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Die
Erfindung betrifft ein Kaltumformverfahren zur Herstellung eines
einbaufertigen Kugelzapfens als Bauelement eines Kugelgelenkes mit
einem Kugelbereich, einem sich an den Kugelbereich in axialer Längsrichtung
des Kugelzapfens anschließenden
Halsbereich sowie an den Halsbereich an der dem Kugelbereich abgewandten
Seite angrenzende konus- und/oder zylinderförmige Teilbereiche, bei dem
durch einen mehrstufigen Pressvorgang die zylinder- und/oder konusförmigen Teilbereiche
sowie der Kugelbereich ausgeformt werden.
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Die
eingangs beschriebenen Kugelzapfen als Bauelemente eines Kugelgelenkes
werden in vielen Bereichen der Technik, insbesondere in Lenkungsbaueinheiten
und an Fahrwerkselementen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die Herstellung
der Kugelzapfen soll auf Grund der großen Stückzahlen kostengünstig sein,
wobei gleichzeitig auf Grund des Einsatzes der zugehörigen Kugelgelenke
in sicherheitsrelevanten Bereichen des Kraftfahrzeuges die geforderten
Festigkeits- und Toleranzbreiten eingehalten werden sollen.
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Die
Herstellverfahren der genannten Kugelzapfen lassen sich prinzipiell
in spanende sowie spanlose Herstellungsverfahren einteilen. Bei
der spanenden Formgebung entstehen größere Mengen an Abfallmaterial,
welche entsorgt werden müssen. Darüber hinaus
besteht bei der spanenden Bearbeitung von Kugelzapfen der Nachteil,
dass die als Abfall anfallende Materialmenge zunächst als Halbzeug gekauft werden
muss.
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Nachteilig
ist außerdem,
dass auf den heutzutage üblichen
Werkzeugmaschinen keine Taktzeiten möglich sind, die wesentlich über eine
Anzahl von acht Stück
pro Minute hinausgehen. Bei der spanenden Formgebung ist es darüber hinaus
notwendig, dass zumindest der Gewindebereich durch einen Roll- bzw.
Walzvorgang bearbeitet wird, wobei zusätzlich zum Glätten des
Kugelbereiches eine Roll- bzw. Walzoperation zum Finishing des Kugelbereiches
gewählt
wird, um die Anforderungen hinsichtlich Oberflächengüte und Maßhaltigkeit einzuhalten. Die Taktzeiten
der Roll- bzw. Walzvorgänge
liegen ebenfalls im Bereich von ca. 8 Stück pro Minute.
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Darüber hinaus
ist bei den zum Stand der Technik gehörenden Herstellverfahren nachteilig, dass
die Kugelzapfen während
ihrer aufeinander folgenden unterschiedlichen Bearbeitungsschritte
an verschiedenen Bearbeitungsstationen in Behältern vorgehalten werden, wobei
das Hineinfallen der einzelnen Bauteile zu unerwünschten Schlagstellen am Kugelbereich
sowie den am Kugelzapfen vorhandenen konusförmigen Teilbereichen führen kann.
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Die
Investitionskosten für
die Werkzeugmaschinen, die für
die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung
von Kugelzapfen notwendig sind, sind darüber hinaus nicht unerheblich.
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Aus
dem Stand der Technik sind auch Kugelzapfen bekannt, die mehrteilig
ausgeführt
sind, bei denen jedoch der Montageprozess und die Kontrolle der
montierten Kugelzapfen äußerst kostenintensive
Vorgänge
sind, so dass eine derartige Herstellmethode für die Massenfertigung prinzipiell
ungeeignet ist.
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Alternativ
zur spanenden Bearbeitung ist es im Stand der Technik bekannt, Kugelzapfen
auf kaltem oder warmen Weg durch Pressen herzustellen. Die Pressvorgänge können in
Richtung der Längsachse
des Kugelzapfens, wobei üblicherweise
ein Gratansatz an einem Ende des Kugelzapfenrohlings ausgebildet
wird, oder waagerecht in einem zweiteiligen Presswerkzeug erfolgen,
wobei ein Grat umlaufend um den gesamten Presskörperrohling entsteht. Die entstehenden
Pressgrate werden dem Stand der Technik entsprechend durch eine
spanende Nachbearbeitung entfernt. Somit entstehen auch bei einer spanlosen
Ausformung des Kugelzapfens kosten- bzw. zeitintensive Arbeitsgänge bis
zu dessen Fertigstellung.
