DE102012012293A1

DE102012012293A1 - Vorrichtung zum Umformen eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102012012293A1
Application number: DE102012012293A
Authority: DE
Inventors: Michael Esposito; Aljoscha Langenohl
Original assignee: SMS Meer GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: KR20130142901A; EP2676745B8; JP2014000606A; RU2013128244A; EP2676745A1; EP2676745B1; ES2602294T3; US20130343804A1; JP5892979B2; RU2570255C2; CN103511477A; DE102012012293B4; CN103511477B; US9868141B2; KR101524531B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Umformen eines Werkstücks, umfassend eine um eine Drehachse (a) drehbare Antriebswelle (2) und ein an dieser befestigtes Werkzeug (3), insbesondere eine Walze, wobei eine formschlüssige Verbindung (4), insbesondere eine Zahnwellenverbindung, zwischen der Antriebswelle (2) und dem Werkzeug (3) vorhanden ist, mit der ein Drehmoment von der Antriebswelle (2) auf das Werkzeug (3) übertragen werden kann. Um eine Reduzierung der Verschleißes zu erreichen, sieht die Erfindung vor, dass sich die formschlüssige Verbindung (4) über einen ersten axialen Abschnitt (5) erstreckt, wobei außerhalb des ersten axialen Abschnitts (5) ein zweiter axialer Abschnitt (6) vorhanden ist, in dem die Antriebswelle (2) und das Werkzeug (3) zusammenwirkende erste zylindrische Passflächen (7, 8) aufweisen, die zur Übertragung radialer Kräfte ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umformen eines Werkstücks, umfassend eine um eine Drehachse drehbare Antriebswelle und ein an dieser befestigtes Werkzeug, insbesondere eine Walze, wobei eine formschlüssige Verbindung, insbesondere eine Zahnwellenverbindung, zwischen der Antriebswelle und dem Werkzeug vorhanden ist, mit der ein Drehmoment von der Antriebswelle auf das Werkzeug übertragen werden kann.
Bei Vorrichtungen dieser Art geht es darum, ein Werkzeug, namentlich eine Walze, an einer Antriebswelle lösbar festzulegen. Während der Benutzung muss ein hohes Drehmoment von der Antriebswelle auf die Walze übertragen werden. Bekannt ist es hierbei, eine Zahnwellenverbindung zwischen Antriebswelle und Walze einzusetzen. Derartige Zahnwellenverbindungen sind im Maschinenbau hinlänglich bekannt und gebräuchlich. Es wird auf die Normen DIN 5480 und DIN 5466 hingewiesen, die über den Aufbau dieser formschlüssigen Verbindungen Aufschluss geben.
Beim Einsatz einer Zahnwellenverbindung zwischen der Antriebswelle und der Walze ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass einerseits eine Drehmomentübertragung möglich ist, dass andererseits die Zahnwellenverbindung aufgrund ihrer Konzeption aber auch radiale Kräfte übertragen kann, was vorliegend beim Walzen eines Werkstücks sehr wesentlich ist.
Im Falle eines Umformwerkzeugs der gattungsgemäßen Art wird derzeit also die Verbindung zwischen Antriebswelle und Walze per Passverzahnung hergestellt. Die Walzkräfte und -momente werden über einen kleinen Bauraum übertragen. Darüber hinaus kommt einem schnellen und einfachen Walzenwechsel eine hohe Bedeutung zu, damit eine hohe Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung sichergestellt werden kann. Der Einsatz von Zahnwellenverbindungen hat sich in diesem Zusammenhang sehr bewährt.
Nachteilig ist indes, dass beim genannten Anwendungsfall der Verbindung einer Walze auf einer Antriebswelle ein hoher Verschleiß der Verbindung vorliegt, so dass nach gewissen Standzeiten Bauteile ausgewechselt werden müssen, um die Übertragung radialer Kräfte und von Drehmomenten zuverlässig bewerkstelligen zu können. Es müssen nämlich auf relativ engem Bauraum sowohl die radialen Kräfte als auch die Drehmomente übertragen werden, was hinsichtlich der Verschleißanfälligkeit entsprechende Probleme bereitet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass diesbezüglich Abhilfe geschaffen wird. Es soll also erreicht werden, dass der Verschleiß der Verbindung zwischen Antriebswelle und Walze wesentlich reduziert wird, wodurch sich eine Standzeiterhöhung der Vorrichtung ergeben soll, um die Betriebskosten entsprechend zu vermindern.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die formschlüssige Verbindung, insbesondere die Zahnwellenverbindung, über einen ersten axialen Abschnitt erstreckt, wobei außerhalb des ersten axialen Abschnitts ein zweiter axialer Abschnitt vorhanden ist, in dem die Antriebswelle und das Werkzeug zusammenwirkende erste zylindrische Passflächen aufweisen, die zur Übertragung radialer Kräfte ausgebildet sind.
Hierdurch wird die Zahnwellenverbindung von radialen Kräften entlastet; sie muss nunmehr ausschließlich Drehmomente übertragen.
Die formschlüssige Verbindung ist dabei vorzugsweise in einem radialen Abstand von der Drehachse angeordnet, der kleiner ist als der radiale Abstand der ersten zylindrischen Passflächen von der Drehachse.
