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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit mehreren Umformschritten, die aus einem massiven Halbzeug eine hohle Welle erzeugen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer solchen Hohlwelle.
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Hohlwellen finden z. B. in Fahrzeuggetrieben, in Werkzeugmaschinen oder auch in Linearantrieben Verwendung, und zwar als Bestandteil eines Rotationsantriebs, der eine wellenförmige Leistung erzeugt und diese mittels einer Hohlwelle an ein Werkzeug oder beispielsweise an einen Antriebsstrang eines Fahrzeuges weiterleitet.
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Insbesondere in Fahrzeuggetrieben ist der Einsatz von Hohlwellen ein angestrebtes Ziel, da es dadurch möglich wird, das Gesamtgewicht des Getriebes zu reduzieren und somit das Leistungsgewicht zu erhöhen. Folglich wird auch das Gesamtgewicht des Fahrzeuges reduziert, wodurch der Forderung nach einem verringerten Kraftstoffverbrauch Rechnung getragen wird.
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Die Notwendigkeit, beispielsweise eine Getriebewelle als Hohlwelle auszuführen, kann auch bauliche Gründe haben. Eine derartige Entwicklung wird von der zunehmenden Wellenzahl in einem Kraftfahrzeuggetriebe angestoßen, wobei bei den üblichen Getriebearten mit Vollwellen, das Gesamtgewicht eines Getriebes steigt. Hingegen können Hohlwellen neben der Gewichtreduktion auch Ressourcen schonen, wie beispielsweise Material und Kraftstoff. In der Folge sind Welle-in-Welle-Getriebe realisierbar, deren Wellen teilweise oder vollständig hohl ausgeführt sind. Damit einhergehend kann folglich neben der Gewichtsreduktion auch die Umweltverträglichkeit (Emissionsminderung) verbessert werden.
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Üblicherweise sieht der Verfahrensablauf zur Herstellung einer Hohlwelle zwei Verfahrensschritte vor. Hierbei wird in einem ersten Verfahrensschritt ein massives Ausgangsmaterial durch ein Umformverfahren in einen Zwischenkörper bzw. Zwischenprodukt überführt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird dieses Zwischenprodukt mit einer zentrischen Bohrung versehen, wobei spanabhebende Verfahren, wie das Tieflochbohren, zum Einsatz kommen.
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So ist aus der
DE 197 05 279 A1 bekannt, zur Herstellung einer PKW-Getriebewelle, ein massives Halbzeug durch Fließpressen in eine Welle umzuwandeln und anschließend die so erstellte Vollwelle mit einer konzentrischen Bohrung zu versehen. Hierbei weist die Innenbohrung eine abgesetzte Kontur auf, die der Außenkontur der teilweise vorgeformten Hohlwelle folgt. Im Anschluss daran wird der noch nicht umgeformte Wellenbereich mittels Fließpressen geformt, so dass eine vollständig gefertigte Hohlwelle vorliegt.
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Bei einem derartigen spanabhebenden Verfahrensschritt fällt ein hoher, nicht zur Wertschöpfung beitragender Materialanteil in Form von Spänen an.
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Aus der
EP 0 052 077 B1 ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem mittel Fließpressens mindestens zwei hohle Grundkörper hergestellt und anschließend durch Reibschweißen miteinander verbunden werden. Als Vorform finden dabei massive Stangenabschnitte Verwendung.
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Durch das Schweißen ergeben sich thermisch bedingte Änderungen des Grundgefüges, die aufgrund des Verfahrens unvermeidbar sind. Um die dadurch hervorgehobenen Veränderungen zu beseitigen, die die geforderten mechanischen Bauteileigenschaften herabsetzen, ist es notwendig, eine energieintensive Wärmebehandlung durchzuführen. Ein weiterer fertigungstechnischer Mehraufwand wird durch die inhomogene Schweißnahtausbildung, insbesondere an der nicht zugänglichen Hohlwelleninnenseite, verursacht. Da hier eine spanende Nacharbeit verhindert wird, ist zur Kompensation einer möglichen Unwucht ein abschließender Wuchtprozess zwingend erforderlich.