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Ein
Pressverfahren als Alternative zur spanenden Bearbeitung ist beispielsweise
aus der
DE 23 17 334 bekannt.
Dort wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von
Rundstäben
mit einem kugelförmig
verdickten Ende offenbart, bei dem in mehreren Herstellungsschritten
der Kugelzapfen ausgeformt wird. Nachteilig bei dem dargelegten
Verfahren ist es, dass der Kugelbereich des Kugelzapfens an seiner
hochbeanspruchten Äquatoriallinie
einen Gratansatz aufweist, welcher besonders aufwendig beseitigt
werden muss. Darüber
hinaus ist bei den beschriebenen Kugelzapfen gemäß der
DE 23 17 334 die Ausbildung eines
sich in axialer Längsrichtung
des Kugelzapfens an den Kugelbereich anschließenden Halsbereiches nicht
vorgesehen.
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Um
Kugelzapfen der eingangs geschilderten Art mit einem sich an den
Kugelbereich anschließenden
Halsbereich herzustellen, sind aus diesem Grunde im Rahmen der genannten
Kaltumformverfahren auch Herstellmethoden bekannt geworden, wie
beispielsweise aus der
DE 103
56 111 , bei der Kugelzapfen mittels Fließpressen
hergestellt werden, wobei anschließend in mindestens einem weiteren Arbeitsgang
mittels eines Walzverfahrens durch Abrollen von Formkörpern der
Kugelbereich ausgeformt wird. Nachteilig an dem mittels Fließpressen
hergestellten Kugelzapfen ist die Tatsache, dass die als Werkstoff
eingesetzten Vergütungsstähle relativ
teuer sind und durch den Vorgang des Vergütens auf den fertig fließgepressten
Kugelzapfen unerwünschte
Schlagstellen entstehen können,
da unmittelbar nach dem Vergüten
die heißen
bzw. weichen Kugelzapfen aus dem Heizofen in ein Abschreckmedium
geschüttet
werden.
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Darüber hinaus
ist bei dem Verfahren der
DE 103
56 111 nachteilig, dass sich durch das Walzen des Halsbereiches
in Verbindung mit der Ausformung des Kugelbereiches eine nicht unwesentliche
Kaltverfestigung des Halses ergibt.
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Die
US 3,644,973 offenbart ein
Kaltumformverfahren zur Herstellung eines Kugelzapfens als Bauelement
eines Kugelgelenks mit einem Kugelbereich, einem sich an den Kugelbereich
in axialer Längsrichtung
des Kugelzapfens anschließenden Halsbereich
sowie an den Halsbereich an der dem Kugelbereich abgewandten Seite
angrenzende konus- und/oder zylinderförmige Teilbereiche, bei dem durch
einen mehrstufigen Pressvorgang die zylinder- und/oder konusförmigen Teilbereiche
sowie der Kugelbereich ausgeformt wird. Der Kugelbereich wird dabei
aus einem zylinderförmigen
Bereich geformt, wobei jeweils zwei Werkzeugformhälften (
52,
53 entsprechend
4 und
5 oder
132,
133 entsprechend
8 und
9)
mit halbkugelförmigen
Kavitäten
den Kugelbereich während
des Pressvorganges ausbilden. Die Trennebene der Werkzeughälften (
122,
123)
zur Herstellung des zylinderförmigen
Bereichs des Kugelzapfens befindet sich dabei außerhalb der wirksamen Kugelfläche. Dieser
auf diese Art und Weise gefertigte Kugelzapfen weist allerdings
keinen Halsbereich mit einer Kugelbereichshinterschneidung auf.
