DE102007021450A1

DE102007021450A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Verzahnung

Info

Publication number: DE102007021450A1
Application number: DE200710021450
Authority: DE
Inventors: Frank Beeck; Torsten Keller; Brigitte Lechner
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verzahnung (1) hoher Verzahnungsqualität versehenen Bauteils (2) mit einer Drehachse (3), bei dem das Bauteil (2) in oder an ein Werkzeug (4) eingelegt oder angelegt wird, wobei das Werkzeug (4) mit einer Drehachse (5) und mit einer zur Verzahnung (1) kongruenten oder korrespondierenden Gegenverzahnung (6) versehen ist und wobei zwischen der Verzahnung (1) und der Gegenverzahnung (6) eine Umformkraft aufgebaut wird, um der Verzahnung (1) die Kontur der Gegenverzahnung (6) oder eine hierzu korrespondierende Kontur aufzuprägen. Um insbesondere scheibenförmige Verzahnungen genau und kostengünstig herzustellen, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass der Aufbau der Umformkraft bei konzentrischer Anordnung des Bauteils (2) und des Werkzeugs (4) erfolgt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines mit einer Verzahnung versehenen Bauteils.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verzahnung hoher Verzahnungsqualität versehenen Bauteils mit einer Drehachse, bei dem das Bauteil in oder an ein Werkzeug eingelegt oder angelegt wird, wobei das Werkzeug mit einer Drehachse und mit einer zur Verzahnung kongruenten oder korrespondierenden Gegenverzahnung versehen ist und wobei zwischen der Verzahnung und der Gegenverzahnung eine Umformkraft aufgebaut wird, um der Verzahnung die Kontur der Gegenverzahnung oder eine hierzu korrespondierende Kontur aufzuprägen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines mit einer Verzahnung versehenen Bauteils.
Hintergrund der Erfindung
Ein Herstellungsverfahren dieser Art ist beispielsweise aus der EP 0 655 959 B1 bekannt. Ein zu bearbeitendes außenverzahntes Stirnzahnrad wird hier zwischen zwei Wälzwerkzeugen platziert, die mit einer korrespondierenden Außenverzahnung versehen sind. Durch radiales Zustellen der beiden Wälzwerkzeuge auf das zu bearbeitende Zahnrad zu kommt es zum Abwälzen der Verzahnungen, wobei sich das Profil der Werkzeugverzahnung auf das Profil des Werkstücks aufprägt.
Eine ähnliche Lösung ist in der DE 32 40 628 A1 beschrieben. Hier wird ein außenverzahntes Werkstück von einem zahnradähnlichen Rollwerkzeug kontaktiert, indem die beiden Außenverzahnungen von Werkzeug und Werkstück miteinander kämmen. Durch radiales Zustellen des Rollwerkzeugs auf das Werkstück zu kommt es zum Einrollen des Verzahnungsprofils vom Werkzeug auf das Werkstück.
Bei den beiden genannten Lösungen sind die Drehachsen von Werkstück (Zahnrad) und Werkzeug parallel zueinander angeordnet und befinden sich in definiertem radialen Abstand.
Es hat sich herausgestellt, dass bei den genannten Prozessen unter Nutzung eines Fließpressverfahrens die Verzahnungsqualität nicht immer ausreichend ist, wobei Verzahnqualitäten nur bis IT8 erreicht werden können. Insbesondere ist gelegentlich eine nicht vollständige Zahnausformung am Werkstück zu beobachten. Ferner sind diesbezüglich insbesondere die Eckenradien kritisch, was sich besonders dann bemerkbar macht, wenn der Durchmesser der Werkstückverzahnung bezogen auf die Breite der Verzahnung wesentlich größer als 1 ist, was für Verzahnungen in einem Planetengetriebe typisch ist. Hier haben zumindest die Planetenräder und das Hohlrad eine derartige Ausgestaltung.
Alternativ bietet sich auch die Herstellung der Verzahnung mittels spanabhebender Bearbeitung an, wobei insbesondere das Verzahnungsschleifen zum Einsatz kommt. Allerdings ist im Verhältnis zum Fleißpressen die Ausbringmenge pro Zeit wesentlich geringer. Allerdings können insbesondere durch Schleifen gute Oberflächenqualitäten erreicht werden. Eckenradien beispiels weise in einem Hohlrad werden als Kerbe ausgebildet, wodurch nachteilig die Faser unterbrochen wird.