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Eine Herstellungsmethode einer hohlen Getriebewelle wird in der
EP 1 745 870 A1 beschrieben. Diese offenbart, wie die Herstellung eines hohlen Grundkörpers durch das bekannte Verfahren Querwalzen mit anschließender, inkrementeller Umformung erzeugt wird. So wird durch das Bearbeiten eines zylindrischen Halbzeuges durch Querwalzen ein Durchmesserübergang der Fertigteilgeometrie erzeugt, wobei als Ausgangsprodukt für das Halbzeug ein massives Halbzeug vorgesehen ist. Ferner offenbart diese Schrift, wie während des Walzprozesses eine konzentrische Bohrung eingebracht und somit eine hohle Wellengrundform erzeugt wird. Die hierfür notwendige innere Umformung wird durch zwei konzentrisch zur Walzgutachse angeordnete Dorne realisiert. Diese werden während der Walzoperation, ausgehend von den Halbzeugseiten kontinuierlich aufeinander zubewegt. Das Einwirken der Innenwerkzeuge während des Walzprozesses ermöglicht die Herstellung einer Bohrung mit konstantem Innendurchmesser. Weiterhin ist eine Vorgehensweise beschrieben, bei der für den Querwalzprozess rohrförmige Halbzeuge zur Anwendung kommen. Auch dabei ist eine Dorneinrichtung notwendig, die den Erhalt der bereits vorhandenen Bohrung sicherstellt und den Materialfluss an der Außenumfangsfläche fördert. Nach Fertigstellung der Grundform wird in einem weiteren Schritt die äußere und innere Oberfläche des Grundkörpers zur Hohlwelle geformt. Kennzeichnend für die nicht weiter offenbarte Folgeoperation ist das sog. inkrementelle Verfahrensprinzip, bei dem die Umformung in mehreren aufeinanderfolgenden kleinen Werkzeughüben erfolgt.
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Bei dieser Herstellungsmethode ist eine durchgängige Hohlform schwer erzeugbar, da hierfür der verbleibende Restquerschnitt zwischen den Dornen durch eine Folgeoperation, wie Bohren, entfernt werden muss.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2008 036 226 A1 eine Verfahrensfolge bekannt, bei der die Herstellung einer Hohlwelle für Kraftfahrzeuggetriebe beschrieben wird. Die Verfahrensfolge offenbart im Wesentlichen drei Schritte, die Formherstellung eines Rohlings durch Schmieden, Bohrungsdrücken des Rohlings in eine teilweise hohl ausgeführte Zwischenform, und das Rundkneten der Wellenabsätze. Zwischengeschaltet zu diesen einzelnen Schritten werden Wärmebehandlungsverfahren durchgeführt, um erforderliche Materialeigenschaften einzustellen. Ausgehend von einem vollzylindrischen Halbzeug wird durch Schmieden eine massive Vorform gefertigt, deren Außenkontur zumindest einen Fertigteildurchmesser aufweist und die notwendige Materialverteilung für die nachfolgenden Prozessschritte sicherstellt. Die Weiterverarbeitung des Schmiederohlings erfolgt durch Bohrungsdrücken. Dabei wird die massive Vorform durch am Umfang abwälzende Drückrollen und einem gleichzeitig wirkenden Innenwerkzeug in eine teilweise hohl ausgeführte Zwischenform überführt. In einem letzten Bearbeitungsschritt werden durch Rundkneten die erforderlichen Wellenabsätze hergestellt.
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Die Fertigung einer mit dieser Prozessfolge erstellten, vollständig hohl ausgeführten Welle erfordert verfahrensbedingt beim Bohrungsdrücken eine innere und äußere Umformung mit überlagernden Umformzonen. Somit ist die Herstellung der Hohlform an eine gleichzeitige Bearbeitung der in der Radialebene liegenden Außenmantelfläche gebunden. Bei einer derartigen Arbeitsfolge wird mindestens eine Durchmesserstufe durch Gesenkschmieden erzeugt, in deren Bereich im nächsten Arbeitsschritt keine weitere äußere Umformung vorgesehen ist. Somit sind die durch Gesenkschmieden hergestellten Wellenabsätze von der nachfolgenden Bohrungsdrückoperation ausgeschlossen, so dass für die Innenbearbeitung eine zusätzliche Bearbeitungsstufe vorgesehen werden muss. Dies erfordert spezielle Lochwerkzeuge, was wiederum zu einem fertigungstechnischen Mehraufwand führt.
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Auch ist es bekannt, hohle Vorformen durch Stauchen und/oder Innenhochdruckumformen in axialer und radialer Richtung konturnah auszuformen. Stauchverfahren erlauben in Teilbereichen die Wanddicke zu erhöhen. Allerdings besteht dabei die Gefahr, umlaufende Staufalten zu schaffen, die bei Beanspruchung der Welle Ausgangspunkt für Risse bilden. Hingegen basiert das Innenhochdruckumform-Verfahren prinzipiell darauf, ein Hohlteil durch einen hydrostatischen Innendruck aufzuweiten, um gleichzeitig in axialer Richtung zu stauchen. Aufgrund des wirkenden Innendruckes wird dabei die Außenmantelfläche des Halbzeuges an das konturabbildende Werkzeug angelegt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle anzugeben, das mit wenigen Verfahrensschritten durchführbar ist, bei gleichzeitiger hoher Fertigungsgenauigkeit, insbesondere im Hinblick auf Unwuchten und Maßgenauigkeit.