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In
der
DE 22 61 154 A1 (2)
ist ebenfalls ein Kaltumformverfahren zur Herstellung eines Kugelzapfens
als Bauelement eines Kugelgelenks mit einem Kugelbereich gezeigt,
einem sich an den Kugelbereich in axialer Längsrichtung des Kugelzapfens
anschließenden
Halsbereich (Auskehlung
13) sowie an den Halsbereich (
13)
an der dem Kugelbereich abgewandten Seite angrenzende konus- und/oder
zylinderförmige
Teilbereiche, bei dem durch einen mehrstufigen Pressvorgang die
zylinder- und/oder konusförmigen
Teilbereiche sowie der Kugelbereich ausgeformt wird. Der Halsbereich
oder die Auskehlung (
13) wird allerdings ausschließlich durch kaltes
Rollen hergestellt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend von den verschiedenen
Herstellmöglichkeiten
für die
geschilderten Kugelzapfen und den damit verbundenen unterschiedlichen
Nachteilen ein Verfahren zur Herstellung von Kugelzapfen mit einem
Kugelbereich, einem Halsbereich sowie angrenzenden konus- und/oder
zylinderförmigen Teilbereichen
bereitzustellen, bei dem die Stückzahl pro
Zeiteinheit zur Herstellung einzelner Kugelzapfen gesteigert werden
kann, so dass die notwendigen Herstellkosten sich signifikant reduzieren
lassen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im Anspruch 1 offenbarte technische Lehre gelöst.
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Erfindungswesentlich
dabei ist es, dass der Kugelbereich aus einem am Pressrohling vorhandenen
zylinderförmigen
Bereich geformt wird, wobei die Trennebene des Werkzeuges außerhalb
der wirksamen Kugelfläche
liegt, und dass der Halsbereich als Kugelbereichshinterschneidung
durch eine gesonderte Stufe des Pressvorganges ausgebildet wird.
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Durch
die Herstellung des Kugelzapfens als Gesamtbauteil inklusive des üblicherweise
durch Walzen oder eine spanende Bearbeitung hergestellten Halsbereiches
lassen sich die Herstellkosten nicht unwesentlich senken. Gegenüber den
spanenden Herstellverfahren hat das erfindungsgemäße Kaltumformverfahren
den Vorteil, dass ohne Anfall von Spänen nur durch einen Pressvorgang
einbaufertige Kugelzapfen hergestellt werden können.
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Darüber hinaus
sind für
die Bereitstellung der notwendigen Presswerkzeuge geringere Investitionsmittel
als für
diejenigen Einrichtungen zum Fließpressen mit anschließender Walzbehandlung
der Kugelzapfen gewährleistet.
Ausserdem lassen sich durch das Pressen der Kugelzapfen Stahlsorten,
wie beispielsweise C-Mn-Stähle
mit Mikrolegierungselementen, verwenden, deren Preis ca. EUR 100,00
bis EUR 150,00 pro Tonne niedriger ist als derjenige von üblicherweise
eingesetzten Vergütungsstählen. Die Verwendung
der genannten preiswerteren Stahlsorten erweist sich als möglich auf
Grund der nicht notwendigen Wärmebehandlung
des fertigen Kugelzapfens.
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Hinsichtlich
des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens
ist es darüber
hinaus vorteilhaft, dass durch die Pressumformung des Kugelbereiches
aus einem Zylinderbereich heraus auch bei mehrstufigen Pressvorgängen die
Rohlinge keinen durch eine eventuelle Werkzeugtrennung hervorgerufenen
Versatz aufweisen. Außerdem
lässt sich
durch die außerhalb
des Kugelzapfens liegende Werkzeugtrennung eine Gratbildung am Kugelzapfen
vermeiden, der gegebenenfalls aufwändige Nacharbeiten notwendig
machen würde.
Vorteilhaft ist darüber
hinaus, dass durch das Pressen des hinterschnittenen Halsbereiches
zum einen die Festigkeit bzw. Dauerfestigkeit des Halsquerschnittes
und zum anderen der Winkelausschlag des Gelenkes eingestellt werden können.
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Da
das erfindungsgemäße Verfahren
mit signifikanten Kosteneinsparungen gegenüber allen im Stand der Technik
bekannten anderen Herstellverfahren verbunden ist, besteht entsprechend
einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens optional
die Möglichkeit,
die Kugel durch einen ergänzenden
Walzvorgang des gepressten Kugelzapfens für besondere Anwendungsfälle in ihrer Toleranz
hinsichtlich Oberflächengüte und Formgebung
zusätzlich
zu verbessern.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
den Halsbereich mittels eines Walzvorganges in Abhängigkeit des
gepressten Hinterschnittdurchmessers umzuformen bzw. zu glätten, so
dass zum einen der Winkelausschlag des Gelenkes und zum anderen
die Dauerfestigkeit zusätzlich
eingestellt werden können, ohne
dass der verwendete Werkstoff zur Versprödung neigt. Darüber hinaus
ist es möglich,
das Glätten
des Halsbereiches mit dem Glätten
des zum Kugelzapfen gehörigen
Kugelbereiches zu verbinden.
