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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, vorzugsweise ringförmigen Verzahnungsbauteilen, insbesondere von Stirnzahnrädern, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Verzahnungsbauteile aus Stahl, insbesondere Stirnzahnräder mit einer geraden oder schrägen Laufverzahnung, werden in der Praxis im Wesentlichen durch spanende Verfahren hergestellt. Hierbei erfolgt zunächst im Rahmen einer sogenannten Grünbearbeitung ein Drehen und Fräsen der Laufverzahnung und ein Schaben des Werkstücks im weichen Zustand und anschließend nach dem Härten im Rahmen der Hartfeinbearbeitung ein Schleifen der Verzahnung, um die erforderlichen Genauigkeiten bzw. Toleranzen des Verzahnungsbauteils zu gewährleisten.
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Aufgrund der hohen Produktivität von Umformverfahren ist bereits daran gedacht worden, die Verzahnung von Zahnrädern zumindest im weichen Zustand durch Umformverfahren zu fertigen, um wesentliche Einsparungen durch den Wegfall der Grünbearbeitung zu erzielen. Die Umformung könnte beispielsweise durch Kalt- und Halbwarmfließpressen, Präzisionsschmieden oder Pulverschmieden erfolgen. Allerdings weisen die genannten Verfahren jeweils Nachteile, wie beispielsweise Festigkeitsprobleme beim Pulverschmieden, eine noch fehlende Genauigkeit beim Präzisionsschmieden oder die geringen Umformgrade beim Kalt- und Halbwarmfließpressen, auf, welche ein Hindernis für den industriellen Großserieneinsatz eines derartigen Herstellungsverfahrens darstellen.
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Aus der
DE 26 11 568 A1 sind ein Verfahren zur Herstellung von ringförmigen Werkstücken mit stark profiliertem Querschnitt und ein Walzwerk zur Durchführung des Verfahrens bekannt, wobei zwei gegeneinander zustellbare und im Winkel gegeneinander geneigte, als Walzen ausgebildete Werkzeuge, von denen eines angetrieben ist, das Negativ des zu walzenden Profils aufweisen.
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Bei diesem auch als Axial-Gesenkwalzen oder Drehschmieden bekannten Verfahren handelt es sich um ein Warmumformverfahren, bei welchem die auf das Werkstück wirkenden Kräfte gegenüber dem herkömmlichen Gesenkschmieden um ca. 80% geringer sind, da auf nur ca. 20% der gedrückten Fläche umgeformt wird. Hierdurch können die Maschinen entsprechend klein und kostengünstig ausgelegt werden.
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Weiterhin ist aus der
EP 0 907 437 B1 ein Verfahren zum Walzen von Kegelrädern auf einer Axial-Gesenkwalzmaschine in einem geschlossenen Gesenk bekannt. Hierbei wird ein Rohteil zwischen zwei rotierenden, profilierten Werkzeugen umgeformt. Das geneigt zum unteren Werkzeug angeordnete obere Werkzeug wird während der Umformung in Richtung seiner Symmetrielinie zugestellt. Das geschlossene Gesenk wird von den Werkzeugen und zumindest einer Schließeinrichtung gebildet, wobei die Schließeinrichtung während des Umformvorgangs relativ zum oberen Werkzeug verschoben wird. Bei diesem Verfahren wird von einem Rohteil ausgegangen, dessen außerhalb des Umformbereichs der profilierten Werkzeuge liegende Kontur im Wesentlichen der Fertigkontur des Kegelrads entspricht.
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Außerdem ist in der
EP 1 186 362 B1 eine Umformvorrichtung zum Walzen und Profilieren von scheiben- oder ringförmigen Teilen offenbart, welche in handelsübliche Pressen eingebaut werden kann.