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Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung einer Hohlwelle anzugeben, die bei hoher Gestaltungsvariabilität hinsichtlich des Hohlwellendesigns eine verbesserte und einfache Einhaltung der Maßgenauigkeit bzw. von Fertigungstoleranzen ermöglicht.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1, hinsichtlich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle anzugeben. Ein derartiges Verfahren umfasst vorzugsweise folgende Schritte:
In einem ersten Schritt wird günstigerweise ein Teil eines massiven Halbzeuges in ein rohrförmiges Zwischenprodukt durch Bohrungsdrücken umgeformt. Beim Bohrungsdrücken handelt es sich um ein partielles, inkrementelles Druckumformen zur Herstellung axial symmetrischer Hohlteile bzw. Zwischenprodukte aus massiven Halbzeugen. Hierbei wird vorzugsweise das massive Halbzeug in ein Spannsystem aufgenommen und zusammen mit einer axialen Vorschubbewegung eines synchron zum Halbzeug rotierenden Bohrungsdrückstempels in Rotation versetzt. Somit ist es auf einfache Weise möglich, einen rotationssymmetrischen Hohlkörper auszubilden.
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In Umfangsrichtung sind günstigerweise Drückrollen angeordnet, die sich relativ zum massiven Halbzeug, zum Spannsystem und zum Bohrungsdrückstempel bewegen können. In der Folge können die Drückrollen den Werkstoff des massiven Halbzeugs verdrängen, so dass der Werkstoff gegen die Vorschubrichtung abfließen und eine Napfwand ausbilden kann. Der Vorteil eines derartigen Verfahrens besteht beispielsweise gegenüber dem Tiefbohren in der Materialausnutzung, wobei beim Formen eines rotationssymmetrischen Körpers keine Späne anfallen und somit Kosten eingespart werden. Des Weiteren eignet sich Bohrungsdrücken insbesondere für die Verarbeitung kostenintensiver Werkstoffe, da kein Spangut anfällt. Ferner kann mittels Bohrungsdrückens im Vergleich zum Tiefbohren Zeit eingespart werden.
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Da es sich in der Regel bei Halbzeugen um vorgeformtes massives Material mit Längen im Meterbereich handelt, ist es günstig, wenn in einem weiteren Schritt das rohrförmige Zwischenprodukt von dem Halbzeug getrennt wird. Dies geschieht vorzugsweise durch einen Drehvorgang, bei dem ein Schneidwerkzeug, das relativ zum Zwischenprodukt rotiert, in Richtung der Oberfläche des Halbzeuges geführt wird, wie es beim bekannten Abstechdrehen der Fall ist.
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Alternativ ist es auch möglich, einen Schneidvorgang vorzusehen, bei dem vorzugsweise das Sägen mittels eines dünnen Sägeblattes durchgeführt wird. Der Einsatz eines dünnen Sägeblatts aber auch eines dünnen Werkzeuges beim Abstechdrehen gewährleistet, dass nur ein geringer Teil an Spangut beim Trennen anfällt. Dementsprechend ist es vorteilhaft, möglichst dünne Sägeblätter und/oder Schneidwerkzeuge zum Abstechdrehen zu verwenden.
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In einem nachfolgenden Schritt wird günstigerweise das Zwischenprodukt zu einer Hohlform durch Hohl-Vowärts-Fließpressen umgeformt. Dies geschieht vorzugsweise mittels eines Werkzeuges, das einen Pressstempel und eine Matrize aufweist. Um unterschiedliche Innen- und Außenkonturen zu fertigen, ist es von Vorteil, wenn der Pressstempel mehrteilig ausgeführt ist. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt es, den Pressstempel an die besondere Innenkontur einer jeweiligen Hohlwelle leicht anzupassen. Dies spart Umrüstzeiten und somit Kosten. Ein solch mehrteiliger Pressstempel kann beispielsweise mindestens zwei Teile aufweisen, die miteinander verbindbar sind, so dass eine feste Verbindung entsteht. Vorzugsweise werden die mindestens zwei Teile des Presstempels durch einen Bajonettverschluss, oder durch ein Gewinde oder einen Magnetverschluss miteinander verbunden.
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In einem nachfolgenden Schritt wird günstigerweise die Hohlform auf eine definierte Außen- und/oder Innenfläche zu einer Hohlwelle reduziert. Das Reduzieren kann durch Fließpressen oder ein inkrementelles Umformverfahren erfolgen.
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Speziell bei diesem Verfahrensschritt ist ein Werkzeug, das einen mehrteiligen Pressstempel aufweist, von Vorteil, denn somit ist es möglich, sowohl den vorgenannten Schritt des Umformens als auch den nun durchzuführenden Schritt des Reduzierens in einem Werkzeug durchzuführen, wobei lediglich der Pressstempel adaptiert werden muss. Dies spart Umrüstzeiten und somit Kosten.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, den Pressstempel an einem Werkzeugrevolver auszubilden. Somit ist es auf einfache Weise möglich, unterschiedliche Pressstempel innerhalb einer Matrize einzusetzen und somit unterschiedliche Verfahrensschritte innerhalb eines Werkzeuges durchzuführen.
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Auch ist es möglich, die Matrize an einem Werkzeugrevolver auszubilden. Auf diese Weise können Stempel und Matrize schnell, leicht und platzsparend auf den jeweiligen Verfahrensschritt angepasst werden.
