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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Profils in einer Wand eines Werkstücks, bei dem das Werkstück in einer Spanneinrichtung gespannt und radial mit einem während des Bearbeitungsvorgangs in axialer Richtung relativ zum Werkstück bewegten Umformwerkzeug beaufschlagt wird, dessen Werkzeugeinlauf einen ersten Einlaufwinkel aufweist, wodurch ein Rohprofil im Werkstück hergestellt wird, das in einem ersten Bereich eine im wesentlichen volle Profilierung aufweist.
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Ein derartiges Verfahren ist aus der
DE 10 2007 019 706 A1 bekannt und wird zur spanlosen Herstellung von Innen- und Außenprofilen, insbesondere von Innen- und Außenverzahnungen, mittels Zieh- bzw. Fließpressoperationen im kalten, halbwarmen oder vollwarmen Zustand eingesetzt. Dabei wird das umzuformende, rotationssymmetrische oder unsymmetrische Werkstück in einer geeigneten Spanneinrichtung gespannt und ein Umformwerkzeug wird auf einen entsprechend vorbereiteten Durchmesser des Werkstücks aufgeformt. Hierbei gelangen üblicherweise Umformwerkzeuge zum Einsatz, deren Werkzeugeinlauf mit vorzugsweise 15° bis 20° Einlaufwinkel in bezug zur Mittelachse des Werkzeugs und somit des damit umzuformenden Werkstücks ausgebildet ist. Dieser Einlaufwinkel kann aus umform- und maschinenprozesstechnischen Gründen nicht beliebig steil ausgebildet werden: Wird beim Umformvorgang ein Werkzeug, dessen Werkzeugeinlauf einen größeren Einlaufwinkel als den vorgenannten Einlaufwinkel von ungefähr 15° bis 20° aufweist, verwendet, so verschlechtert sich die Bearbeitungsqualität des Werkstücks beträchtlich. Dies könnte dadurch umgegangen werden, dass das Umformwerkzeug mit einer äußerst geringen Geschwindigkeit vorgeschoben wird. Eine geringe Vorschubgeschwindigkeit geht aber mit einer langen Bearbeitungsdauer einher, so dass dadurch die Herstellungskosten eines derartig umgeformten Werkstücks deutlich steigen würden. Diese Umstände führen dazu, dass konventionell eine bestimmte Länge des Werkstücks nicht voll mit dem herzustellenden Profil ausgebildet wird. Hierbei handelt es sich mindestens um die Länge, die sich geometrisch aus dem Einlaufwinkel und der Höhe des Profils ergibt. Wird z. B. eine Verzahnung benötigt, deren Auslauf an einer 90°-Schulter des Werkstücks endet und diese als Anschlag für ein ebenfalls verzahntes Gegenstück dienen soll, ist es bis jetzt erforderlich, dass das Werkstück in diesem Bereich mit einem sich axial erstreckenden Freistich versehen wird, deren Länge mindestens dem Verzahnungseinlauf des Umformwerkzeugs entspricht und im Durchmesser gleich oder kleiner dem Fußkreis der Verzahnung ist. Es ist daher bei dem bekannten Verfahren erforderlich, entweder sehr lange Freidrehungen vorzusehen, was den Nachteil besitzt, dass damit der Traganteil der Verzahnung stark gekürzt wird, oder die Verzahnung zugunsten des Traganteils lang zu gestalten, was in einer großen Baulänge des Werkstücks resultiert, dessen Länge dann mindestens die minimale Traglänge plus die Länge der Freidrehung beträgt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass in einfacher Art und Weise eine Vergrößerung der nutzbaren Länge des durch Umformen hergestellten Profils, insbesondere bei an einer Schulter endenden Profilen erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass nach der Herstellung des Rohprofils durch das Umformwerkzeug ein Nachformen des Rohprofils mit einem Nachformwerkzeug durchgeführt wird, wobei ein Nachformwerkzeug verwendet wird, dessen Werkzeugeinlauf einen Einlaufwinkel besitzt, der größer als der Einlaufwinkel des Umformwerkzeugs ist, und wobei das Werkstück radial von dem während des Bearbeitungsvorgangs in axialer Richtung relativ zum Werkstück bewegten Nachformwerkzeugs in einem an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich beaufschlagt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Nachbearbeitung des Werkstücks mit einem Nachformwerkzeug es in einfacher Art und Weise möglich ist, ein Profil herzustellen, dessen volle Profilhöhe im wesentlichen über den gesamten umgeformten Bereich gegeben ist. Das beschriebene Verfahren ist besonders dazu geeignet, Profile, die nahe an einer Endwand oder einer Schulter eines Werkstücks enden müssen, auszubilden, ohne dass hierfür eine lange Freidrehung benötigt wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die im folgenden anhand der Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
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1a–1f: ein Stadienplan eines ersten Ausführungsbeispiels,
