-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung innen-
und außenprofilierter Werkstücke, insbesondere
hohlprofilierter Doppelflanschwellen durch Fließpressen
von Massivelementen im geschlossenen Werkzeug einer hydraulischen
Presse.
-
Hohlwellen
mit Wellenbündeln, außenseitigen Flanschen und/oder
mit variablen Wandstärken über die Länge
des Werkstücks können in bekannter Weise aus dem
Vollen gedreht oder ausgehend von einem vorgeschmiedeten Rohteil
innenseitig hohlgedreht werden. Nachteile dieser Herstellungsverfahren
sind jedoch der erhebliche Zeitaufwand für die spanende
Bearbeitung sowie beträchtliche Materialverluste durch
den Späneanfall.
-
Zum
Stand der Technik bei der Hohlwellenfertigung zählt ferner
die Verfahrenskombination aus Fließpressen und Tieflochbohren.
Jedoch ist auch diese Fertigungsalternative verfahrensbedingt mit
einem hohen Zerspanungsaufwand und somit mit enormen Werkzeugkosten
für die Bohrwerkzeuge verbunden.
-
Seit
einigen Jahren werden hohle Wellen, die vorzugsweise im Automobilbereich
als Getriebewellen, Antriebswellen, Nockenwellen oder als Fahrwerksteil
Anwendung finden, zunehmend durch plastische Umformung von Rohrelementen
hergestellt. Als Halbwerkzeug kommen bevorzugt kurze, gegebenenfalls
dickwandige Rohrabschnitte in Betracht, die einen kreisförmigen
Querschnitt aufweisen. Vereinfacht ausgedrückt bestehen
die für die Umformung der Rohrelemente erforderlichen Werkzeuge aus
Matrize und Dorn. In der Regel weist die außenseitig das
Rohrelement umgreifende Matrize unterschiedliche Querschnittsabmessungen
auf, so dass zwischen Matrize und Rohrelement Ausnehmungen verschiedenster
Kontur entstehen. Ebenso weist der Dorn, der das Rohrelement in
der Matrize zentriert bzw. innenseitig abstützt, unterschiedliche
Querschnittsabmessungen auf, so dass auch zwischen Dorn und Rohrelement
Vertiefungen unterschiedlicher Kontur entstehen.
-
Durch
axiale Stauchung des Rohrelements wird ein Querfließpressvorgang
ausgelöst und das Material des Rohrelements wird in die
Ausnehmungen zwischen Rohrelement und Matrize bzw. in die Vertiefungen
zwischen Rohrelement und Dorn gedrückt und somit werden
gewünschte Innen- und Außenprofile am Rohrelement
eingestellt. Die Rohrelemente können vor dem Axialpressumformvorgang oder
währenddessen lokal erwärmt werden, so dass der
Materialfluss während des Umformens begünstigt
wird. Beim Innenprofilieren müssen übrigens mehrteilige
Dorne verwendet werden, weil diese ansonsten nach dem Füllen
ihrer Vertiefungen nicht aus dem Werkstück entfernt werden
könnten.
-
Mit
diesem Verfahren können komplexe Wellengeometrien Material
sparend hergestellt werden und es besteht zudem die Möglichkeit,
durch gezielte Wanddickengestaltung eine belastungsorientierte Auslegung
der Bauteilgeometrie zu erreichen. Auch diese Verfahrensweise ist
aus wirtschaftlicher Sicht mit Nachteilen verbunden, weil der Rohrherstellungsprozess
zur Fertigung der benötigten Rohrelemente relativ teuer
ist und somit die Kostenbilanz der Hohlwellenfertigung insgesamt
durch das Vormaterial erheblich belastet wird.
-
Andererseits
sind alternative, schnell durchführbare und somit für
die Serienfertigung geeignete Verfahren zur Herstellung hohlprofilierter
Werkstücke mit Außenprofil, bei denen kostengünstige
Massivelemente als Vormaterial eingesetzt werden können, nicht
bekannt. Die derzeit bekannten Verfahrensvarianten gehen entweder
von zeitaufwendigen mehrstufigen Umformprozessen aus oder sie zielen
von vornherein nur auf die Ausbildung komplexer Außenkonturen
ab.