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Als inkrementelles Umformverfahren eignet sich insbesondere das Rundkneten, Drückwalzen oder Radialschmieden. Das Rundkneten weist den Vorteil auf, dass belastete Teilbereiche einer Welle mit einer höheren Wandstärke versehen werden können, indem der Durchmesser der Welle an dieser Stelle reduziert wird. Für den Fall, dass eine höhere Durchmesserreduktion benötigt wird, ist es von Vorteil, anstelle des Rundknetens das sogenannte Radialschmieden zu verwenden. Im Wesentlichen besteht der Unterschied darin, dass es sich beim Rundkneten um eine Kaltumformung handelt, wohingegen das Radialschmieden eine Warmumformung ist. Aufgrund der höheren Temperaturen beim Radialschmieden sind höhere Querschnittsreduktionen möglich. Dadurch können ferner diverse Gefügeeigenschaften an den querschnittsreduzierten Stellen geschaffen werden.
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Beim Drückwalzen handelt es sich im Wesentlichen um ein Bohrungsdrücken, bei dem ein Werkstück in Rotation gebracht wird und mittels dreier Rollen so belastet wird, dass das Material in axialer Bewegungsrichtung der Rollen fließen kann. Auf diese Weise ist es möglich, aus einem kurzen dickwandigen Halbzeug ein langes dünnwandiges Rohr zu erzeugen. Vorteilhaft an einem derartigen Verfahren ist, dass dadurch einen verbesserte Oberfläche und hohe Genauigkeiten erzielbar sind.
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In speziellen Anwendungsbereichen ist es von Vorteil besonders lange Wellen auszubilden, wenn die Hohlwelle sich z. B. von der Vorderachse eines Kraftfahrzeuges bis hin zur Hinterachse erstreckt. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise bevorzugt, als zusätzlichen Schritt mindestens zwei Hohlwellen miteinander zu einer Gesamtwelle zu verbinden. Dazu eignet sich z. B. das Rührreibschweißen, wobei ein verschleißfestes, rotierendes Werkzeug über die Verbindungsstelle zweier Fügepartner geführt wird. Dabei berührt das Werkzeug die Oberfläche der Fügepartner und erzeugt somit Wärme. Durch diese Wärmeerzeugung werden die Fügepartner miteinander verbunden. In der Folge ist eine ungünstige Wulstbildung auf der Innenseite der Welle im Nahtbereich vermeidbar ist. Somit ist es nur erforderlich auf der Außenseite die Schweißnaht nachzubearbeiten, und ein Wuchtprozess kann somit vermieden werden. Folglich ist eine lange hohle Gesamtwelle erstellbar.
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Aber auch ist das lokale Erwärmen an den Fügestellen durch Mittel, wie zum Beispiel beim herkömmlichen Wickschweißverfahren, durch eine Flamme realisierbar, wobei insbesondere auf der Außenseite mehr Temperatur eingebracht wird als auf der Innenseite einer zu erstellenden Hohlwelle.
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Anders ausgedrückt, ist es in beiden Fällen günstig, wenn im Bereich der Fügestelle eine Erwärmung des Materials mit einer von der Außenseite hin zur Innenseite abnehmenden Temperatur. Ein derartiges Temperaturprofil kann durch ein schnelleres Erwärmen der außenliegenden Bereiche einer Hohlwelle im Vergleich zu den innenliegenden erreicht werden. Auch auf diese Weise kann die Bildung einer Wulst an der Innenseite der Hohlwelle effektiv vermieden werden.
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Im Zusammenhang mit den vorgenannten Verfahrensschritten ist es günstig, wenn das Zwischenprodukt und/oder die Hohlform und/oder die Hohlwelle nach dem Umformen und/oder nach dem Reduzieren mindestens eine Materialanhäufung für einen Lagersitz und/oder mindestens eine einzubringende Verzahnung aufweist. Dies hat den Vorteil, dass speziell geeignete Orte auf der Welle vorhanden sind, die bestimmte mechanische Eigenschaften aufweisen, so dass diese in der Lage sind, die dort anliegenden Belastungen aufzunehmen und weiterzuleiten. Insbesondere sind Materialanhäufungen an Orten bevorzugt, an denen eine Verzahnung auf die Hohlwelle aufgebracht wird. Denn eine Verzahnung ist als Schnittstelle der Welle mit beispielsweise einem Motor oder einer weiteren Welle einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt, die es durch Materialanhäufung gilt so aufzunehmen und weiterzuleiten, dass keine bleibende, also plastische Verformungen an der Welle im Einsatz verbleiben.