Schließlich steht als weiteres alternatives Herstellungsverfahren noch das Feinstanzen zur Verfügung. Mit diesem Verfahren ist allerdings keine hinreichende Verzahnungsqualität erreichbar (Verzahnungsqualität größer als IT9). Außerdem sind hier die Werkzeugstandzeiten kritisch.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass eine kostengünstige Herstellung von Verzahnungsteilen bei hoher Verzahnungsqualität erreicht werden kann. Es soll die umformtechnische Herstellung insbesondere flach bzw. scheibenförmig ausgebildeter verzahnter Bauteile verbessert werden, bei denen eine gleichbleibend hohe Verzahnungsqualität über die gesamte Breite der Verzahnung gegeben ist, so dass Traganteilsverluste über der Breite vermieden werden können. Gleichzeitig sollen eine hinreichend hohe Werkzeugstandzeit und die rissfreie Fertigung kleiner Eckradien am Werkstück erreicht werden. Dies soll insbesondere die Herstellung von verzahnten Bauteilen in einem Planetengetriebe verbessern, wobei speziell an die Planetenräder und an das Hohlrad gedacht ist. Weiterhin soll eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist verfahrensgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der Umformkraft bei konzentrischer Anordnung des Bauteils und des Werkzeugs erfolgt.
Die Umformkraft wird dabei bevorzugt so aufgebaut, dass sie um den Umfang des Bauteils im Bereich der Verzahnung umläuft. Sie wirkt dabei besonders bevorzugt in axiale Richtung.
Die Anformung der Verzahnung des Bauteils erfolgt dabei mit Vorteil an die Gegenverzahnung des Werkzeugs durch eine Vielzahl von Umläufen der Umformkraft über den Umfang des Bauteils, wobei bei jedem Umlauf der Umformkraft eine inkrementale Teilverformung der Verzahnung des Werkstücks erfolgt.
Die Umformkraft kann dabei durch ein Walzwerkzeug mit einer Drehachse erzeugt werden. Das Walzwerkzeug wird dabei bevorzugt so angeordnet, dass ein spitzer Winkel zwischen seiner Drehachse und der Drehachse des Werkzeugs vorliegt. Der Winkel beträgt dabei bevorzugt zwischen 1° und 10°. Beim reinen Axialwalzen liegt kein solcher Anstellwinkel vor bzw. er kann dann auch wesentlich geringer als 1° sein.
Die Umformung des Materials des Bauteils erfolgt bevorzugt solange, bis sich ein axial über das Bauteil hinaus erstreckender Überlaufgrat gebildet hat. Der Überlaufgrat kann in einem nachgeordneten Verfahrensschritt abgetragen werden.
Das Verfahren kommt bevorzugt zur Herstellung eines Zahnrades mit einem Verhältnis des Werkstückdurchmessers zur Werkstückbreite von größer als 1 zur Anwendung, wobei das genannte Verhältnis besonders bevorzugt größer als 3 ist.
Als bevorzugte Anwendungsfälle kommen als Zahnrad ein Planetenrad eines Planetengetriebes oder ein Hohlrad eines Planetengetriebes in Betracht.
Die Vorrichtung zur Herstellung eines mit einer Außenverzahnung versehenen Bauteils zeichnet sich dadurch aus, dass das Werkzeug mit einem zylindrischen Aufnahmeraum für das Bauteil ausgestattet ist, wobei die radial außen liegende Begrenzungsfläche des Aufnahmeraums mit der Gegenverzahnung versehen ist.
Alternativ kann bei einer Vorrichtung zur Herstellung eines mit einer Innenverzahnung versehenen Bauteils vorgesehen werden, dass das Werkzeug einen hohlzylindrischen Aufnahmeraum für das Bauteil aufweist, wobei die radial innenliegende Begrenzungsfläche des Aufnahmeraums mit der Gegenverzahnung versehen ist.
Der Erfindungsvorschlag kommt besonders bevorzugt also bei der Herstellung einer Verzahnung bei einem Getriebeteil, insbesondere bei einem Planetengetriebe, zum Einsatz. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich insbesondere Planetenräder und das Hohlrad eines Planetengetriebes kostengünstig und genau herstellen. Dabei handelt es sich um Verzahnungen, deren Verhältnis von Durchmesser zu Breite deutlich über 1 liegt. Durch die inkrementelle Umformung kommt es zu einem materialschonenden allmählichen Verformen, bei dem das Werkzeug und namentlich dessen Verzahnung allmählich dem Werkstück aufgeprägt wird.
Typische Beispiele für ein derartiges inkrementelles Umformverfahren sind das Taumelpressen, das Walzen und das Axialwalzen. Dabei wird der Werkstoff durch mehrere Umdrehungen des inkrementell umformenden Werkzeugs so verformt, dass es in die Form des Werkzeugs gepresst wird.
Dadurch werden sehr gute Formfüllungen und damit hohe Verzahnungsqualitäten (Verzahnungsgenauigkeit von IT7) am noch weichen Werkstück prozesssicher erreicht. Nach dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt in der Regel ein Härten des Zahnrads.