-
So
wird zum Beispiel in der
DE
32 35 115 C2 ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung
einer Flanschwelle mit zwei Flanschen und unterschiedlichen Zapflängen
erläutert. Der Rohling wird in einem geschlossenen Gesenk
umgeformt, dessen innere Kontur im Wesentlichen der äußeren
Kontur der Flanschwelle entspricht. Der Durchmesser des Rohlings
ist kleiner als der Durchmesser des ersten und des zweiten Wellenzapfens,
jedoch groß genug, um ein Ausknicken bei der axialen Druckbeaufschlagung zu
vermeiden. In einem ersten Umformschritt erfolgt die axiale Druckbeaufschlagung über
den Oberstempel, die ein plastisches Fließen des Rohlingmaterials in
den dem ersten Flansch entsprechenden Teil des Gesenkes zur Folge
hat. Nach vollständigem Füllen des ersten Flansches
wird der Oberstempel gesperrt und durch axiales Stauchen über
den Unterstempel wird in einem weiteren Umformschritt der zweite Flansch
ausgeformt. Um die erforderliche Presskraft zu senken und die Belastungen
des Gesenkes zu mindern, kann das Werkstück ganz oder alternativ auch
partiell erwärmt werden.
-
In
der
DE 10 2006
019 234 A1 wird ein Verfahren zur plastischen Umformung
eines Massivelements mittels Stempel und Matrize vorgestellt, bei dem
im Endabschnitt des Massivelements sowohl ein Innen- als auch ein
Außenprofil erzeugt wird. Eine Matrize umschließt
je nach Ausführungsvariante das gesamte Massivelement bzw.
nur den Endabschnitt des Stabes, sie kann radial verstellbar sein
und sie weist eine zylindrische Innenkontur mit mehreren unterschiedlichen
Querschnitten auf. Der Stempel wird in axialer Richtung gegen die
Stirnfläche des Massivelements gedrückt, wobei
der Endabschnitt des Stabes plastisch umgeformt wird. Im Rahmen
dieses Rückwärtsfließpressens wird der
Endabschnitt des Stabes teils aufgeweitet, teils verlängert
und es entsteht ein Hohlraum, dessen innere Geometrie durch die
Form des Stempels bestimmt wird. Gleichzeitig wird das Material
des Endabschnittes in die Matrize gepresst und es entsteht im Bereich
des Endabschnittes ein Außenprofil, das der inneren Kontur der
Matrize entspricht. Bevorzugt wird der Bereich des Endabschnittes
auf eine Temperatur nahe der Rekristallisationstemperatur des jeweiligen
Werkstoffs erwärmt. Eine entsprechende Heizeinrichtung kann
in der Matrize integriert werden.
-
Ein
einstufiges Verfahren zur Herstellung eines Presslings mit komplexer
Außenkontur durch Massivumformung wird in der
EP 1 171 252 beschrieben. Mittels
Kalt-Querfließpressens werden mehrere Materialverdickungen über
die Länge des Presslings aufgebracht. Gleichzeitig wird
durch lokales Warm-Querfließpressen ein Flansch ausgeformt.
Der Bereich des Rohlings, der das notwendige Materialvolumen für
die Ausbildung des Flansches liefert, wird vor der Umformung über
die Rekristallisationstemperatur induktiv erwärmt. Somit
wird durch Einstellung eines vorbestimmten Temperaturprofils der lokale
Umformgrad an die gewünschte Umformung angepasst. Die Umformung
erfolgt in einer hydraulischen Presse, deren Werkzeug, die Matrize
und der Press-Stempel, beim eigentlichen Pressvorgang die Zentrier-
und Kalibrierfunktion ausübt. Das Verfahren nutzt die Kombination
von Kalt- und Warmumformung, wobei die vorteilhaften Umformbedingungen am
warmen Werkstück mit den Vorteilen einer Kaltumformung
vereint werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Umformverfahren zur
endkonturnahen Herstellung innen- und außenprofilierter
Werkstücke oder Bauteile, insbesondere hohlprofilierter
Doppelflanschwellen zu entwickeln, das kostengünstig ist, nur
geringe Taktzeiten erfordert und somit für die Serienfertigung
geeignet ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, durch Integration
einer Wärmebehandlung in den Umformprozessen neben der
Geometrieeinstellung auch eine gezielte Eigenschaftseinstellung
am Werkstück oder Bauteil zu realisieren.
-
Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Merkmale oder Merkmalskombinationen des Verfahrens
werden in den nachfolgenden Patentansprüchen dargelegt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein
Rohling in Form eines zylinderförmigen Massivelements durch
einstufige Umformung im geschlossenen Werkzeug einer hydraulischen
Presse bearbeitet wird. Dieser einstufige Umformprozess ist eine
Verfahrenskombination, bei der das Werkstück gleichzeitig
durch Napf-Vorwärts- und Napf-Rückwärts- sowie
durch Flansch-Quer-Fließpressen plastisch verformt wird.
