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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung endkonturnah vorgeschmiedeter Verzahnungen an Schaftwellen, bei dem die Verzahnung durch Massivumformung eines Rohlings mit Hilfe von einem Untergesenk hergestellt wird, wobei der Rohling auf eine gewählte Temperatur erwärmt wird und der erwärmte Rohling mittels Umformpressen zu einer Schaftwelle umgeformt wird.
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Endkonturnah vorgeschmiedete Verzahnungen sind bisher im Stand der Technik nur bei der Herstellung von spanlos umgeformten Zahnrädern mit kleinen Modulen und Kopfkreisdurchmessern bekannt. Dies sind beispielsweise Kegel- und Stirnräder für den Automobilgetriebebau. Die Herstellung der Verzahnung erfolgt dabei durch Warm-, Halbwarm- und/oder Kaltumformung und setzt zumeist den Einsatz voreilender und vorgespannter Oberwerkzeuge voraus. Die bekannten Verfahren beschränken sich zudem auf Zahnräder mit kleinen Modulen, insbesondere Modulen m < 5.
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Verfahren zur Herstellung von Schaftwellen mit endkonturnah vorgeschmiedeter Verzahnung mit Modulen m > 5 sind derzeit nicht bekannt.
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Schaftwellen mit endkonturnah vorgeschmiedeter Verzahnung bieten den Vorteil, dass sie entgegen dem hohen Materialabfall bei der Herstellung der Verzahnung durch spanende Verfahren ohne wesentlichen Materialabtrag auskommen. Da es sich bei den eingesetzten Stählen in den meisten Fällen um hochwertige Spezialstähle handelt, ist eine möglichst geringe spanende Bearbeitung wünschenswert. Vorgeschmiedete Verzahnungen eignen sich daher insbesondere für Schaftwellen großer Dimension im Bereich der Antriebstechnik zur Übertragung großer Drehmomente wie sie z. B. in Schwenkgetrieben oder auch Planetengetrieben von Windkraftanlagen und Fahrantrieben auftreten. Es sind jedoch auch andere Anwendungsbereiche denkbar, bei welchen die Schaftwellen sehr große Stückgewichte und große Module aufweisen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung endkonturnah vorgeschmiedeter Verzahnungen an Schaftwellen zu schaffen, welches ein geringes Gewicht der Schaftwelle bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften bietet und bei dem eine nur geringe Feinbearbeitung durch spanende Verfahren notwendig ist.
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Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei welchem der Übergang von Wellenkopf zu Wellenschaft abgerundet geformt wird und wobei der Wellenkopf stirnseitig im Bereich der Verzahnung parabolisch eingedornt wird.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen bildet sich eine unerwartet vorteilhafte anisotrope Kornorientierung im Bereich der Verzahnung und des Übergangs in den Wellenschaft, die die mechanischen Eigenschaften der Schaftwelle unter Belastung gegenüber konventionellen Schaftwellen besonders erhöht. Die parabolische Eindornung sowie der runde Übergang von Wellenkopf zu Wellenschaft verhindern den negativen Einfluss von Kerbwirkungen. Da an diesen abgerundeten Stellen umformbedingt zusätzlich eine hohe Dichte der anisotropen Kornorientierung mit geschlossenem Verlauf entsteht, tritt eine besonders werkstückstabilisierende Wirkung ein. Zudem kann die eingesetzte Materialmenge gegenüber dem bisherigen Verfahren erheblich reduziert werden. Die nachfolgende spanende Bearbeitung ist dementsprechend reduziert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich beispielsweise auf alle legierten und unlegierten Stahlqualitäten, aber auch z. B. auf andere Metalle, anwenden. Im Folgenden wird das Verfahren anhand der Umformung eines Stahlrohlings beschrieben.