Wird ein gezielter Materialüberlauf beim Umformen des Werkstückmaterials vorgesehen, kann eine hohe Werkzeugstandzeit bei einer sehr guten Ausformung der Werkstückverzahnung erreicht werden. Der Materialüberlauf kann dann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt in bekannter Weise entfernt werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 schematisch die Seitenansicht eines außenverzahnten Werkstücks, das in einem Werkzeug eingelegt ist und auf das axiale Walzkräfte mittels eines Walzwerkzeugs aufgebracht werden,
2 schematisch die Seitenansicht eines innenzuverzahnenden Werkstückrohlings vor dem Start der Umformbearbeitung, wobei der Werkstückrohling auf ein Werkzeug aufgelegt ist und wobei axiale Kräfte durch ein Walzwerkzeug auf das Werkstück ausgeübt werden und
3 die Darstellung gemäß 2 am Ende der Umformbearbeitung.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 ist ein Bauteil 2 (Zahnrad) zu sehen, das als Stirnzahnrad ausgebildet und mit einer Außenverzahnung 1' versehen ist. Die Verzahnung 1' soll in der in 1 schematisch dargestellten Vorrichtung mit hoher Verzahnungsqualität und in kurzer Zeit hergestellt werden.
Hierzu ist ein Werkzeug 4 vorhanden, das mit einer zur Verzahnung 1' kongruenten Gegenverzahnung 6 versehen ist. Das Werkzeug 4 bildet dabei einen zylindrischen Aufnahmeraum 10 aus, der der zylindrischen Grundkontur des Zahnrads 2 entspricht. Der Aufnahmeraum 10 ist dabei radial nach außen durch eine außenliegende Begrenzungsfläche 11 begrenzt. Sowohl das Zahn rad 2 (Werkstück) als auch das Werkzeug 4 haben jeweilige Drehachsen 3 und 5, die konzentrisch angeordnet sind.
Ist das Zahnrad 2 in dem zylindrischen Aufnahmeraum 10 platziert, wird axial ein Walzwerkzeug 7 zugestellt, das eine Drehachse 8 aufweist. Die Drehachse 8 ist dabei so ausgerichtet, dass zwischen der Drehachse 8 und den Drehachsen 3, 5 ein kleiner Winkel α gebildet wird. Rotiert nun sowohl das Walzwerkzeug 7 als auch das Zahnrad 2 samt Werkzeug 4 und wird das Walzwerkzeug 7 axial auf das Zahnrad 2 zugestellt, kommt es bei jeder Umdrehung, mit der das Walzwerkzeug 7 am Außenumfang des Zahnrads 2 im Bereich der Verzahnung 1' umläuft, zu einer inkrementellen Verformung, durch die sich die Verzahnung 1' des Zahnrads 2 an die Gegenverzahnung 6 anlegt. Damit bildet sich die Gegenverzahnung 6 an der Verzahnung 1' des Zahnrads 2. Da die Gegenverzahnung mit Lehrenqualität hergestellt ist, wird somit eine hohe Qualität der Verzahnung 1' erreicht.
Wie weiter zu sehen ist, tritt aufgrund des umlaufenden Walzprozesses ein Überlaufgrat 9 axial hervor, der Garant für eine vollständige Abformung der Gegenverzahnung 6 an der Verzahnung 1' ist. In einem nachgeschalteten Prozessschritt kann der Überlaufgrat 9 abgetragen werden.
In den 2 und 3 ist eine analoge Darstellung für ein Bauteil 2 mit Innenverzahnung 1'' dargestellt. Es handelt sich dabei um ein Hohlrad eines Planetengetriebes, bei dem das Verhältnis des Werkstückdurchmessers D – gemessen im Bereich der Verzahnung – zur Breite B des Werkstücks 2 größer als 1 ist, insbesondere deutlich größer als 1.
Hier hat das Werkzeug 4 einen hohlzylindrischen Aufnahmeraum 12, s. 2, der durch eine innenliegende Begrenzungsfläche 13 begrenzt wird.
Das in 2 dargestellte Rohteil 2 ist scheibenförmig ausgebildet und wird auf das Werkzeug 4 aufgelegt.
Wird – wie es in 3 zu sehen ist – mittels des Walzwerkzeugs 7 eine axial wirkender Walzkraft erzeugt, die am Außenumfang des Zahnrads 2 umläuft, verformt sich das Rohteil in die in 3 dargestellte Form (nur sehr schematisch dargestellt), wobei sich Material des Rohteils 2 um die Gegenverzahnung 6 legt, so dass sich die Verzahnung 1'' ausbildet.
Dadurch wird erreicht, dass sich insbesondere ein Eckenradius 14 konturengenau ausbildet.