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Entsprechend
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens
kann der Zylinderabschnitt des Pressrohlings als Hohlzylinder ausgebildet
sein. Dieses Merkmal erleichtert die Umformung des im fertigen Zustand den
Kugelbereich bildenden Zylinderabschnitts. Es ergibt sich infolge
des Hohlzylinders am freien Ende des Kugelzapfens, an dem der Kugelbereich
angeordnet ist, ein Polloch, welches als Fettreservoir oder zur
Aufnahme von Sensoren dienen kann. Wird die entsprechende Kavität bzw. der
Hohlraum des Pollochs nicht genutzt, so lässt sie sich mit einem Plastikbauteil
einfach und preiswert beispielsweise mittels einer Klippverbindung
schließen.
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Nachfolgend
wird anhand eines Ausführungsbeispiels
eines Kugelzapfens die Vorteilhaftigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
noch einmal erläutert.
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Die
Figur zeigt dabei schematisch als Halbschnitt zum einen den Kugelzapfen
vor der abschließenden
Ausformung des Kugelbereiches. Dieses Stadium ist mit der Bezugsziffer
I gekennzeichnet. Der in der Zeichnung enthaltene Halbschnitt II
zeigt den einbaufertigen Kugelzapfen nach Abschluss des Herstellvorganges.
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Wie
aus der Zeichnung ersichtlich ist, besitzt der Kugelzapfen mehrere
Teilbereiche. An einem freien Ende gegenüberlegend dem Kugelbereich 1 befindet
sich ein Gewindebereich 4, welcher zur Festlegung des Kugelzapfens,
beispielsweise an einem karosserieseitigen Bauteil eines Kraftfahrzeuges
dient. An den Gewindebereich 4 schließt sich ein konusförmiger Teilbereich 3 an,
welcher in einen zylinderförmigen
Bereich 2 übergeht.
Zwischen dem zylinderförmigen
Bereich 2 und dem Kugelbereich 1 befindet sich
ein Halsbereich 5, welcher gegenüber dem Kugelbereich 1 hinterschnitten
ist. Alle genannten Bereiche 1 bis 5 werden erfindungsgemäß mittels eines
Pressverfahrens hergestellt. Aus der Figur ist darüber hinaus
ersichtlich, dass der Kugelbereich 1 vor dessen Ausformung
infolge des abschließenden Pressschrittes
als zylinderförmiger
Bereich 8 ausgebildet ist und darüber hinaus einen materialfreien
Innenraum 6 aufweist. Der so gebildete Hohlzylinder erleichtert
den abschließenden
Pressvorgang zur Herstellung des Kugelbereiches. Sollte sich der
im Bildausschnitt II nach der abschließenden Kugelbereichsausformung
ergebende Hohlraum 7 nicht als Fettreservoir oder für andere
Anwendungen genutzt werden, so lässt
sich dieser problemlos mittels einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten
Verschlusskappe aus Kunststoff verschließen.
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Sollte
es für
besondere Anwendungsfälle notwendig
sein, dass insbesondere der Kugelbereich 1 als auch der
Halsbereich 5 des Kugelzapfens, wie auch gegebenenfalls
der Konusbereich 3 besonderen Anforderungen hinsichtlich
Glätte
und Maßhaltigkeit
genügen
müssen,
so lassen sich nach der kostengünstigen
Herstellung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren diese erhöhten Anforderungen
mittels eines abschließenden
Walzvorganges der angesprochenen Teilbereiche 3, 5 und 1 erreichen.
Durch den Walzvorgang lassen sich zusätzlich die genannten Bereiche
selbstverständlich
verfestigen, ohne dass zusätzliche
Wärmebehandlungen des
verwendeten Stahlmaterials nötig
sind. Als Material bietet sich in diesem Zusammenhang die Verwendung
von C-Mn-Stahl mit Mikrolegierungselementen an, welcher gegenüber den üblicherweise
notwendigen Vergütungsstählen wesentlich
kostengünstiger zu
beschaffen ist.
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- 1
- Kugelbereich
- 2
- Zylinderförmiger Bereich
- 3
- Konusförmiger Bereich
- 4
- Gewindebereich
- 5
- Halsbereich
- 6
- Innenraum
- 7
- Hohlraum
- 8
- Zylinderförmiger Bereich
- 9
- Trennebene