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Ausgehend von dem verwendeten Rohling wird ein für die zu erzeugende Geometrie notwendiger Rohmaterialabschnitt auf die für das jeweilige Material benötigte Temperatur (bei Stahl ca. 1200°C) erwärmt und in seine gewünschte Form gepresst, mit abgerundetem Übergang zwischen Wellenschaft und Wellenkopf. Die verwendeten Umformstufen können dabei auf arbeits-, kraft- oder weggebundenen Pressen ausgeführt sein. Die erfindungsgemäße parabolische Eindornung auf der Stirnseite des Wellenkopfes sorgt dabei zum einen für eine Verdrängung des Materials in die Verzahnungsform und zum anderen für eine Reduzierung der benötigten Materialmenge und damit auch des Gewichts.
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Die geometrische Ausführung der Verzahnung lehnt sich an die in der DIN 6980 festgelegten Geometrien an, wobei die notwendigen konstruktiven Vorgaben für Warmumformung an Pressen mit Ausstoßertechnik zu berücksichtigen sind. Dabei sind die schmiedetechnisch üblichen Bearbeitungszugaben im Verzahnungsbereich für die nachgeschalteten Zerspanungsvorgänge vorgesehen.
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Aufgrund der Gewichtsreduzierung durch die vorgeschmiedete Verzahnung sowie die Eindornung in der Stirnseite der Schaftwelle ergibt sich neben der Reduzierung der Materialkosten ebenfalls eine durch das geringere Bauteilgewicht bedingte Reduzierung der Warmbehandlungskosten. Diese Warmbehandlungskosten umfassen die Kosten für die Warmbehandlung des Bauteils je nach der eingesetzten Stahlqualität und die Kosten für das Oberflächenhärten des Verzahnungsbereiches. Weiterhin verringert sich durch das geringere Spanvolumen der vorgeformten Zahnlücken die Fertigungshauptzeit im Vergleich zum konventionellen Rohling, wodurch die Bearbeitungskosten sinken und der Werkzeugverschleiß reduziert wird.
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Ebenso bewirkt die stirnseitige parabolische Eindornung auf der Stirnseite des Wellenkopfes während des Umformprozesses ein Hineinpressen des verdrängten Materials in die Verzahnungsform des Untergesenks. Dies bewirkt eine präzise Abformung der Schaftwellenverzahnung und reduziert den Aufwand der nachfolgenden mechanischen Bearbeitung.
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Vorzugsweise entspricht die Tiefe der stirnseitigen parabolischen Eindornung ungefähr der halben bis ganzen Längenausdehnung (schmiedetechnisch: Dicke) des Wellenkopfes. Hierdurch wird eine optimale Hineinpressung des Materials in die Verzahnungsform sicher gestellt, ohne gleichzeitig den Übergang zwischen Wellenkopf zu Wellenschaft durch die materialfreie Eindornung zu schwächen. Zugleich entsteht in diesem Bereich eine besonders hohe Dichte der anisotropen Kornorientierung.
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Ebenso hat eine endkonturnah vorgeschmiedete Verzahnung den Vorteil, dass die anisotrope Kornorientierung des Schaftwellenmaterials durch die erhebliche Reduzierung der spanenden Nachbearbeitung nur geringfügig angeschnitten wird. Dies erhöht die Dauerfestigkeit der Schaftwelle insbesondere bei dynamischen Wechselbeanspruchungen.
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Erfindungsgemäß wird zur Durchführung des Verfahrens ein Rohling mit Rund- oder Vierkant-Querschnitt verwendet. Diese Ausgangsquerschnitte sind erforderlich, um die Endform der Schaftwelle mit den nachfolgend beschriebenen Umformschritten zu erreichen.
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Besonders eignet sich das Verfahren für Schaftwellen, die Stückgewichte > 10 kg, und insbesondere Stückgewichte > 30 kg, aufweisen. Schaftwellen dieser Gewichtsklasse stellen besondere Anforderungen an das Herstellungsverfahren, da hier eine wesentlich größere Masse umgeformt werden muss und daher die Pressen und Umformwerkzeuge entsprechend stabil ausgebildet sein müssen.