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1g: eine vergrößerte Darstellung des Teilbereichs A eines Umformwerkzeugs,
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1h: eine vergrößerte Darstellung des Teilbereichs B eines Nachformwerkzeugs,
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1i: eine Ansicht aus der Richtung X der 1c,
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2a–2f: ein Stadienplan eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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2g: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs A eines Umformwerkzeugs,
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2h: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs B eines Nachformwerkzeugs,
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2i: eine Ansicht aus der Richtung X der 2c,
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3a–3f: ein Stadienplan eines dritten Ausführungsbeispiels,
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3g: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs A eines Umformwerkzeugs,
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3h: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs B eines Nachformwerkzeugs,
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3i: eine Ansicht aus der Richtung X der 3c,
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4a–4f: ein Stadienplan eines vierten Ausführungsbeispiels,
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4g: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs A eines Umformwerkzeugs,
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4h: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs B eines Nachformwerkzeugs, und
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4i: eine Ansicht aus der Richtung X der 4c,
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5a–5f: ein Stadienplan eines fünften Ausführungsbeispiels,
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5g: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs A eines Umformwerkzeugs,
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5h: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs B eines Nachformwerkzeugs,
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5i: eine Ansicht aus der Richtung X der 5c,
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6a–6f: ein Stadienplan eines sechsten Ausführungsbeispiels.
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6g: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs A eines Umformwerkzeugs,
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6h: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs B eines Nachformwerkzeugs, und
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6i: eine Ansicht aus der Richtung X der 6c.
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In den 1a–1f ist nun ein Stadienplan eines ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens dargestellt, mit dem – wie nachstehend beschrieben – ein Innen-Profil P', hier eine Innenverzahnung, in eine Innenwand W' eines in einer Spanneinrichtung 2 einer Umformmaschine 1 gespannten Werkstücks W eingebracht werden soll. Hierzu wird zuerst ein konventionelles und daher nicht im Detail beschriebenes Umformwerkzeug 3 verwendet, dessen Werkzeugeinlauf 4 – wie am besten aus 1g ersichtlich ist – unter einem ersten Einlaufwinkel α1 zur Mittelachse M des Umformwerkzeugs 3 und somit zur Mittelachse des damit umzuformenden Werkstücks W verläuft.
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In dem in 1b dargestellten ersten Verfahrensschritt wird das Umformwerkzeug 3 in einer an und für sich bekannter Art und Weise in axialer Richtung X von einer Vorschubeinrichtung (nicht gezeigt) vorgeschoben und seine Umformsegmente 3' treten in Wirkeingriff mit der Innenwand W' des Werkstücks W, wodurch ein Rohprofil P des herzustellenden Innenprofils P' ausgebildet wird.
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Danach wird – wie in 1c dargestellt – das Umformwerkzeug 3 durch die Vorschubeinrichtung aus dem Werkstück W herausbewegt. Man erkennt aus der 1c, dass das Rohprofil P – entsprechend der Ausbildung des Werkzeugeinlaufs 4 – in seiner Profilhöhe in einem ersten Bereich P1 voll ausgebildet ist und in einem in Vorschubrichtung daran anschließenden zweiten Bereich P2 des Rohprofils P in seiner Profilhöhe abnimmt, wobei der zweite Bereich P2 ungefähr eine Länge, die der axialen Erstreckung E des Werkzeugeinlaufs 4 entspricht, aufweist.