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Die
DE 1 287 549 beschreibt ein Verfahren zum Walzen einer Verzahnung an einem ring- oder scheibenförmigen Werkstück mit Hilfe einer drehantreibbaren, das Werkstück aufnehmenden Hohlform, deren Innenfläche die Gegenform des fertig gewalzten Werkstücks darstellt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von Verzahnungsbauteilen zur Verfügung zu stellen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Herstellung von ringförmigen Verzahnungsbauteilen, insbesondere von Stirnzahnrädern, vorgesehen, bei welchem ein ringförmiges Rohteil zwischen zwei rotierenden und relativ zueinander verfahrbaren Werkzeugen, dessen Rotationsachsen in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind, umgeformt wird, wobei das ringförmige Rohteil zunächst in einer die Negativform des Verzahnungsbauteils aufweisenden Aussparung des ersten Werkzeugs derart angeordnet wird, dass eine Mittelachse des Rohteils konzentrisch zu der Rotationsachse des ersten Werkzeugs angeordnet ist, und anschließend zumindest eines der Werkzeuge relativ zudem anderen Werkzeug zugestellt wird und das Material des Rohteils in die Negativform des ersten Werkzeugs fließt, wobei die Zustellung in Richtung der Rotationsachse des ersten Werkzeugs erfolgt, und bei welchem der Winkel zwischen der Rotationsachse des ersten Werkzeugs und der Rotationsachse des zweiten Werkzeugs während des Umformvorgangs verändert wird. Durch die dynamische Veränderung des Winkels zwischen den Rotationsachsen der beiden Werkzeuge während des Drehschmiedens können die Umformeigenschaften durch die Beeinflussung der gedrückten Fläche während des Umformprozesses hinsichtlich Umformkraft und Genauigkeit gezielt eingestellt werden, wobei die Zähne des Verzahnungsbauteils durch Querfließpressen des Werkstückmaterials in die als Innenverzahnung ausgebildete Negativform des ersten Werkzeugs entstehen. Weiterhin wird durch die variable Verstellung des Winkels während des Umformvorgangs erreicht, dass neben der stirnseitigen Verzahnung auch Konturen an der Ober- bzw. Unterseite des Verzahnungsbauteils mit der erforderlichen Genauigkeit erzeugt werden können. Durch die hohen möglichen Umformgrade beim Drehschmieden kann ein Rohteil, beispielsweise eine geschmiedete ringförmige Vorform mit Bohrung, umgeformt werden, welches keine Vorverzahnung aufweist. Aus den geringen Presskräften bei dem erfindungsgemäßen Verfahren resultiert eine geringe Werkzeugbelastung mit hohen Standmengen und es können kleine und kostengünstige Maschinen für die Herstellung der Verzahnungsbauteile eingesetzt werden. Es wird also ein verbessertes und vereinfachtes Verfahren zur wirtschaftlichen Fertigung von Verzahnungsbauteilen, insbesondere von Stirnrädern, zur Verfügung gestellt, welches auch für den industriellen Großeinsatz geeignet ist.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass der Winkel während des Umformvorgangs kontinuierlich oder diskontinuierlich verändert wird. Eine derartige Verstellung des Winkels gewährleistet eine flexible Anpassung des Verfahrens je nach konstruktiver Ausgestaltung der Verzahnungsbauteile. Somit können gerad- und schrägverzahnte Stirnräder und auch unterschiedlich gestaltete Konturen auf der Ober- bzw. Unterseite des Verzahnungsbauteils mit der erforderlichen Genauigkeit hergestellt werden.
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Dabei erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn der Winkel während des Umformvorgangs reduziert wird. Durch die Reduzierung des Winkels von beispielsweise etwa 5° zu Beginn des Umformvorgangs auf 0° im weiteren Verlauf des Umformvorgangs können in der ersten Phase der Umformung die Vorteile des Drehschmiedens, insbesondere die hierdurch erzielbaren hohen Umformgrade, zur Herstellung der Verzahnung genutzt werden. In der letzten Phase des Umformvorgangs, in welcher der Winkel auf 0° reduziert wurde und die Rotationsachsen der beiden Werkzeuge koaxial angeordnet sind, wird dann die erforderliche Genauigkeit, insbesondere auch der Konturen der Ober- und Unterseite des Verzahnungsbauteils, erreicht.
