DE102010015835A1

DE102010015835A1 - Verfahren zum maschinellen Herstellen von zylinderförmigen Werkstücken

Info

Publication number: DE102010015835A1
Application number: DE102010015835A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: IFUTEC INGENIEURBUERO fur UMFORMTECHNIK GmbH
Current assignee: Ifutec Ingenieurbuero fur Umformtechnik GmbH
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Verfahren zum maschinellen Herstellen von zylinderförmigen, vorzugsweise hohlen Werkstücken, welche aus einem metallischen Werkstoff bestehen und an welchen selektive Verdickungen durch plastisches Verformen auszubilden sind, wobei das Werkstück in einer Werkzeugpresse unter Einwirkung eines Pressenstempels axial gestaucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchvorgang mit wenigstens einer impulsartigen Presskraft eingeleitet wird, die gegenüber der nachfolgenden normalen Presskraft stark erhöht ist.

Description

Zylinderförmige Werkstücke zählen zu den häufigsten Konstruktionselementen im Maschinenbau, die in der Praxis in den verschiedensten Abwandlungen eingesetzt werden. Aus Gewichtsgründen werden die Wandstärken dieser Konstruktionselemente möglichst gering dimensioniert, was zur Folge hat, dass nachträglich noch selektive Verstärkungen anzubringen sind. Auch die Enden dieser Werkstücke sind häufig noch nachträglich zu verschließen.
Zylinderförmige Werkstücke in Form von kraftübertragenden Antriebswellen dienen der Übertragung von Drehmomenten und Drehbewegungen und werden in der Massenproduktion beispielsweise im Fahrzeugbau benötigt. Für die Verbindung von Antriebswellen mit den jeweiligen An- oder Abtriebselementen sind Flansche, Steckverbindungen mit Innen- oder Außenverzahnungen, oder Zahnräder gebräuchlich. Diese Verbindungselemente können im einfachsten Fall aus einem massiven Vollmaterial durch spanende Bearbeitung hergestellt werden, was in der Praxis nur bei geringen Stückzahlen in Frage kommt. Bei größeren Stückzahlen werden derartige Werkstücke bevorzugt durch plastische Umformung hergestellt, oder es werden vorgefertigte Hohlwellen verwendet, die durch Verschweißen oder Verschrauben mit Endstücken verbunden werden, die beispielsweise in Form von Flanschen oder Verzahnungselementen ebenfalls vorgefertigt wurden. Aus Festigkeitsgründen wäre es aber wünschenswert, Antriebswellen zusammen mit ihren Endstücken einteilig durch plastische Umformung, insbesondere durch Stauchen herzustellen, da diese Herstellungstechnik einen ungestörten Faserverlauf im Werkstück sowie eine optimale Materialausnutzung ermöglicht. Um größere Verdickungen an den Antriebswellen herstellen zu können, die für die Ausbildung der Verbindungselemente benötigt werden, sind aber mehrere aufeinander abgestimmte Umformschritte erforderlich, da pro Umformschritt mit den bisherigen Fertigungsverfahren nur ein jeweils begrenzter Umformgrad möglich ist. Diese Herstellungstechnik ist daher mit erheblichen Fertigungs- und Investitionskosten verbunden.
Problematisch ist zudem das plastische Verformen von Hohlwellen durch Stauchen, da die Wandung einer insbesondere dünnwandigen Hohlwelle beim Stauchvorgang prinzipiell zum Einknicken bzw. Ausbeulen neigt.
Zum spanlosen Umformen eignen sich grundsätzlich alle Metalle, die über die jeweilige Zuggrenze des Werkstoffs hinaus noch plastisch verformbar sind, also die für diese Zwecke verfügbaren Werkstoffe wie beispielsweise Stahl, Aluminium oder Messing.
Grundsätzlich kann der Verformungsaufwand dadurch reduziert werden, dass der Werkstoff vor dem Umformen auf eine Temperatur angewärmt wird, in welcher die Zuggrenze des Werkstoffs temperaturbedingt geringer ist. Bei Stahl liegen diese Temperaturen oberhalb der Rekristallisationstemperatur, d. h. beispielsweise bei ca. 500 bis 700 Grad Celsius, aber auch höher. Dadurch fallen aber hohe Werkzeugkosten an und die Oberflächen dieser Werkstücke neigen zum Verzundern und müssen in einem weiteren Fertigungsschritt wieder entzundert werden. Es ist daher wünschenswert, die spanlose Umformung bei einer möglichst geringen Erwärmung durchzuführen.