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Um nun auch in diesem zweiten Bereich P2 des Rohprofils P eine Profilhöhe auszubilden, die derjenigen des in voller Höhe durch das Umformwerkzeug 3 bereits profilierten Bereichs P1 entspricht, ist nun bei dem beschriebenen Verfahren vorgesehen, dass in einem in 1d dargestellten vierten Verfahrensschritt ein Nachformvorgang mit einem Nachformwerkzeug 5 durchgeführt wird. Dieses Nachformwerkzeug 5 ist seinem Grundaufbau nach ein übliches Umformwerkzeug wie z. B. das in 1g dargestellte Umformwerkzeug 3, unterscheidet sich von diesem aber dadurch, dass – wie am besten aus 1h ersichtlich ist – sein Werkzeugeinlauf 6 einen deutlich größeren Einlaufwinkel α2 > α1 aufweist, wobei α2 ≤ 90° ist. Dieses Nachformwerkzeug 5 wird von der Vorschubeinrichtung in axialer Richtung X vorgeschoben und beaufschlagt mit seinem Werkzeugeinlauf 6 nun den eine geringere, in axialer Richtung abnehmende Profilhöhe aufweisenden zweiten Bereich P2 des zuvor hergestellten Rohprofils P. Da dieser Bereich P2 etwa nur die axiale Erstreckung E des Werkzeugeinlaufs 4 des Umformwerkzeugs 3 beträgt, kann zur spanlosen Nachformung des Rohprofils P durch das Nachformwerkzeug 5 im Bereich P2 mit einer relativ langsamen Vorschubgeschwindigkeit gearbeitet werden, ohne dass dies zu einer nennenswerten Erhöhung der Herstellungszeit führt.
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Nach dem in 1f dargestellten Herausbewegen des Nachformwerkzeugs 5 aus dem Werkstück W weist dieses das in 1i dargestelltes Innenprofil P' auf, welches – wie am besten aus der 1f ersichtlich ist – im wesentlichen über seinen gesamten Bereich P1 + P2 eine im wesentlichen gleiche Profilhöhe und nahe an einer Endwand W''' des Werkstücks W heranreicht, aufweist. Im Fall einer Innenverzahnung bedeutet dies, dass die Traglänge der derart hergestellten Innenverzahnung gegenüber einer Innenverzahnung, die mittels eines bekannten Verfahrens, bei dem eine hinreichend volle Innenverzahnung nur über den Bereich P1 herstellbar war, deutlich vergrößert ist. Die durch das beschriebene Verfahren herstellbare Innenverzahnung kann daher bei gleicher Traglänge deutlich kürzer ausgebildet sein, oder weist bei einer unveränderten Gesamtlänge eine vergrößerte Traglänge auf.
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In den 2a–2f ist nun ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens wiederum mittels eines Stadienplans dargestellt. Das anhand dieser Figuren beschriebene Verfahren dient wiederum zur Herstellung eines Innenprofils P, insbesondere einer Innenverzahnung in einem Werkstück W, das einen Freistich F aufweist. Durch die in den 2a–2c dargestellten ersten Verfahrensschritten – die den ersten Verfahrensschritten des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen – wird mit dem Umformwerkzeug 3 ein Rohprofil P ausgebildet, dessen vorderer Bereich P2 nun kürzer als die axiale Erstreckung E des Werkzeugeinlaufs 4 ist, da – wie am besten aus 2b ersichtlich ist – das Umformwerkzeug 3 aufgrund des Freistichs F das Rohprofil P weiter in voller Höhe in das Werkstück W eingebracht werden als dies bei dem Werkstück W des ersten Ausführungsbeispiels, bei dem kein Freistich vorgesehen ist, der Fall war.
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Nach dem Herstellen des Rohprofils P wird wiederum – wie beim ersten Ausführungsbeispiel – ein Nachformwerkzeug 15 in das Werkstück W eingeschoben (2e), wodurch der zweite Bereich P2 des zuvor durch das Umformwerkzeug 3 in den Verfahrensschritten der 2a–2c hergestellten Rohprofils P radial beaufschlagt wird. Danach wird – wie in 2f dargestellt – das Nachformwerkzeug 15 von der Vorschubeinrichtung aus dem Werkstück W herausbewegt und das Werkstück W weist das in 2i dargestellte Innenprofil P' auf. Wie der Detaildarstellung des Nachformwerkzeugs der 2h zu entnehmen ist, ist der Betrag des Einlaufwinkels α2 des Werkzeugeinlaufs 16 kleiner gleich 90° und entgegengesetzt zum Einlaufwinkel α2 des ersten Ausführungsbeispiels orientiert, so dass eine spanabhebende Kante 17 ausgebildet wird. Die Nachbearbeitung des Bereichs P2 des Rohprofils P erfolgt also hier spanabhebend.