Beim Schließen des Umformwerkzeuges werden über
die Napfstempel des Ober- und Untergesenks in beide Endbereiche
des Werkstückes Näpfe unterschiedlicher Geometrie
durch Napf-Vorwärts- bzw. Napf-Rückwärts-Fließpressen eingeformt.
Gleichzeitig wird das Werkstück beim Schließen
des Umformwerkzeuges über die Napfstempel einer axialen
Stauchbelastung ausgesetzt, die in den Mittelabschnitten des Werkstückes
ein Flansch-Quer-Fließpressen bewirkt und somit entsprechend
der Innenkontur des Umformwerkzeuges zur Ausbildung der Doppelflansche
unterschiedlicher Durchmesser führt. Das heißt,
das Material der Flansche wird aus dem Volumen des zylindrischen
Ausgangswerkstückes durch die Querfließbewegung
erzeugt; dabei bestimmt die Lage und das Volumen der erwärmten
Zonen die Ausprägung der Flansche. Das Rückwärtsfließpressen
führt hierbei zu einem Werkstofffluss entgegen der Wirkrichtung
des auf das Ausgangswerkstück auftreffenden Fließstempels.
Das Material fließt somit entgegen der Stempelbewegung in
den Spalt zwischen Stempel und geschlossener Matrize.
-
Erfindungsgemäß wird
das zylindrische Massivelement vor Beginn der einstufigen Umformung partiell
erwärmt, so dass im Werkstück ein gezieltes Temperaturprofil
erzeugt wird. Die Erwärmung des Vormaterials kann beispielsweise
induktiv erfolgen. Die Erfindung geht in diesem Zusammenhang von der
Erkenntnis aus, dass zwischen Fließspannung und 3D-Temperaturverteilung
im Werkstück eine direkte Korrelation besteht. Erfindungsgemäß wird
daher durch gezielte partielle Erwärmung des Werkstückes
das Formänderungsvermögen in allen Umformbereichen
lokal an die gewünschte Umformung angepasst. Damit wird
erreicht, dass das vollständige Füllen aller Formelemente
der Geometrie durch Materialfluss simultan beendet wird und die
Umformkraft in allen Umformbereichen identisch ist.
-
Beispielsweise
werden Werkstückabschnitte, in denen nur eine geringe Umformung
für die gewünschte Geometrieeinstellung nötig
ist, bei Raumtemperatur umgeformt, während andere Werkstückbereiche,
in denen zur Erreichung der gewünschten Geometrie erheblich
größere Umformarbeit aufzubringen ist, lokal auf
Temperaturen im Bereich der Halbwarm- bzw. Warmumformung erwärmt
werden.
-
Somit
besteht ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung darin, dass
der einstufige Umformprozess in den einzelnen lokalen Umformbereichen
des Werkstückes eine Kombination aus simultaner Kalt-,
Halbwarm- und Warmumformung ist.
-
Ausdruck
der spezifischen Umformeigenschaften metallischer Werkstoffe ist
der direkte Zusammenhang zwischen der gewünschten Geometrieänderung
(z. B. gezielte Ausbildung von Innen- und Außenkonturen),
dem Formänderungsvermögen des Werkstoffes und
der Umformtemperatur. Ausgehend von diesem Zusammenhang werden erfindungsgemäß die
genauen Temperaturen für die lokale Erwärmung
der einzelnen Umformbereiche des Werkstückes aus den mathematischen
Beziehungen der jeweiligen Werkstoff- und Umformparameter ermittelt.
-
Beispielsweise
wird der Werkstückbereich mit der maximalen Umformung,
in dem durch Quer-Fließpressen der Flansch mit dem größten
Materialvolumen ausgeformt wird, auf Werte oberhalb der Rekristallisationstemperatur
erwärmt.
-
Durch
gesteuerte Abkühlung dieses über Rekristallisationstemperatur
erwärmten Werkstückbereiches unmittelbar nach
erfolgter Umformung können lokal am ausgeformten Flansch
höhere Festigkeitswerte eingestellt werden. Das gesteuerte
Abkühlen erfolgt direkt im Umformwerkzeug.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an
einem Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die schematische
Darstellung eines zylindrischen Massivelements und einer hohl profilierten Doppelflanschwelle
näher erläutert.
-
Die
schematische Darstellung in 1 zeigt den
Rohling in Form eines zylindrischen Massivelements, das über
die Längsachse in zwei Endabschnitte 1 und 2 sowie
in zwei Mittelabschnitte 3 und 4 unterteilt ist.
Diese vier Längenabschnitte markieren die Umformbereiche,
in denen Näpfe bzw. Flansche ausgeformt werden sollen.