Zum spanlosen Umformen haben sich in der Massenfertigung hydraulische Pressen durchgesetzt, die bei den erforderlichen hohen Presskräften kompakter bauen und zuverlässiger sind. Die früher sehr verbreiteten Exzenterpressen sind dagegen weitgehend vom Markt verschwunden, da sie als störungsanfällig gelten. Insbesondere sind die Kupplungen dieser Exzenterpressen verschleißanfällig, was häufig zu Produktionsausfällen und schweren Verletzungen der Beschäftigten führte.
Eine Verformung von dünnwandigen Rohren ist beispielsweise materialschonender, durch inkrementelle Umformung wie Rundkneten möglich, welche ohne oder auch mit einem Erwärmen des Werkstoffs möglich ist. Bei diesem Verfahren wird beispielsweise ein dünnwandiges Rohr auf ein teilbares Werkzeug aufgezogen, dessen Kontur der Negativform des fertigen Werkstücks entspricht. Diese Anordnung wurde in einer Drehbank aufgespannt, auf welcher das dünnwandige Rohr mittels Drückwerkzeugen, Rollen oder Walzen an die Negativform angepresst wurde. Nach dem Entfernen der Negativform konnten auf diese Weise die Endstücke des Rohres spanlos in die gewünschte Form gebracht werden. Dieses Verfahren ist aber wegen der hohen Bearbeitungszeit bei hohen Stückzahlen nur bedingt geeignet. Ein Verdicken der Wandstärke ist bei diesem Verfahren nur begrenzt möglich.
Zum Verdicken von Rohren mit größeren Wandstärken wird in der EP 1 252 946 A2 vorgeschlagen, dass der gesamte Endbereich des Rohres zunächst partiell erwärmt und anschließend durch axiales Stauchen und radiales Schmieden verdickt wird, wobei das radiale Schmieden durch Rundkneten erfolgen soll. Die für den Schmiedevorgang erforderlichen hohen Temperaturen erfordern jedoch entsprechend warmfeste und teure Werkzeuge. Ferner müssen die Werkstücke nach jedem Bearbeitungsschritt entzundert werden. Wenn dieses Verfahren bei Raumtemperatur angewendet wird, seien hingegen nur geringe Umformgrade möglich. Die Taktzeit ist vergleichsweise lang.
Für das erfindungsgemäße Verfahren liegt demgegenüber die Aufgabe vor, die Anzahl an Arbeitsschritten zu verringern, die zum Herstellen der gewünschten Verdickungen an Hohlwellen benötigt werden. Ggf. kann eine gewünschte Umformung bereits in einem einzigen Arbeitsschritt erzielt werden. Durch die geringere Wärmezufuhr können zudem billigere Werkzeuge verwendet werden und der Energiebedarf des Umformprozesses wird reduziert. Ferner soll der Aufwand für das Entzundern der Werkstücke verringert bzw. ganz vermieden werden. Es soll demnach erfindungsgemäß ganz allgemein das plastische Verformen von Werkstücken durch Stauchen vereinfacht werden.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass hohe Umformgrade dadurch ermöglicht werden, dass die Umformung durch eine Presskraft eingeleitet wird, die wesentlich über der zum eigentlichen Fließpressen erforderlichen normalen Presskraft liegt und impulsartig auf das Werkstück einwirkt. Insbesondere wurde im Rahmen von Versuchen beobachtet, dass ein überraschend hoher Umformungsgrad dann erreicht wurde, wenn der Rohling in das Werkzeug einer Exzenterpresse eingelegt und der Stauchbeginn in den Bereich der maximalen Geschwindigkeit der Pressenstempels gelegt wurde. Eine Erklärung für dieses Phänomen kann darin gesehen werden, dass eine impulsartig eingeleitete Presskraft einen schockartigen Druckanstieg des im Presswerkzeug befindlichen Werkstücks bewirkt mit der Folge, dass die Fließgrenze des Werkstoffs an jeder Stelle des Werkstücks ohne Verzögerung überschritten wird. Bei einem langsameren Druckaufbau im Werkstück erfolgt dagegen das Fließen des Werkstoffs zunächst nur an diskreten Stellen, wobei die dabei auftretende radiale Volumenausdehnung des Werkstoffs zu partiell hohen Reibungsverlusten in der Negativform führt. Damit wird der axiale Druckaufbau des Werkstücks in diskreten Bereichen herabgesetzt und damit das Fließen an diesen Stellen behindert.