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In den 3a–3f ist nun ein drittes Ausführungsbeispiel des Verfahrens dargestellt, durch das wiederum ein Innenprofil P' in der Innenwand W' des Werkstücks W ausgebildet werden soll. Das Werkstück W weist wiederum einen Freistich F auf. Die in den 3a–3c dargestellten ersten drei Verfahrensschritte entsprechen denjenigen der in den 2a–2c dargestellten Verfahrensschritte des zweiten Ausführungsbeispiels und werden daher nicht mehr näher beschrieben. Der wesentliche Unterschied zwischen dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel besteht nun in der Ausbildung des Nachformwerkzeugs 25. Wie am besten aus der 3h ersichtlich ist, weist der Werkzeugeinlauf 26 einen Einlaufwinkel α2 auf, dessen Betrag kleiner gleich 90° ist. Der Werkzeugeinlauf 26 ist derart ausgebildet, dass das Nachformwerkzeug 25 das Rohprofil P im Bereich P2 spanlos beaufschlagt. Es erfolgt also bei einem dritten Ausführungsbeispiel nicht – wie beim zweiten Ausführungsbeispiel – eine spanende Bearbeitung des Rohprofils P im Bereich P2, sondern dieser wird spanlos bearbeitet.
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In den 4a–4f ist nun ein viertes Ausführungsbeispiel des beschriebenen Verfahrens dargestellt, welches zur Herstellung eines Außenprofils P'', insbesondere einer Außenverzahnung, in einer Außenwand W'' des Werkstücks W dient, wobei das Außenprofil P'' bis zu einer Schulter S des Werkstücks W im wesentlichen die volle Profitiefe aufweisen soll.
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Ein Umformwerkzeug 33 des vierten Ausführungsbeispiels weist einen Werkzeughalter 33a und ein in diesem aufgenommenes Umformwerkzeug 33b auf, dessen Werkzeugeinlauf 34 wiederum – wie am besten aus 4g ersichtlich ist – einen Einlaufwinkel α1, der typischerweise 10° bis 20° beträgt, besitzt. Das Umformwerkzeug 33 wird wiederum von der Vorschubeinrichtung in axialer Richtung X vorgeschoben und Umformsegmente 33' treten mit der Außenwand W'' des Werkstücks W in Wirkeingriff, wie dies in 4b dargestellt ist.
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Nach diesem ersten Umformvorgang wird – wie in 4c dargestellt – das Umformwerkzeug 33 von der Vorschubeinrichtung zurückgezogen. Das Werkstück W weist ein Außen-Rohprofil P auf, welches im Bereich P1 die volle Profilhöhe besitzt. Im Bereich P2 nimmt die Profilhöhe zur Schulter S des Werkstücks hin ab.
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Um dann auch bei derartigen Außenprofilen über den gesamte Bereich P1 + P2 einen im wesentlichen volle Profitiefe zu erreichen, ist wiederum vorgesehen, dass das wie vorstehend beschrieben ausgebildete Rohprofil P einem Nachformvorgang unterzogen wird. Hierzu dient das Nachformwerkzeug 35. Dieses weist einen Werkzeughalter 35a und ein Nachformwerkzeug 35b auf. Ein Werkzeugeinlauf 36 des Nachformwerkzeugs 35b, welcher in 4h vergrößert dargestellt ist, weist einen Einlaufwinkel α2 auf, dessen Betrag kleiner gleich 90° ist, wobei der Werkzeugeinlauf 36 derart ausgebildet ist, dass das Nachformwerkzeug 35b spanlos arbeitet. Wie in den 4e und 4f dargestellt, wird das Nachformwerkzeug 35 wiederum auf das Werkstück W aufgebracht und sein Werkzeugeinlauf 36 beaufschlagt dabei das Werkstück W im Bereich P2 spanlos und bildet auch in diesem Bereich ein Profil mit einer vollen Profilhöhe aus. Nach dem Zurückziehen des Nachformwerkzeugs 35, das in 4f dargestellt ist, ist ein Außenprofil P'' ausgebildet, dessen volle Profilhöhe im wesentlichen bis zur Schulter S des Werkstücks W reicht.
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In den 5a–5f ist nun ein Stadienplan einer fünften Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens dargestellt, welches zur Herstellung eines Außenprofils P'', insbesondere einer Außenverzahnung, in einer Außenwand W'' eines Werkstücks W mit einem Freistich F dient. Das dafür verwendete Umformwerkzeug 33 ist im wesentlichen das gleiche wie beim vierten Ausführungsbeispiel, so dass es hier nicht mehr näher beschrieben werden muss. Das im Detail in der 4h dargestellte Nachformwerkzeug 45 unterscheidet sich von dem Nachformwerkzeug 35 des vierten Ausführungsbeispiels dadurch, dass sein Werkzeugeinlauf 46 einen Einlaufwinkel α2 aufweist, dessen Betrag kleiner gleich 90° ist, wobei der Werkzeugeinlauf 46 derart ausgebildet ist, dass eine spanabhebende Beaufschlagung des Bereichs P2 durch eine spanende Kante 47 erfolgt. Durch die spanabhebende Bearbeitung des Rohprofils P im Bereich P2 wird erreicht, dass auch dieser Bereich die volle Profilhöhe aufweist.