-
Die
schematische Darstellung in 2 zeigt das
Werkstück, das durch den erfindungsgemäßen einstufigen
Umformprozess herstellt wird. Das Werkstück weist in seinen
beiden Endabschnitten 1 und 2 jeweils eine napfartige
Innenkontur A und B und in seinen beiden Mittelabschnitten 3 und 4 jeweils
einen Flansch C und D auf. Der Napf B weist in Durchmesser und Tiefe
deutliche größere Abmessungen auf als Napf A.
Der Flansch D ist in Durchmesser und Höhe größer
als der Flansch C. Der Rohling wird vor dem Einlegen in die hydraulische
Presse durch eine induktive Heizeinrichtung partiell erwärmt.
Dabei wird das auf den Rohling aufzubringende Temperaturprofil so
eingestellt, dass die Fließspannungen bei der Herausbildung
der gewünschten Geometrien in allen vier Umformbereich
den gleichen Wert aufweisen und somit die erforderliche Umformkraft
identisch ist.
-
Das
Temperaturprofil des erwärmten Rohlings hat demnach folgendes
Aussehen:
- • Die Temperatur T1 im Endabschnitt 1 liegt im Bereich
der Kaltumformung;
- • Die Temperatur T2 im Endabschnitt 2 liegt
im Bereich der Halbwarmumformung;
- • Die Temperatur T3 im Mittelabschnitt 3 liegt
im Bereich der Halbwarmumformung;
- • Die Temperatur T4 im Mittelabschnitt 4 liegt
im Bereich der Warmumformung.
-
Der
Mittelabschnitt 4 ist der Umformbereich mit der maximalen
Umformung, weil hier der Flansch D mit dem größten
Materialvolumen ausgeformt wird. Um das Formänderungsvermögen
des Werkstoffes lokal an die gewünschte Umformung anzupassen, wird
der Rohling in diesen Umformbereichen auf eine Temperatur oberhalb
seiner Rekristallisationstemperatur erwärmt.
-
Der
Umformprozess erfolgt in einer hydraulischen Presse, die mit einem
geschlossenen Werkzeug arbeitet. Das Werkzeug ist dreiteilig und
besteht aus Ober- und Untergesenk sowie einer zwischen Ober- und
Untergesenk angeordneten Schließvorrichtung, die den Werkstückbereich
zwischen den Flanschen C und D radial stützt und somit
ein Querfließen des Werkstoffes verhindert. In das untere
und obere Gesenk ragen jeweils in axialer Richtung Napfstempel.
-
Der
Rohling wird unmittelbar nach seiner partiellen Erwärmung
in den entsprechenden Bereichen in das untere Gesenk eingelegt,
so dass die Stirnfläche des Rohlings am Endabschnitt 1 auf
dem Napfstempel des Untergesenks ruht. Nach Schließen des
Gesenks fährt der Napfstempel des Obergesenks gegen die
Stirnfläche am Endabschnitt 2 und erzeugt im Rohling
ein axiales Stauchen. Im weiteren Verlauf des Schließvorgangs des
Gesenks dringen beide Napfstempel in die Stirnfläche des
Rohlings ein und die Endabschnitte 1 und 2 werden
dabei plastisch umgeformt.
-
Der
Stempel des Untergesenks bewirkt durch Napf-Vorwärts-Fließpressen
die Herausbildung des Napfes A im Endabschnitt 1. Entsprechend dem
Temperaturprofil des Rohlings erfolgt das Fließpressen
an dieser Stelle im Temperaturbereich einer Kaltumformung. Analog
dazu erzeugt der Stempel des Obergesenks im Endabschnitt 2 durch
einen Napf-Rückwärts-Fließpressvorgang
im Temperaturbereich der Halbwarmumformung die Herausbildung des
Napfes B. Bei diesen parallel ablaufenden Vorgängen des
Napf-Fließpressens wird das Material jeweils in den Endbereichen
des Rohlings durch den eindringenden Stempel nach außen
verdrängt und damit ein Innenprofil erzeugt, das näherungsweise der äußeren
Kontur des Stempels entspricht.
-
Gleichzeitig
wird das Material in den Mittelabschnitten des Rohlings unter dem
Einfluss des axialen Stauchens in die Innenkontur des Gesenks gepresst. Über
den Vorrang des Flansch-Quer-Fließpressens erfolgt in den
Mittelabschnitten 3 und 4 des Rohlings die Ausformung
der Flansche C und D. Dabei wird die äußere Kontur
der Flansche weitestgehend durch die innere Geometrie der Matrize
bestimmt. Das Materialvolumen des Mittelabschnittes C wird dabei
unter den Bedingungen einer Halbwarmumformung zum Flansch C ausgeformt,
während die maximale Umformung zum Flansch D im Mittelabschnitt
D bei einer lokalen Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur
erfolgt. Damit ist der einstufige Umformprozess, der einerseits
eine Verfahrenskombination aus Napf-Vorwärts-Fließpressen,
Napf-Rückwärts-Fließpressen und Flansch-Quer-Fließpressen
darstellt und andererseits eine simultan ablaufende Kalt-, Halbwarm-
und Warmumformung in sich vereint, abgeschlossen.