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Bei allen vorgenannten Verfahrensschritten handelt es sich vorzugsweise um Verfahrensschritte, die sowohl im kalten als auch im warmen Zustand des Zwischenprodukts und/oder der Hohlwelle durchführbar sind. Es ist aber auch möglich, vor oder während des Umformens oder Reduzierens, das Zwischenprodukt und/oder die Hohlform und/oder die Hohlwelle auf eine Bearbeitungstemperatur zu bringen, insbesondere auf Temperaturen zwischen 500° und 900°C. Somit kann gewährleistet werden, dass – wie zuvor bereits erwähnt – eine weitere Steigerung der Querschnittsreduktion erreichbar ist. In diesem Zusammenhang sind durch die Temperatur bzw. gezieltes Abkühlen und Aufwärmen innerhalb bestimmter Zeiten Gefügeeigenschaften des Werkstoffs einstellbar.
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Um ferner die Gefügeeigenschaften einer umgeformten Hohlwelle und/oder einer Hohlform und/oder eines Zwischenprodukts und/oder eines Halbzeugs für den jeweiligen Anwendungsfall des zu fertigenden Produkts günstig zu gestalten, ist es bevorzugt, wenn das Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle den zusätzlichen Schritt des Glühens umfasst. Bei diesem wird günstigerweise vor und/oder nach jedem Verfahrensschritt das Bauteil über einen bestimmten Zeitraum geglüht, insbesondere handelt es sich hierbei um Weichglühen, Spannungsarmglühen, Normalglühen oder Rekristallisationsglühen. Auf diese Weise sind Gefügeeigenschaften des Werkstoffs innerhalb der Welle einstellbar.
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Um weitere Kosten einzusparen und um den Fertigungsprozess zu erleichtern bzw. auch um spezielle Eigenschaften im Gefüge innerhalb des Halbzeuges und/oder der Hohlform einzustellen, ist es günstig, in einer Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten die Temperaturdifferenz des Halbzeugs und/oder der Hohlform kleiner gleich 40°C ist. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass eine gewünschte Gefügestruktur innerhalb des Werkzeugs einstellbar ist, wodurch mechanische Eigenschaften gewährleistbar sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, eine Vorrichtung zur Herstellung bzw. Durchführung einer Hohlwelle anzugeben. Diese Vorrichtung ist insbesondere geeignet, das bereits vorgestellte Verfahren durchzuführen.
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Des Weiteren kann eine derartige Vorrichtung ein Förderband umfassen, dessen Temperatur regelbar ist bzw. das temperaturregelnd, insbesondere beheiz- und/oder kühlbar, ausgeführt ist. Auf diese Art und Weise kann gewährleistet werden, dass das bearbeitete Werkstück auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden kann, um spezielle Gefügeeigenschaften einzustellen. Damit einhergehend sind die mechanischen Eigenschaften einstellbar.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, eine Hohlwelle, insbesondere nach dem vorgestellten Verfahren herzustellen, wobei die Hohlwelle mindestens eine Materialanhäufung für mindestens eine Verzahnung aufweist. Diese Hohlwelle ist insbesondere geeignet, durch das bereits vorgestellte Verfahren hergestellt zu werden.
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Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass bekannte Herstellungsmethoden von Hohlwellen spanabhebende Verfahren zur Herstellung einer Innenkontur nutzen, wobei sich der dabei notwendige Zerspanungsanteil negativ auf die Bewertung der Gesamtprozesskette hinsichtlich Materialeffizienz auswirkt. Bekannt alternative Fertigungsverfahren nutzen Fließpressverfahren zur Herstellung einer hohlen Grundform aus vollzylindrischem Vormaterial. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Anwendung des Fließpressens zur Erzeugung einer Hohlform (Napf) stark eingeschränkt ist und demzufolge nur kurze Wellenabschnitte erzeugt werden können. Diese kurzen Abschnitte werden anschließend durch Reibschweißen zur Wellengrundform gefügt. Insbesondere das Reibschweißen führt zu zusätzlichen fertigungstechnischen Mehraufwendungen, beispielsweise für Wärmebehandlungs-, Richt- und Wuchtprozesse.
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Hingegen ermöglicht die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrenskombination aus Bohrungsdrücken und Fließpressen die weitestgehend spanlose Fertigung einer holen Getriebewellengrundform. Dabei kann die komplexe Geometrie in nur zwei Fertigungsstufen unter Einhaltung hoher Genauigkeitsanforderungen erzeugt werden. Zusätzliche Prozessschritte, wie Fügen oder Lochen, sind für den Herstellungsprozess nicht notwendig. Deshalb ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den bekannten Methoden vorteilhaft, da das Material nahezu vollständig ausgenutzt werden kann, eine hohe Produktivität und Prozesssicherheit aufweist, bei gleichzeitig geringen Investitionsaufwendungen. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren für die wirtschaftliche und ressourcenschonende Großfertigung geeignet.
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Der Einsatzbereich einer erfindungsgemäßen Hohlwelle nach allen vorgenannten Aspekten erstreckt sich vorzugsweise auf den Bereich von Getriebewellen und Werkzeugmaschinenwellen.