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Die weitere Bearbeitung sieht vor, dass die endkonturnah vorgeschmiedete Verzahnung einer anschließenden zerspanenden Bearbeitung unterzogen wird. Optional kann die Genauigkeit der vorgeschmiedeten Verzahnung bei Bedarf weiter verbessert werden.
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Das Verfahren zur Herstellung endkonturnah vorgeschmiedeter Verzahnungen an Schaftwellen weist im Falle eines Vierkant-Ausgangsquerschnitts des Rohlings folgende Schritte auf:
- 1. Entzunderung
- 2. Kantenbrechen
- 3. Stauchen auf Kopfdurchmesser
- 4. Vorwärtsfliesspressen zum Erzeugen des Schaftes
- 5. Abgraten
- 6. Fertigschmieden der Verzahnung mit Eindornung.
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Das Herstellungsverfahren bei Rund-Ausgangsquerschnitt des Rohlings weist folgende Schritte auf:
- 1. Entzunderung
- 2. Stauchen auf Kopfdurchmesser
- 3. Ausprägen des Kopfdurchmessers
- 4. Abgraten
- 5. Fertigschmieden der Verzahnung mit Eindornung.
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Beim Stauchen bzw. Ausprägen wird der Kopfdurchmesser in Anlehnung an den Fußkreisdurchmesser der herzustellenden Verzahnung bemessen.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schaftwelle weist vorteilhaft ein Modul m > 5, vorzugsweise ein Modul m > 10 auf. Bei Modulen dieser Größenordnung ist das Verhältnis von Durchmesser der Verzahnung und Zahnanzahl bestens geeignet, um das Verfahren im Gegensatz zu herkömmlichen Zerspanungsverfahren kosten- und zeitschonend anwenden zu können.
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Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass die endkonturnah vorgeschmiedete Verzahnung einer geradverzahnten Evolventenverzahnung entspricht. Dadurch wird erreicht, dass sich die Bauteile aus dem Umformwerkzeug entformen lassen. Die Evolventenverzahnung lehnt sich dabei an die festgelegten Geometrien nach DIN 6980 an.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1: Eine 3D-Ansicht einer Schaftwelle mit endkonturnah vorgeschmiedeter Verzahnung,
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2a: einen Längsquerschnitt einer Schaftwelle mit Verzahnung und parabolischer Eindornung,
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2b: einen Längsschnitt einer Schaftwelle, mit einer durch parabolischer Eindornung vorteilhaft ausgerichteter anisotroper Kornorientierung gemäß Ausschnitt A aus 2a,
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3a: eine Draufsicht auf die Schaftwelle gemäß 2a,
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3b: eine Detailansicht der Verzahnung gemäß Ausschnitt B aus 3a,
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3c: eine Detailansicht der Verzahnung, wobei die anisotrope Kornorientierung durch die Massivumformung vorteilhaft ausgerichtet ist gemäß Ausschnitt B aus 3a,
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4: eine Stauchvorrichtung, bestehend aus zwei Stauchplatten, mit eingespanntem Rohling (Ausgangsquerschnitt Vierkant),
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5: ein Fließpressgesenk zum Vorwärtsfliesspressen bei der Erzeugung eines Wellenschaftes (Ausgangsquerschnitt Vierkant),
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6: ein Stauchgesenk zum Stauchen des Kopfdurchmessers der Schaftwelle (Ausgangsquerschnitt Rund),
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7a: ein geöffnetes Untergesenk zum Fertigschmieden der Verzahnung,
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7b: ein geschlossenes Untergesenk beim Fertigschmieden der Verzahnung.
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Die 1, 2a und 3a bis 3b zeigen eine Schaftwelle 1, bestehend aus einem Wellenschaft 11 und einem Wellenkopf 12. Der Wellenkopf 12 weist eine endkonturnah geschmiedete Verzahnung 2 und eine in seiner Stirnseite eingebrachte parabolische, d. h. im Längsschnitt parabelförmige, Eindornung 3 auf. Die 2b zeigt eine anisotrope Kornorientierung 4 im Übergang von Wellenkopf 12 in den Wellenschaft 11. Die 3c zeigt die anisotrope Kornorientierung 4 in der Verzahnung 2 des Wellenkopfes 12.