1: Verzahnung
1': Außenverzahnung
1'': Innenverzahnung
2: Bauteil (Zahnrad)
3: Drehachse des Zahnrads
4: Werkzeug
5: Drehachse des Werkzeugs
6: Gegenverzahnung
7: Walzwerkzeug
8: Drehachse des Walzwerkzeugs
9: Überlaufgrat
10: zylindrischer Aufnahmeraum
11: außenliegende Begrenzungsfläche
12: hohlzylindrischer Aufnahmeraum
13: innenliegende Begrenzungsfläche
14: Eckenradius
α: Winkel
D: Werkstückdurchmessers (Zahnraddurchmesser)
B: Werkstückbreite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0655959 B1 [0002]
- DE 3240628 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verzahnung (1) hoher Verzahnungsqualität versehenen Bauteils (2) mit einer Drehachse (3), bei dem das Bauteil (2) in oder an ein Werkzeug (4) eingelegt oder angelegt wird, wobei das Werkzeug (4) mit einer Drehachse (5) und mit einer zur Verzahnung (1) kongruenten oder korrespondierenden Gegenverzahnung (6) versehen ist und wobei zwischen der Verzahnung (1) und der Gegenverzahnung (6) eine Umformkraft aufgebaut wird, um der Verzahnung (1) die Kontur der Gegenverzahnung (6) oder eine hierzu korrespondierende Kontur aufzuprägen, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der Umformkraft bei konzentrischer Anordnung des Bauteils (2) und des Werkzeugs (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformkraft so aufgebaut wird, dass sie um den Umfang des Bauteils (2) im Bereich der Verzahnung (1) umläuft.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformkraft in axiale Richtung wirkt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anformung der Verzahnung (1) des Bauteils (2) an die Gegenverzahnung (6) des Werkzeugs (4) durch eine Vielzahl von Umläufen der Umformkraft um den Umfang des Bauteils (2) erfolgt, wobei bei jedem Umlauf der Umformkraft eine inkrementale Teilverformung der Verzahnung (1) des Werkstücks (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformkraft durch ein Walzwerkzeug (7) mit einer Drehachse (8) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzwerkzeug (7) so angeordnet wird, dass ein spitzer Winkel (α) zwischen seiner Drehachse (8) und der Drehachse (5) des Werkzeugs (4) vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen 1° und 10° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzwerkzeug (7) mit seinem radial äußeren Rand das umzuformende Werkstück (2) kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzwerkzeug (7) so angeordnet wird, dass seine Drehachse (8) und die Drehachse (5) des Werkzeugs (4) parallel zueinander angeordnet oder konzentrisch sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung des Materials des Bauteils (2) solange erfolgt, bis sich ein axial über das Bauteil (2) hinaus erstreckender Überlaufgrat (9) gebildet hat.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlaufgrat (9) in einem nachgeordneten Verfahrensschritt abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Herstellung eines Zahnrades (2) mit einem Verhältnis des Werkstückdurchmessers (D) zur Werkstückbreite (B) von größer als 1 eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Werkstückdurchmessers (D) zur Werkstückbreite (B) größer als 3 ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (2) das Planetenrad eines Planetengetriebes ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (2) das Hohlrad eines Planetengetriebes ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines mit einer Außenverzahnung (1') versehenen Bauteils (2) mit einer Drehachse (3), in die das Bauteil (2) in oder an ein Werkzeug (4) eingelegt oder angelegt wird, wobei das Werkzeug (4) mit einer Drehachse (5) und mit einer zur Verzahnung (1') kongruenten oder korrespondierenden Gegenverzahnung (6) versehen ist und wobei Mittel zum Aufbau einer Umformkraft zwischen der Verzahnung (1') und der Gegenverzahnung (6) vorhanden sind, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (4) einen zylindrischen Aufnahmeraum (10) für das Bauteil (2) aufweist, wobei die radial außenliegende Begrenzungsfläche (11) des Aufnahmeraums (10) mit der Gegenverzahnung (6) versehen ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines mit einer Innenverzahnung (1'') versehenen Bauteils (2) mit einer Drehachse (3), in die das Bauteil (2) in oder an ein Werkzeug (4) eingelegt oder angelegt wird, wobei das Werkzeug (4) mit einer Drehachse (5) und mit einer zur Verzahnung (1'') kongruen ten oder korrespondierenden Gegenverzahnung (6) versehen ist und wobei Mittel zum Aufbau einer Umformkraft zwischen der Verzahnung (1'') und der Gegenverzahnung (6) vorhanden sind, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (4) einen hohlzylindrischen Aufnahmeraum (12) für das Bauteil (2) aufweist, wobei die radial innenliegende Begrenzungsfläche (13) des Aufnahmeraums (12) mit der Gegenverzahnung (6) versehen ist.