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Die vorbeschriebenen Merkmale, die der Herstellung, der Durchführung der Herstellung sowie der Hohlwelle dienen, sind frei miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:
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1 ein massives Halbzeug,
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2a bis 2c den Verfahrensschritt des Bohrungsdrückens,
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3a bis 3b den Verfahrensschritt des Fließpressens,
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4 teilweise fertiggestellte Hohlwelle nach Bohrungsdrücken und Fließpressen, und
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5 die fertiggestellte Hohlwelle nach dem nochmaligen Fließpressen bzw. nach dem Reduzieren.
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1 zeigt in einer Schnittansicht ein Halbzeug 2, das eine zylindrische Form aufweist und massiv ausgeführt ist.
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In 2 wird das Halbzeug 2 aus 1 durch den Verfahrensschritt des Bohrungsdrückens in ein rohrförmiges Zwischenprodukt 3 umgewandelt. Hierbei zeigt 2 drei unterschiedliche Verfahrensstadien a), b), und c) des Bohrungsdrückens, wobei im Stadium a) und b) das Halbzeug 2 vor und nach erfolgter Umformung darstellt ist. Im Stadium c) wird das umgeformte Halbzeug 2 vom nicht umgeformten Halbzeug 2 abgetrennt. Das hergestellte Zwischenprodukt 3 weist eine zylindrische Grundform mit einer durchgehenden Innenbohrung 3a auf. Im Verfahrensschritt des Bohrungsdrückens ist das massive Halbzeug 2 in einem Spannsystem 4c aufgenommen, wobei ein Bohrungsdrückstempel 4a an der Stirnfläche 2a des Halbzeuges 2 anliegt. Das Spannsystem 4c wird in Rotation versetzt, so dass das Halbzeug 2 zusammen mit dem Bohrungsdrückstempel 4a rotiert. Der Bohrungsdrückstempel 4a weist an seiner dem Halbzeug 2 abgewandten Seite ein Axialkugellager 4d auf, das sich wiederum an einem Gehäuse 4e abstützt. Das Spannsystem 4c arretiert das Halbzeug 2 in axialer Richtung, so dass eine feste Verbindung zwischen Halbzeug 2 und Bohrungsdrückstempel 4a hergestellt wird.
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Nach der korrekten Anordnung von Halbzeug 2 auf dem Bohrungsdrückstempel 4a wird durch die gleichzeitige axiale Vorschubbewegung des synchron zum Werkstück rotierenden Bohrungsdrückstempel 4a und in Umfangsrichtung ortsfest angeordneten, drehbar gelagerten Drückrollen 4b ein rohrförmiges Zwischenprodukt 3 erzeugt. Dies geschieht dadurch, dass der Bohrungsdrückstempel 4a sowie die Drückrollen 4b in axialer Vorschubbewegung, d. h. nach links, bewegt werden, wobei die Drückrollen sich relativ schneller in Vorschubrichtung bewegen als der Bohrungsdrückstempel 4a. Auf diese Weise fließt der durch die Werkzeuge bzw. der durch die Drückrollen 4b und Stempel 4a verdrängte Werkstoff des massiven Halbzeugs 2 gegen die Vorschubrichtung ab, sodass sich eine Napfwand bzw. ein langgestreckter Hohlzylinder mit einem offenen und einem geschlossenen Ende bildet.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass mehrere Drückrollen zum Einsatz kommen. Alternativ ist es auch möglich, die Bohrungsdrückanlage so auszuführen, dass die für die Umformung notwendige Rotationsbewegung nur von der Drückrolle bzw. denn Drückrollen 4b realisiert wird. Auf diese Weise ist es nicht notwendig, das Halbzeug 2, das auch mehrere Meter lang sein kann, in Rotation zu versetzen, wodurch Energie gespart werden kann.
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Zur Optimierung des Bohrungsdrückprozesses ist es vorteilhaft, ein Schmiermittel zu verwenden. Das Schmiermittel ermöglicht eine Verbesserung der Oberflächengüte sowie eine Verbesserung der Werkzeugstandzeit, was den Prozess hinsichtlich seiner Wirtschaftlichkeit verbessert.
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Nachdem der Bohrungsdrückstempel 4a vollständig mit Material des massiven Halbzeugs 2 umgeben ist und die Drückrollen 4b sich maximal in Richtung des Spannsystems 4c bewegt haben, wird der Vorgang der Umformens gestoppt und die Drückrolle 4b durch ein Abstechwerkzeug 4f ersetzt. Nach dem Ausfahren des Bohrungsdrückstempels 4a entgegen der Vorschubrichtung wird ein rohrförmiges Zwischenprodukt 3 durch Trennen der Rohrform vom massiven Halbzeug 2 erstellt, wobei das dadurch erzeugte Zwischenprodukt 3 als Hohlzylinder mit zwei offenen Enden ausgeführt ist.
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Alternativ zum Abstechdrehen können andere Trennverfahren zum Einsatz kommen, wie z. B. Sägen mittels eines Sägeblattes. Um jedoch auch in dem Verfahrensstadium des Trennens Materialverluste durch einen solchen Spanvorgang gering zu halten, ist beim Trennverfahren eine geringe Breite der Säge wünschenswert.