Eine weitere Erklärung könnte darin bestehen, dass ein schockartiges Einsetzen des Stauchdrucks zu einer Störung der Gitterstruktur des Werkstoffs und damit zu einer momentanen Änderung seiner Festigkeitseigenschaften führt. Einen Hinweis auf derartige Zusammenhänge zeigt jedenfalls das allgemein bekannte Zug-Dehnungsdiagramm von Stahl, wonach nach dem Überschreiten der Zuggrenze eine abrupte und überraschende Änderung des E-Moduls eintritt, was auf eine Veränderung der Werkstoffeigenschaften hindeutet.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dem normalen Umformvorgang eine zusätzliche Presskraft zu überlagern, welche während eines Umformvorgangs auch mehrfach wiederholt werden kann. Damit ist diese Erfindung nicht nur bei Exzenterpressen, sondern auch bei allen möglichen Pressenarten anwendbar, also insbesondere auch bei den an sich üblichen hydraulischen Pressen. Für das Erzeugen dieser zusätzlichen Presskraft stehen zahlreiche technische Möglichkeiten zur Verfügung, die beispielsweise bei Presslufthämmern zum Stand der Technik zählen und an dieser Stelle keine weiteren Erläuterungen bedürfen. Eine besonders einfache Form, eine zusätzliche Presskraft in Form einer Impulskraft zu erzeugen, besteht in der Anwendung des an sich bekannten Feder-Masse-Systems. Dabei wird beispielsweise der Pressenstempel über eine Feder mit einer zusätzlichen Masse verbunden, die nach dem Auftreffen des Pressenstempels auf dem Werkstück zeitlich verzögert auf das Werkstück einwirkt und damit quasi einen Nachschlageffekt bewirkt. Diese Presskräfte können natürlich auch auf anderem Wege, beispielsweise mit elektromechanischen Mitteln, mit Zündsätzen oder mit Piezoelementen erzeugt werden.
Eine weitere Möglichkeit, den Umformgrad zu erhöhen, besteht darin, dem Preßwerkzeug während eines Stauchvorgangs eine geringe Rotationsbewegung aufzuprägen. Damit wird in dem zu verformenden Werkstück eine zusätzliche Scherkraft erzeugt, womit bei verringerter axialer Presskraft bereits frühzeitig die Fließgrenze überschritten und damit dem Einknicken eines Werkstücks im Presswerkzeug entgegengewirkt wird.
Durch partielles Erwärmen des Werkstücks lassen sich einzelne Bereiche des Werkstücks besonders gut verformen, wobei andere Bereiche des Werkstücks, die nicht oder nur wenig am Verformungsvorgang teilnehmen sollen, nicht erwärmt werden oder sogar gezielt gekühlt werden. Dabei kommt es darauf an, dass die Erwärmung des Werkstücks möglichst kurzzeitig, d. h. impulsartig bzw. mit einem bestimmten Temperaturprofil eingebracht wird und nur für den Stauchvorgang zur Verfügung gestellt wird, damit die eingebrachte Wärme möglichst wenig in die angrenzenden Bereiche des Werkstücks abfließt. Diese Wärme kann beispielsweise durch ein Kondensator-Entladungsverfahren eingebracht werden, wobei im Presswerkzeug die für die Stromversorgung erforderlichen Elektroden ringförmig und axial beabstandet angebracht werden, um den zu erwärmenden Abschnitt des Werkstücks abzudecken. Im Extremfall ist es dadurch möglich, den Stromfluß, welcher die Erwärmung des betreffenden Werkstück-Abschnitts bewirkt, auf den eigentlichen Pressvorgang zu begrenzen. Einzelheiten über das Kondensator-Entladungsverfahren können beispielsweise folgender Literaturstelle entnommen werden:
Fügetechniken im Wettbewerb, Vortrag „Kondensatorentladungsschweißen von Präzisionsteilen" – Beispiele aus dem „Getriebebau", Tagungsreihe Dünnblechverarbeitung vom 12. und 13. April 2000 in Erding, SLV München.