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Die Umformung kann kalt oder halbwarm erfolgen. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn das ringförmige Rohteil vor dem Umformen insbesondere auf eine Temperatur zwischen 500°C und 700°C erwärmt wird und die Umformung des Rohteils in das herzustellende Verzahnungsbauteil während eines einzigen Hubes zwischen den beiden Werkzeugen erfolgt. Die niedrige Umformtemperatur in Verbindung mit der erfindungemäßen dynamischen Verstellung des Winkels ermöglicht es, hohe Genauigkeiten bei der Herstellung von Verzahnungsbauteilen zu gewährleisten. Hierdurch wird ein besonders wirtschaftliches und für die industrielle Großserienfertigung geeignetes Herstellungsverfahren von Verzahnungsbauteilen zur Verfügung gestellt.
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Die Rotationsbewegungen in den beiden Werkzeugen können durch jeweils einen zugeordneten Antrieb erfolgen. Solchenfalls ist es erforderlich, eine Synchronisation der Rotation der Werkzeuge vorzusehen. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung wird auch dadurch erreicht, dass die Rotationsbewegungen der beiden Werkzeuge durch einen einzigen, einem der Werkzeuge zugeordneten Antrieb erzeugt werden. Hierbei wird das nicht angetriebene Werkzeug durch das angetriebene Werkzeug in Rotation versetzt. Eine Synchronisation der Rotationsbewegungen ist nicht erforderlich.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von ringförmigen Verzahnungsbauteilen vorgesehen, welche zwei rotierende und relativ zueinander vierfahrbare Werkzeuge aufweist, deren Rotationsachsen in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind, wobei das erste Werkzeug eine die Negativform des Verzahnungsbauteils aufweisende Aussparung aufweist, in welcher ein ringförmiges Rohteil derart anordbar ist, dass eine Mittelachse des Rohteils konzentrisch zu der Rotationsachse des ersten Werkzeugs angeordnet ist, wobei die beiden Werkzeuge zur Umformung des zwischen den beiden Werkzeugen angeordneten Werkstücks in Richtung der Rotationsachse des ersten Werkzeugs relativ zueinander vierfahrbar sind und der Winkel zwischen der Rotationsachse des ersten Werkzeugs und der Rotationsachse des zweiten Werkzeugs während des Umformvorgangs veränderbar ist. Durch das relativ zum unteren Werkzeug geneigt angeordnete obere Werkzeug werden die auf das Rohteil wirkenden Kräfte reduziert und gleichzeitig ergibt sich eine geringe Werkzeugbelastung mit hohen Standmengen, wodurch kleine und kostengünstige Maschinen für die Herstellung der Verzahnungsbauteile eingesetzt werden können. Durch die variable Änderung der Neigung des Oberwerkzeugs während des Hubes können die Umformeigenschaften durch die Beeinflussung der gedrückten Fläche während des Umformprozesses hinsichtlich Umformkraft und Genauigkeit gezielt eingestellt werden. Neben der stirnseitigen Verzahnung können auch Konturen an der Ober- bzw. Unterseite des Verzahnungsbauteils mit der erforderlichen Genauigkeit erzeugt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung wird auch dadurch geschaffen, dass das erste Werkzeug eine die Aussparung radial umgebende Innenverzahnung aufweist, wobei die Zähne des Verzahnungsbauteils durch Querfließpressen des Werkstückmaterials in die die Negativform des ersten Werkzeugs bildende Innenverzahnung entstehen.
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Weiterhin erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn das zweite Werkzeug einen Stempel aufweist, welcher während des Umformvorgangs in eine Öffnung des ringförmigen Rohteils eingreift. In dem von dem Stempel und der Innverzahnung gebildeten Umformspalt wird die für das Querfließpressen des Materials erforderliche Umformkraft in das Rohteil eingeleitet und das Material fließt radial in die Innenverzahnung des ersten Werkzeugs.