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Nach dem Erstellen des Zwischenproduktes 3 wird dieses dem nächsten Verfahrensschritt zugeführt. In diesem wird mittels Hohl-Vorwärts-Fließpressen eine Hohlwelle gefertigt. 3a zeigt diesen Verfahrensschritt in einem Anfangsstadium, in dem das rohrförmige Zwischenprodukt 3 in eine Matrize 5b einer Fließpressanlage (nicht dargestellt) eingelegt ist.
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Hierbei weist die Matrize 5b eine zylindrische Innenform 5c auf, deren Außendurchmesser auf den Außendurchmesser des im vorhergehenden Verfahrensschritt gefertigten rohrförmigen Zwischenproduktes 3 angepasst ist. Am unteren Ende weist die zylindrische Innenform einen Absatz 5d, dessen Durchmesser kleiner als der Außendurchmesser der zylindrischen Form 5c ist. Die Übergänge der unterschiedlichen Durchmesser zueinander sind fließend ausgestaltet, d. h. sie weisen Übergangsradien auf.
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Ebenfalls in die Matrize 5b eingesetzt ist ein Pressstempel 5a. Dieser ist rotationssymmetrisch ausgeführt und weist eine an eine tassenförmige Ausgestaltung auf, in deren Mittelpunkt ein langgestreckter Zylinder 5e sich durch das rohrförmige Zwischenprodukt bzw. durch dessen Innenbohrung 3a erstreckt. Dabei ist der Außendurchmesser des Zylinders 5e an den Innendurchmesser der Innenbohrung des rohrförmigen Zwischenproduktes 3 angepasst. Im Querschnitt erinnert der Pressstempel 5a an den Kleinbuchstaben m, wobei der mittlere senkrechte Strich länger ausgestaltet ist als sie beiden äußeren Striche. Durch Einsetzen des Pressstempels 5a in die Matrize 5b, in der sich bereits das rohrförmige Zwischenprodukt 3 befindet, ergibt sich zwischen Zwischenprodukt 3 und Pressstempel 5a ein ringförmiger Zwischenraum 5f. Der Pressstempel 5a kann auch mehrteilig ausgeführt sein und somit unterschiedliche Formen zusammen mit der Matrize erzeugen.
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3b zeigt wie unter Druckeinwirkung auf den Pressstempel 5a dieser sich in Richtung der Ausnehmung in Richtung des Absatzes 5d bewegt und dabei das rohrförmige Zwischenprodukt 3 zu einer Hohlform 6 verformt. Durch den Druck auf den Pressstempel 5a bzw. durch dessen Bewegung fließt der Werkstoff des rohrförmigen Zwischenproduktes 3 in Richtung der Bewegung des Pressstempels um den Zylinder 5e ab, so dass eine zylinderförmige Innenbohrung 6d erhalten bleibt. Gleichzeitig wird der in 3a gezeigte ringförmiger Zwischenraum 5f mit Material gefüllt.
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Durch die spezielle Formgebung der zylindrischen Innenform 5c der Matrize 5b im Bereich des Absatzes 5d bildet sich eine Hohlform 6 gemäß 4 aus. Die in 4 dargestellte Hohlform 6 zeichnet sich durch eine Materialanhäufung 6a und zwei Wellenschäften 6b, 6c aus. Hierbei liegt der Wellenschaft 6c links neben der Materialanhäufung 6a und der Wellenschaft 6b liegt rechts.
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Die Materialanhäufung 6a ist beispielsweise geeignet, um an dieser Stelle eine Verzahnung anzubringen, die ebenfalls durch ein nichtspanendes Verfahren formbar ist. Ferner ist sie für einen Lagersitz geeignet.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird mindestens ein Wellenschaft 6a, 6b so weiter bearbeitet, dass eine im Durchmesser gestuft ausgeführte Außen- und/oder Innenfläche erzeugt wird. Dies geschieht vorzugsweise durch Reduzieren bzw. durch erneutes Fließpressen oder inkrementelles Umformen, wie beispielsweise Rundkneten, Radialschmieden oder entsprechende Walzverfahren.
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So ist es z. B. möglich, die in 5 dargestellte Hohlwelle 1 mit inneren 7a und äußeren Absätzen 7b durch erneutes Fließpressen herzustellen, wobei lediglich der Stempel 5a und die Matrize 5b aus dem in 3a und 3b dargestellten Verfahrensschritt getauscht werden müssen. Die Absätze der Hohlwelle 1 entsprechen mehrfachen Innen- und Außendurchmessersprüngen und sind als in Längsrichtung aneinandergrenzende, aufwärts oder abwärts gestufte Vorsprünge ausgeführt.
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Vorteilhaft an dem vorgestellten Verfahren ist, dass der Wellenschaft 6c nach dem Fertigpressen keiner weiteren Umformung mehr bedarf. Die Hohlwelle 1 ist somit in beispielsweise ein Getriebe einbaubar.