Tabelle 1 zeigt einen typischen, erfindungsgemäßen Verlauf Weg und Geschwindigkeit.
Die Zeichnungen Nr. 1–5 zeigen Beispiele für mögliche Umformungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. 1 zeigt das nach innen verdickte Endstück einer Hohlwelle. 2 zeigt ein partiell verdicktes Endstück, welches die Festigkeit an den Enden einer der Hohlwelle durch Verdickung nach außen oder innen und außen vergrößert. 3 zeigt, wie das Endstück den Hohlwelle verstärkt und zusätzlich verschlossen werden kann, um das Eindringen von Flüssigkeiten oder Schmutz zu verhindern. 8 zeigt eine spezielle Ausbildung eines Press- bzw. Gewindedorns, welchem zusätzlich zur üblichen axialen Pressrichtung eine Rotationsbewegung aufgeprägt ist, so dass sich der Werkstoff der Hohlwelle zunächst in Gewindegänge ausformt. Dieser Pressvorgang ist natürlich auch mit anders geformten Pressdornen möglich, sofern diese das Übertragen einer Rotationskraft auf das Werkstück während eines Stauchvorgangs ermöglichen. In diesem Fall wird die benötigte Fließgrenze im Werkstoff durch eine resultierende Kraft erreicht, die sich aus der Rotationskraft und der Axialkraft zusammensetzt. Damit kann der Werkstoff mit einer reduzierten Axialkraft verformt werden, was die Knickgefahr der Rohrwandung verringert. In einem nachfolgenden Pressvorgang kann das Rohrende dann ggf. ganz verschlossen werden.
9 und 10 zeigen Stauchstempel mit von der Zylinderform abweichenden Geometrien mit dem Ziel, einer Faltenbildung entgegenzuwirken. 10 zeigt darüber hinaus einen kombinierten Stauch- und Aufweitvorgang, der erst in der Rückbewegung des Stauchstempels die fertige Geometrie ausformt.
13 zeigt von der runden Form abweichende zylindrische Stempelgeometrien, die je nach Anwendungsfall ebenfalls vorteilhaft sind, da die Aufstauchung dann nicht überall gleich dick ist, was einer Faltenbildung ebenfalls entgegenwirkt.
14 und 15 zeigen Maßnahmen, wie durch Profilierung oder Beschichtung des Klemmgesenks die Reibung und somit die Fließeigenschaften gezielt beeinflusst werden können, um einem Durchrutschen und/oder Faltenbildung entgegenzuwirken. Auch durch radiales Austreten von komprimiertem Gas können die Reibungs- und Umformkräfte beeinflusst werden (16). 11 und 12 zeigen weitere Stempelgeometrien, um besondere Klemmeffekte beim Stauchvorgang zu erzielen.
In Abhängigkeit von der Umformaufgabe sollte auch das Temperaturprofil am Rohrende variiert werden (Tabelle 2). Dies kann durch die Parameter der (induktiven) Erwärmung des Rohrs vor dem Stauchen festgelegt werden oder auch durch einen speziell vorgewärmten Stauchstempel (17 und 18). Eine weitere Art der raschen Temperatureinbringung über Kondensatorentladung zeigt 19. 20 stellt eine Möglichkeit der explosionsartigen Anstauchung dar.
Abschließend wird noch darauf hingewiesen, dass eine Konkretisierung der im Patentanspruch 1 definierten Lehre nicht erforderlich ist, da ein konkretes Maß für die jeweils erforderliche Preßkraft vom jeweils verwendeten Werkstoff und von den Abmessungen des zu formenden Werkstücks abhängt, was ein Fachmann üblicherweise durch Versuche ermittelt. Der geltenden Rechtsprechung zufolge ist dies zulässig und unbedenklich (vgl. BGH Garmachverfahren).
4 stellt eine Verdickung nach außen mit gleichzeitiger Durchmesservergrößerung dar. In 5 sind die Verstärkungen gemäß 1 mit flanschartigen Ausformungen kombiniert. 6 und 7 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen der stirnseitigen Stauchflächen, erzeugt durch entsprechende Stempelgeometrien, um Ausknicken bzw. Faltenbildung zu verhindern.