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Weiterhin erweist es sich als besonders praxisnah, wenn das erste Werkzeug zumindest in Richtung der Rotationsachse ortsfest angeordnet ist. Bei einer Änderung des Winkels während des Umformvorgangs wird das zweite Werkzeug relativ zum ersten Werkzeug gekippt bis der gewünschte Kippwinkel bzw. Neigungswinkel erreicht ist. Die relative Bewegung zwischen den Werkzeugen wird durch einen Vorschub des zweiten Werkzeugs in Richtung des ersten Werkzeugs erreicht. Das erste Werkzeug wird durch einen zugeordneten Antrieb in Rotation versetzt, während das zweite Werkzeug durch die Rotationsbewegung des ersten Werkzeugs in Rotation versetzt wird, also keinen eigenen Antrieb aufweist.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 ein als Stirnzahnrad ausgebildetes Verzahnungsbauteil in einer perspektivischen Darstellung;
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2 ein ringförmiges Rohteil in einer perspektivischem Darstellung;
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3 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Verzahnungsbauteilen;
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4 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung während der Umformung des ringförmigen Rohteils.
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1 zeigt ein als Stirnzahnrad ausgebildetes Verzahnungsbauteil 1 in einer perspektivischen Darstellung, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem in 2 dargestellten ringförmigen Rohteil 2 hergestellt wurde. Das rotationssymmetrische Rohteil 2 weist eine Öffnung 3 und eine Mittelachse 4 auf.
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3 zeigt eine Vorrichtung 5 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des in 1 dargestellten Verzahnungsbauteils 1 in einer perspektivischen Prinzipdarstellung und 4 zeigt eine Schnittdarstellung der Vorrichtung 5 während der Umformung des ringförmigen Rohteils 2. Die Vorrichtung 5 weist ein erstes, drehbar gelagertes Werkzeug 6 und ein zweites, drehbar gelagertes Werkzeug 7 auf. Das obere zweite Werkzeug 7 kann in einer Zustellrichtung 8 relativ zum unteren ersten Werkzeug 6 verfahren werden. Das obere Werkzeug 7 ist in 3 geneigt zum unteren Werkzeug 6 angeordnet, sodass eine Rotationsachse 9 des unteren Werkzeugs 6 in einem spitzen Winkel α zu einer Rotationsachse 10 des oberen Werkzeugs 7 angeordnet ist, wobei unterschiedliche Neigungen des oberen Werkzeugs 7 bzw. unterschiedliche Winkel α zwischen den beiden Rotationsachsen 9, 10 eingestellt und verändert werden können.
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Zur Herstellung eines Verzahnungsbauteils 1 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das ringförmige Rohteil 2 zunächst in einer die Negativform 11 des Verzahnungsbauteils 1 aufweisenden Aussparung 12 des unteren Werkzeugs 6 derart angeordnet, dass eine Mittelachse 4 des Rohteils 2 konzentrisch zu der Rotationsachse 9 des unteren Werkzeugs 6 angeordnet ist. Anschließend wird das geneigt zum unteren Werkzeug 6 angeordnete obere Werkzeug 7 relativ zu dem unteren Werkzeug 6 zugestellt, bis ein Stempel 13 des oberen Werkzeugs 7 in einer Öffnung 3 des ringförmigen Rohteils 2 angeordnet ist. Die Zustellung des oberen Werkzeugs 7 erfolgt in Richtung der Rotationsachse 9 des unteren Werkzeugs 6. Im weiteren Verlauf der Zustellung des oberen Werkzeugs 7 relativ zum unteren Werkzeug 6 wird das Material des Rohteils 2 in der ersten Phase des Hubes durch Querfließpressen, welches in 4 durch Pfeile 14 dargestellt ist, in die als Innenverzahnung 15 ausgebildete Negativform 11 des unteren Werkzeugs 6 gedrückt. In einer zweiten Phase des Umformvorgangs wird der spitze Winkel α zwischen den Rotationsachsen 9, 10 derart reduziert, dass diese in einem Winkel α von 0°, also konzentrisch angeordnet sind bzw. dass keine Neigung zwischen den Werkzeugen 6, 7 mehr vorhanden ist. Hierdurch können Konturelemente 16, wie beispielsweise ein auf der Oberseite des Verzahnungsbauteils 1 angeordneter umlaufender Steg (1), mit der erforderlichen Genauigkeit hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2611568 A1 [0004]
- EP 0907437 B1 [0006]
- EP 1186362 B1 [0007]
- DE 1287549 [0008]