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Anders ausgedrückt, sieht das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren in einem ersten Schritt die Herstellung einer hohlen Vorform bzw. einen rohrförmigen Zwischenprodukt durch Bohrungsdrücken vor. Vorzugsweise ist die dafür vorgesehene Anlage so ausgeführt, dass die Bearbeitung von Stabstahl ermöglicht wird. Vor dem eigentlichen Bohrungsdrückprozess wird vorzugsweise der Stabstahl im Bereich der stattfindenden Umformung auf Bearbeitungstemperatur, je nach Fertigungsaufgabe, der in einem Bereich zwischen 500° und 900°C liegt, gebracht. Dies erleichtert die Bearbeitung.
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Hierfür ist die Bohrungsdrückanlage mit einer entsprechenden Erwärmungsanlage ausgeführt. Nach erfolgter Umformung wird der bearbeitete Abschnitt mit einer integrierten Bearbeitungseinrichtung von der Stange getrennt. Es ist auch eine Anwendung des Bohrungsdrückens als Kaltumformverfahren denkbar.
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Eine weitere Möglichkeit ist die Bearbeitung von vorkonfektionierten Stangenabschnitten. Für die Entscheidung, welche Prozessvariante zum Einsatz kommen soll, können Parameter, wie Bauteilgröße, Bauteilform und andere Berücksichtungen finden.
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Das nachfolgende Fließpressen wird vorzugsweise direkt im Anschluss unter Nutzung der Prozesswärme des vorangegangenen Bohrungsdrückens durchgeführt. Die Temperatur der Bohrung liegt dabei in einem Bereich zwischen 500° bis 900°C. Ein erneuter Erwärmungsprozess kann dadurch entfallen, was zu einer verbesserten Energiebilanz beiträgt und somit die Fertigungskosten senkt. Diesbezüglich ist es vorteilhaft, wenn eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ein Förderband aufweist, das temperaturregelnd, insbesondere beheiz- und/oder kühlbar, ausgeführt ist. Mithilfe einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, die Temperaturdifferenz des Halbzeugs und/oder der Hohlform kleiner gleich 40°C zu halten. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass eine gewünschte Gefügestruktur innerhalb des Werkzeugs einstellbar ist.
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Es kann aber auch erforderlich werden, zur Verbesserung der Materialeigenschaften einer Wärmebehandlung in Form eines Glühprozesses durchzuführen. Hierbei können hinsichtlich zur erzielenden Werkstoffeigenschaften verschiedene Verfahrensabläufe, wie Normalglühen, Spannungsarmglühen, Rekristallisationsglühen zum Einsatz kommen. Auch ist eine Anwendung des Fließpressens als Kaltumformverfahren denkbar.
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Der Fließprozess wird auf einer dem Prozessablauf angepassten, vorzugsweise mechanisch wirkenden Presse, mit einem geeigneten Teiltransfer durchgeführt. Bei diesem kann es sich beispielsweise – wie oben bereits erwähnt – um ein temperaturgeregeltes Förderband handeln, das ein weiteres Abkühlen und/oder eine Aufwärmen des zu transportierenden Teils ermöglicht.
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Das Fertigformen der Hohlwellengrundform erfolgt durch einen anschließenden Reduzierprozess. Geeignet hierfür sind Fließpressverfahren wie das Hohl-Vorwärts-Fließpressen, die als Folgeoperation im Anschluss an das kombinierte Fließpressen geplant und in einem Mehrstufenwerkzeug effektiv durchgeführt werden können. Ausgehend von der bohrungsgedrückten Zwischenform ermöglicht dies eine Fertigbearbeitung der Wellengrundform auf einer Anlage und stellt somit hinsichtlich Investitions-, Zeit- und Platzbedarf eine besonders wirtschaftliche Fertigungsmethode dar.
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Unter Berücksichtigung besonderer Produktionsbedingungen können auch inkrementelle Verfahren, wie beispielsweise das Rundkneten oder Drückwalzen zum Einsatz kommen. Auch bei diesen Verfahrensanwendungen entsteht eine Hohlwelle mit optimaler Wandstärke, geringen Wandstärkenunterschieden und einen für die Bauteilfestigkeit optimalen Faserverlauf bzw. optimalen Gefügeeigenschaften.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle mit im Wesentlichen den Schritten Umformen eines Teils eines massiven Halbzeuges in ein rohrförmiges Zwischenprodukt durch Bohrungsdrücken, Umformen des Zwischenproduktes zu einer Hohlform durch Hohl-Vorwärts-Fließpressen und Reduzieren der Hohlform auf eine definierte Geometrie zu einer Hohlwelle. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wobei die Vorrichtung ein temperaturregulierendes Förderband aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19705279 A1 [0006]
- EP 0052077 B1 [0008]
- EP 1745870 A1 [0010]
- DE 102008036226 A1 [0012]