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

EP 1252946 A2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wettbewerb, Vortrag „Kondensatorentladungsschweißen von Präzisionsteilen” – Beispiele aus dem „Getriebebau”, Tagungsreihe Dünnblechverarbeitung vom 12. und 13. April 2000 in Erding, SLV München [0014]

Claims

Verfahren zum maschinellen Herstellen von zylinderförmigen, vorzugsweise hohlen Werkstücken, welche aus einem metallischen Werkstoff bestehen und an welchen selektive Verdickungen durch plastisches Verformen auszubilden sind, wobei das Werkstück in einer Werkzeugpresse unter Einwirkung eines Pressenstempels axial gestaucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchvorgang mit wenigstens einer impulsartigen Presskraft eingeleitet wird, die gegenüber der nachfolgenden normalen Presskraft stark erhöht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmigen Werkstücke eine Hohlwelle, ein Rohr oder ein massiver Zylinder sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die impulsartige Presskraft in axialer Richtung, in Drehrichtung oder in einer schraubenartigen Richtung auf das Werkstück einwirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchvorgang in einer Exzenterpresse durchgeführt und der Beginn des Stauchvorgangs in den Bereich der maximalen Geschwindigkeit des Pressenstempels gelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchvorgang in einer hydraulischen Presse durchgeführt und die impulsartige Presskraft den Beginn des Stauchvorgangs überlagert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stauchvorgang mehrere impulsartige Presskräfte überlagert werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die impulsartige Presskraft in der Art eines Presslufthammers, eines Elektro-Bohrhammers oder eines Feder-Masse-Systems erzeugt wird und dem Pressenstempel zugeordnet ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die impulsartige Presskraft von einem Piezo-Element oder einem definierten Sprengsatz, insbesondere unter Verwendung von Patronen oder einem Gasgemisch erzeugt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die impulsartige Presskraft mindestens 10% über der nachfolgenden normalen Presskraft liegt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke durch Kaltverformung und/oder durch Warmverformung verformt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke zu Beginn des Stauchvorgangs wenigstens partiell vorgekühlt sind.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Stauchvorgang durch selektives Erwärmen des Werkstücks unterstützt wird, wobei wenigstens ein Abschnitt der Hohlwelle impulsartig erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das selektive Erwärmen nach dem Elektro-Kondensator-Entladungsverfahren, durch Induktion oder durch Mikrowellen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden für das Kondensator-Entladungsverfahren bezüglich des Werkstücks radial angeordnet und zueinander axial beabstandet sind.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Presswerkzeug gekühlt ist.
Umformpresse zum Herstellen einer Hohlwelle nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Presswerkzeug ein Pressdorn und eine hülsenförmige Matrize zugeordnet sind, zwischen denen die Hohlwelle eingeführt wird, wobei der Pressdorn und/oder die Matrize mit Ausnehmungen versehen sind, welche der Negativform der bearbeiteten Hohlwelle entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize des Presswerkzeugs eine Ausnehmung für die Ausbildung eines Werkstücks mit einer Nocke und/oder eines ringförmigen Flansches aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass der Pressdorn des Presswerkzeugs einen verdickten Abschnitt für die Ausbildung eines Werkstücks mit einer Nocke und/oder eines ringförmigen Flansches aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass das Presswerkzeug eine scheibenförmige Ausnehmung aufweist, welche den fließenden Werkstoff aufnimmt und mit dieser Volumenanhäufung in einem weiteren Werkzeug ein verschlossenes Endstück einer Hohlwelle ausbildet.
Antriebswelle für ein Fahrzeug, welche nach einem der vorhergehenden Verfahren und/oder mit einer der vorherigen Umformpressen hergestellt ist
Nockenwellen oder Ausgleichswellen für eine Brennkraftmaschine, welche nach einem der vorhergehenden Verfahren und/oder mit einer der vorherigen Umformpressen hergestellt sind.
Spurstangen, Stabilisatoren, Torsionsfedern, Verstärkungsrohre etc, die nicht rotieren, aber lokale Lastspitzen aufnehmen müssen, welche nach einem der vorhergehenden Verfahren und/oder mit einer der vorherigen Umformpressen hergestellt sind.