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In den 6a–6f ist nun ein Stadienplan eines sechsten Ausführungsbeispiels dargestellt, welches wiederum zur Herstellung eines Außenprofils P'', insbesondere einer Außenverzahnung in der Außenwand W'' des Werkstücks W dient. Das Werkstück W weist wiederum einen Freistich F auf. In den ersten Verfahrensschritten gemäß den 6a–6c wird wiederum mit dem Umformwerkzeug 33 ein Rohprofil P hergestellt, das dann in den 6d–6f dargestellten Verfahrensschritten mit einem Nachformwerkzeug 55 nachbearbeitet wird. Der wesentliche Unterschied zwischen dem sechsten Ausführungsbeispiel und dem fünften Ausführungsbeispiel ist nun, dass die Nachbearbeitung spanlos erfolgt. Wie am besten aus der 6h ersichtlich ist, ist der Einlaufwinkel α2' des Nachformwerkzeugs 55 vom Betrag her kleiner gleich 90°, wobei der Werkzeugeinlauf 56 derart angeordnet ist, dass eine spanlos arbeitende Kante 57 ausgebildet wird. Das Nachformen des Bereichs P2 des zuvor mit dem Umformwerkzeug 33 hergestellten Außen-Rohprofils P erfolgt somit spanlos.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass das Werkstück W in einer Spanneinrichtung 3 ruhend aufgenommen ist und die Umform- und Nachformwerkzeuge durch die Vorschubeinrichtung zum Werkstück W bewegt und nach ihrem Bearbeitungsschritt wieder aus diesem herausbewegt werden. Es ist dem Fachmann klar ersichtlich, dass es auch möglich ist, dass das jeweilige Umform- oder Nachformwerkzeug ruht, während das Werkstück W bewegt wird. Auch eine Kombination der beiden Maßnahmen ist möglich. Wesentlich ist nur, dass eine in axialer Richtung verlaufende Relativbewegung zwischen Werkstück und dem entsprechenden Werkzeug durchgeführt wird, während das Werkstück W in radialer Richtung beaufschlagt wird.
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Von besonderem Vorteil ist hierbei, wenn das Werkstück W und/oder das entsprechend Werkzeug frequenzmoduliert vorgeschoben wird oder werden, wie dies im europäischen Patent
EP 1 003 616 der Anmelderin beschrieben ist. Hierbei ist dann vorgesehen, dass die das entsprechende Werkzeug und/oder die das Werkstück W bewegende Vorschubeinrichtung mit einer Frequenzerzeugungseinrichtung zusammenwirkt, durch welche die von der jeweiligen Vorschubeinrichtungen erzeugte Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug derart modulierbar ist, dass nach einem Vorwärtshub, bei dem das Werkstück und/oder das Werkzeug einen ersten Hubweg durchläuft, in einem darauf folgenden Rückwärtshub eine Bewegung des Werkzeugs und/oder des Werkstücks W in einer der Vorschubrichtung entgegengesetzten Richtung um einen zweiten Hubweg durchführbar ist, wobei bevorzugt wird, dass der bei einem Vorwärtshub in Vorschubrichtung zurückgelegte erste Hubweg größer als der beim darauf folgenden Rückwärtshub zurückgelegte zweite Hubweg ist.
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Dem Fachmann ist aus obiger Beschreibung des weiteren ersichtlich, dass sich die unterschiedlichen Umform- und Nachformvorgänge kombinieren lassen, wobei die sechs wichtigsten Varianten oben beschrieben wurden. Dies schließt aber nicht aus, dass auch weitere Varianten wie z. B. eine spanende Nachbearbeitung eines Innenprofils in einem Werkstück ohne Freistich, möglich sind.
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Zusammenfassend ist festzuhalten, dass durch die beschriebenen Maßnahmen ein Verfahren ausgebildet wird, welches sich dadurch auszeichnet, dass aufgrund des dem Umformvorgang nachgeschalteten Nachformvorgangs ein Innen- oder Außenprofil P bzw. P'', insbesondere eine Innen- oder eine Außenverzahnung, ausbildbar ist, welches über die gesamte Länge des Profils P' bzw. P'' im wesentlichen die volle Profilhöhe aufweist. Das beschriebene Verfahren ist daher insbesondere dazu geeignet, Profile P', P'', die an eine Endwand W''' oder an eine Schulter S des Werkstücks W nahe heranreichen müssen, auszubilden.