-
Je
nach Verwendungszweck und somit gewünschtem Fertigungsprofil
der Doppelflanschwelle kann bei Bedarf eine gezielte Wärmbehandlung
in den Umformprozess integriert werden. Dabei werden erfindungsgemäß unmittelbar
nach Abschluss der eigentlichen Umformung der auf oberhalb der Rekristallisationstemperatur
erwärmte Materialbereich des Flansches D und/oder gegebenenfalls
auch die Materialbereiche des Flansches C und des Napfes B, die
eine Temperatur im Bereich der Halbwarmumformung aufweisen, noch
im geschlossenen Gesenk einer gesteuerten Abkühlung unterzogen.
Dadurch können an der Doppelflanschwelle lokale Bereiche unterschiedlicher
Festigkeit und somit Werkstücke mit belastungs-, anwendungs-
und/oder bearbeitungsorientiertem Eigenschaftsprofil hergestellt
werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung hohlprofilierter
Doppelflanschwellen ist nicht nur auf Fertigteilkonturen gemäß der
schematischen Darstellung in 2 beschränkt.
Weitere Ausführungsvarianten des Verfahrens eröffnen
Spielräume sowohl in der geometrischen Auslegung der Näpfe als
auch in der Anordnung der Flansche sowie in der Gestaltung ihrer äußeren
Konturen. Bei abweichenden Geometrieauslegungen der Näpfe
und/oder der Flansche wird das Temperaturprofil des Rohlings den aktuellen
Umformbedingungen angepasst.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich in
einem einstufigen Umformprozess z. B. hohl profilierte Doppelflanschwellen
konturnah herstellen. Auf Grund des einstufigen Prozessablaufs, der
Tatsache, dass nur ein Werkzeug für die gleichzeitige Ausformung
von Innen- und Außenkontur erforderlich ist, und der kurzen
Taktzeiten ist der Verfahrensablauf selbst sehr kostengünstig.
Das Verfahren ist somit aus technologischer und wirtschaftlicher Sicht
für eine Serienfertigung bestens geeignet.
-
Insbesondere
durch das beidseitige Hohlprofilieren mittels Napfen anstelle einer
spanenden Bearbeitung wird eine beträchtliche Materialeinsparung erreicht.
Zudem weist das Napfen im Vergleich mit spanender Bearbeitung neben
dem Material sparenden Aspekt zusätzlich noch einen eigenschaftsrelevanten
Vorteil auf. Im Gegensatz zum Spanen wird der Faserverlauf des Werkstoffs
beim Napfen durch Fließpressen nicht gestört,
so dass die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke nicht
durch Materialverletzungen beeinträchtigt werden.
-
Mit
der einstufigen Herstellung innen- und außenprofilierter,
endkonturnaher Werkstücke durch unterschiedliche Verfahrensvarianten
des Fließpressens können Folge-Fertigungsschritte,
z. B. Zwischenglühen, Nachpressen, Spanen oder Schneiden,
völlig ausgeschaltet oder zumindest vereinfacht werden.
-
Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass das gezielt eingestellte Temperaturprofil
des Rohlings zu einer Kombination aus Kalt- und Warmumformung führt.
Damit werden im Fertigungsprozess die Vorteile günstiger
Umformbedingungen am warmen Werkstück mit den Vorteilen
der Kaltumformung, wie Verfestigung des Materials, Querflächenqualität
und Maßhaltigkeit zusammengeführt.
-
Die
einstufige Umformung des Rohlings mit spezifischem Temperaturprofil
eröffnet ferner die vorteilhafte Möglichkeit,
die Geometriegestaltung mit einer gezielten Eigenschaftseinstellung
am Werkstück zu verbinden. So können beispielsweise
in Werkstückbereichen, die warm oder halbwarm umgeformt worden
sind, durch schnelle Abkühlung unmittelbar im Umformwerkzeug
lokale Festigkeitssteigerungen erreicht und somit belastungs-, anwendungs- und/oder
bearbeitungsoptimierte Werkstücke erzeugt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3235115
C2 [0008]
- - DE 102006019234 A1 [0009]
- - EP 1171252 [0010]