achsen an den Berührungsflächen ab. Durch Verkleinern
des Achsabstandes erfolgt die Werkstoffverdrängung. Die Verkleinerung des
Achsabstandes erfolgt durch eine Zustellung in Radialrichtung, während das
Einführen
des fliegend gelagerten Innendorns 3 in die Innenbohrung
des Werkstücks 1 eine
axiale Zustellung erfordert.
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Der
mit einer Außenverzahnung 4 oder
einer Außenprofilierung
versehene Innendorn 3 wird bei Drehung um seine Dornachse 8 während des
Walzens in Axialrichtung in das Werkstück 1 eingeführt und
in Radialrichtung zugestellt. Während
der Rotation wird der Innendorn 3 in Radialrichtung allmählich dem
Werkstück 1 genähert und
in die Innenkontur 2 eingedrückt, wobei das dabei verdrängte Materialvolumen
in die vorhandenen Zahnlücken
des Innendorns 3 fließt,
um die Zahnteile der Innenverzahnung zu erzeugen. Beim Walzen und
bei Zustellung des Innendorns 3 in Radialrichtung entsteht
durch die Werkstoffverdrängung
eine Werkstoffanhäufung
an den Profilflanken des Innendorns 3. Bei der Zustellung
des Innendorns 3 in Axialrichtung entsteht eine Werkstoffverdrängung im
Bereich des Kopfteils des Innendorns 3. Infolgedessen können keine
Längenabweichungen
auftreten, weil das Werkstück 1 durch die
Matrize 6 eingeschlossen und die Längenausdehnung durch den Axialstempel 7 begrenzt
ist. Beim Kaltwalzen wird durch den hohen Druck des Innendorns 3 die
Materialverdrängung
vollständig
auf die Profilform des Werkstücks 1 übertragen.
Im Kopfbereich der angeformten Werkstückzähne können Fehlstellen vermieden
werden. Mit dem Verfahren lassen sich damit einfach und wirtschaftlich
Präzisionsteile mit
einer Innenverzahnung herstellen. Es wird ein wesentlich besseres
Arbeitsergebnis erzielt, weil trotz der hohen Umformkräfte unerwünschte Formänderungen
des Werkstücks 1 vermieden
werden.
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Bei
dem in 2 beschriebenen Verfahren erfolgt zunächst die
Zustellung des Innendorns 3 in Radialrichtung gegenüber dem
in der Matrize 6 gelagerten Werkstück 1 vor der Formgebung.
Die Formgebung des Innenprofils erfolgt durch Zustellung des Innendorns 3 in
Axialrichtung bei Drehung des Innendorns 3 um seine eigene
Dornachse 8. Trotz Zustellung des Innendorns 3 in
Axialrichtung erfolgt die Materialverdrängung in Radialrichtung. Eine
Längenänderung
des Werkstücks 1 wird
vollständig
vermieden und die Profilausbildung verbessert sich. Dementsprechend
werden die durch den Innendorn 3 übertragenen Druckkräfte vollständig für die Profilgebung ausgenutzt.
Die Druckkräfte
des Innendorns 3 werden auf diese Weise verringert und
die Lebensdauer des Innendorns 3 wird verlängert.
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Zur
Erleichterung des Einführens
des Innendorns 3 und zur weiteren Verbesserung der Profilumformung
weist der Innendorn 3 an seinem in das Werkstück 1 einzuführenden
stirnseitigen Ende einen abgeschrägten Anschnitt 9 mit
einem Eingriffswinkel auf. Die auf das Werkstück 1 wirkenden Kräfte sind bei
einem Innendorn 3 mit einem Eingriffswinkel geringer. Im
Bereich dieses Anschnittes 9 wird das Verzahnungsprofil
bei der axialen Zustellung allmählich auf
die erforderliche Tiefe gebracht, weil durch den Anschnitt 9 vor
der bestimmungsgemäßen Ausbildung
des Innenprofils eine Vorverformung erfolgt und das Profil allmählich in
seine endgültige
Form gebracht wird. Damit werden die Randzonen der Dornwerkzeuge
geschont.
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Die
Herstellung der Innenprofilierung durch eine im Wesentlichen in
Axialrichtung fortschreitende Umformung hat den Vorteil, dass der
Werkstoff unmittelbar mit dem Eingriff des ersten Profilzahnes veranlasst
wird, im Bereich des Profilgrundes zu fließen, wobei das Innenprofil
leicht in seine endgültige Form
gebracht wird. Dies bietet den Vorteil geringerer Radialdrücke. Es
besteht nicht die Gefahr, dass das Material bei Beginn der Verformung
im Profilgrund verfestigt und durch die zunehmende Verfestigung beim
Walzen versprödet
wird. Das entstehende Werkstückprofil
besitzt dadurch eine höhere
Tragfähigkeit.
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Bei
dem Verfahren nach 1 ist der Innendorn 3 drehangetrieben.
Der Innendorn 3 treibt das Werkstück 1 und die nichtangetriebene
Matrize 6 mit dem fest eingespannten Werkstück 1 wird
durch das Werkstück 1 mitgenommen.
Der Innendorn 3 und das Werkstück 1 wälzen in
der Kontaktzone aufeinander ab. Damit ist eine kontinuierliche Bearbeitung
in Umfangsrichtung gewährleistet.
Um beim Walzen einer Verzahnung zu verhindern, dass die während des Walzvorganges
anfangs gewalzten Zähne überwalzt werden,
ist eine Synchronisation des Walzvorganges erforderlich, damit am
Schluss die gewünschte
Teilung vorhanden ist.
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Zur
Synchronisierung des Eingriffs der Innenprofilierung mit der Außenverzahnung 4 des
Innendorns 3 ist vor der Matrize 6 eine das Verzahnungsprofil
aufweisende Synchronscheibe 10 angeordnet. Der Gleichlauf
wird durch den formschlüssigen
Eingriff des Innendorns 3 mit der Synchronscheibe 10 gewährleistet,
bis die erforderliche Profiltiefe zur Führung des Innendorns 3 erreicht
ist. Die Synchronscheibe 10 ist mit einer innenliegenden
Verzahnung 11 versehen. Auf diese Weise werden Teilungsfehler
vermieden.
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Bei
dem Verfahren nach 2 weisen die Matrize 6 und
der Innendorn 3 voneinander unabhängige durch Drehrichtungspfeil 12 angedeutete
Antriebsvorrichtungen auf, die miteinander zur Synchronisierung
des Gleichlaufs zur Aufrechterhaltung der Eingriffsverhältnisse
zwischen dem Innendorn 3 und dem Werkstück 1 in der Zustellperiode
steuerungstechnisch gekoppelt werden. Vorzugsweise umfassen die
Antriebsvorrichtungen elektromotorische CNC gesteuerte Antriebe,
die durch eine elektronische Synchronisationseinrichtung synchronisiert sind.
Auf diese Weise werden Teilungsfehler vermieden. Für den Einzelantrieb
der Matrize 6 und des Innendorns 3 können drehzahlregelbare
Drehstrom -Synchronmotoren eingesetzt werden, die mit Regelkreisen
versehen, analog oder digital gesteuert durch den ständigen Vergleich
der Soll – und
Istwerte des Stroms und der Drehzahl dafür sorgen, dass der Antrieb
auch bei wechselnder Belastung den gewünschten Bewegungsablauf exakt
einhält.
Durch Einsatz einer entsprechenden CNC – Steuerung zur exakten Synchronisation
der Antriebe der Matrize 6 und des Innendorns 3 können die
Werkstücke 1 mit einer
exakten Teilung der Verzahnung hergestellt werden.