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4 zeigt eine Stauchvorrichtung 54 für Rohlinge aus Vierkantquerschnitten, bestehend aus einer oberen und einer unteren Stauchplatte 541, 542. Zwischen der oberen und unteren Stauchplatte 541, 542 ist ein Rohling eingespannt.
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In 5 ist ein Fließpressgesenk 51 für Rohlinge aus Vierkantquerschnitten zur Umformung des Wellenschaftes 11 der Schaftwelle 1 dargestellt.
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6 zeigt ein Stauchgesenk 52 für Rohlinge aus Rundquerschnitten zum Stauchen eines Wellenkopfes 12 einer Schaftwelle 1.
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In den 7a und 7b sind ein Untergesenk 53 und ein Obergesenk 71 mit einem parabolischen Dorn 72 zur Erzeugung der parabolischen Eindornung 3 und gleichzeitig zum Fertigschmieden der Verzahnung 2 dargestellt.
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Das Verfahren zur Herstellung endkonturnah vorgeschmiedeter Verzahnungen 2 an Schaftwellen 1 erfolgt beispielsweise ausgehend von einem Stahl mit Vierkant-Querschnitt so, dass der Stahl zuerst einer Entzunderung unterzogen wird, um seine Oberfläche vor der weiteren Verarbeitung von Eisenoxid zu befreien. Dies verhindert ein späteres Einschmieden des Eisenoxids in den Stahl. Der entzunderte Stahl mit Vierkant-Querschnitt wird anschließend einer Kantenbrechung unterzogen, um ihn in eine annähernd runde Querschnittsform zu bringen. Im anschließenden Verfahrensschritt wird der Rohling innerhalb einer Stauchvorrichtung 54 (vgl. 4), bestehend aus einer oberen und einer unteren Stauchplatte 541, 542, auf einen Durchmesser D gestaucht, der dem Fußkreisdurchmesser der herzustellenden Verzahnung entspricht (vgl. 3a). Anschließend wird der gestauchte Rohling durch Vorwärtsfließpressen im Fließpressgesenk 51 zum Erzeugen des Wellenschaftes 11 verwendet (vgl. 5). Die so gefertigte Schaftwelle 1 wird anschließend durch Abgraten von hervorstehenden Materialkanten befreit und dem Schmiedevorgang für die Verzahnung 2 unterzogen. Das Fertigschmieden der Verzahnung 2 erfolgt innerhalb des Untergesenks 53 (vgl. 7a und 7b). Hierbei wird die in dem Untergesenk 53 positionierte Schaftwelle 1 mit Hilfe eines Obergesenks 71, welches einen parabolischen Dorn 72 trägt, stirnseitig parabolisch eingedornt. Dies geschieht durch Einpressen des parabolischen Dorns 72 in die Stirnseite des Wellenkopfes 12. Das dabei verdrängte Material wird in die Verzahnung 2 des Untergesenks 53 gepresst. Anschließend kann das fertige Produkt, die Schaftwelle 1 mit der Verzahnung 2 sowie der stirnseitigen parabolischen Eindornung 3, aus dem Untergesenk 53 entnommen werden.
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Bei der Herstellung der Schaftwelle 1 im Falle eines Ausgangsstahls mit Rund-Querschnitt wird der Rohling ebenfalls zuerst einer Entzunderung unterzogen. Anschließend wird er gestaucht und in einem folgenden Schritt ausgeprägt. Hierbei wird der Kopfdurchmesser in Anlehnung an den Fußkreisdurchmesser der herzustellenden Verzahnung 2 bemessen. Die weiteren Schritte sind – wie beim Vierkant-Querschnitt – das Abgraten und das Fertigschmieden der Verzahnung 2.
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Nach Fertigstellung der endkonturnah vorgeschmiedeten Verzahnung 2 kann optional eine spanende Feinbearbeitung durchgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 6980 [0010]
- DIN 6980 [0022]