Außerhalb des ersten axialen Abschnitts und außerhalb des zweiten axialen Abschnitts kann in sehr bevorzugter Weise ein dritter axialer Abschnitt vorhanden sein, in dem die Antriebswelle und das Werkzeug zusammenwirkende zweite zylindrische Passflächen aufweisen, die zur Übertragung radialer Kräfte ausgebildet sind. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der erste axiale Abschnitt zwischen dem zweiten axialen Abschnitt und dem dritten axialen Abschnitt angeordnet ist. In vorteilhafter Weise kann in den sich zwischen dem zweiten und dritten axialen Abschnitt befindlichen Raum, in dem sich der erste axiale Abschnitt mit der Zahnwellenverbindung befindet, Schmiermittel eingebracht sein, um die Zahnwellenverbindung optimal mit Schmierstoff zu versorgen.
Die zweite zylindrische Passfläche des Werkzeugs kann durch eine Hülse gebildet werden, die im Werkzeug angeordnet ist. Die Hülse ist dabei bevorzugt mit Presspassung in einer Bohrung des Werkzeugs angeordnet. Besagte Presspassung wird bevorzugt durch Einschrumpfen hergestellt.
Die formschlüssige Verbindung ist bevorzugt in einem radialen Abstand von der Drehachse angeordnet, der größer ist als der radiale Abstand der zweiten zylindrischen Passflächen von der Drehachse. Die Montage und Demontage wird hierdurch in einfacher Weise möglich.
Die formschlüssige Verbindung, mindestens eine der ersten zylindrischen Passflächen bzw. mindestens eine der zweiten zylindrischen Passflächen sind mit Vorteil mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen.
In einem Zentralgewinde der Antriebswelle kann ein Zuganker eingeschraubt sein, der zwecks axialer Festlegung des Werkzeugs an der Antriebswelle mit einem flanschartig vergrößerten Abschnitt auf eine stirnseitig angeordnete Anlagefläche des Werkzeugs drückt. Diese stirnseitige Anlagefläche kann insbesondere eine Stirnseite der Hülse sein. Im flanschartig vergrößerten Abschnitt kann eine Anzahl Schrauben, insbesondere Madenschrauben, angeordnet sein, die in sich im flanschartig vergrößerten Abschnitt befindlichen Gewindebohrungen eingeschraubt sind, wobei die Schrauben mit ihrem einen axialen Ende auf die stirnseitig angeordnete Anlagefläche des Werkzeugs, insbesondere auf eine Stirnseite der Hülse, drücken.
Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung einer Walzvorrichtung zum Umformen eines Walzguts ergibt sich in sehr vorteilhafter Weise, dass der Verschleiß der Verbindung zwischen Antriebswelle und Werkzeug wesentlich herabgesetzt werden kann. Die Funktionen der Drehmomentübertragung einerseits und der Übertragung radialer Kräfte andererseits ist entkoppelt. Durch die Entlastung von radialen Kräften wird die Zahnwellenverbindung in den Stand gesetzt, mit wesentlich geringerem Verschleiß auch hohe Drehmomente übertragen zu können.
Die Ausstattung mit verschleißfesten Oberflächenbeschichtungen und der Einsatz optimaler Schmiermittel begünstigen die Reduzierung des Verschleißes.
Vorteilhaft ist weiter eine spielfreie axiale Befestigung vorgesehen, die gleichermaßen dafür Sorge trägt, dass der Verschleiß der Vorrichtung minimiert wird.
Somit ergibt sich eine deutliche Reduzierung des Verschleißes und damit eine signifikante Lebensdauererhöhung bzw. Erhöhung der Standzeit der Vorrichtung bzw. deren Teile.
Das vorgeschlagene Werkzeug wird insbesondere in der Warmumformung eingesetzt, da sich hier die genannten Vorteile in besonderer Weise auswirken.
Der erfindungsgemäße Vorschlag erlaubt eine Übertragung der Querkräfte (d. h. der radialen Kräfte) über nunmehr separate Passflächen. Die Axialkräfte werden isoliert hiervon über den Zuganker (Gewindebolzen) übertragen. Indes erfolgt die Übertragung des Drehmoments zwischen Antriebswelle und Walze ausschließlich durch die Zahnwellenverbindung, die allerdings erfindungsgemäß ausschließlich die Drehmomente übertragen muss und von anderen Kräften, insbesondere von radialen Kräften freigehalten wird, was zu der angestrebten deutlichen Erhöhung der Standzeiten führt.
Der Schmierung der Vorrichtung kommt auch ein nicht unwesentlicher Aspekt zu. Durch die Wahl eines geeigneten Schmierstoffs – insbesondere in Verbindung mit einer Oberflächenbeschichtung der hochbelasteten Bereiche der Vorrichtung – kann der Verschleiß weiter in erheblichem Maße verringert werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt im teilweisen Radialschnitt eine Vorrichtung zum Umformen eines Werkstücks mit einer Antriebswelle und einem an dieser befestigten Walze.
In der Figur ist eine Vorrichtung 1 zum Umformen eines (nicht dargestellten) Werkstücks bzw. Walzguts dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Antriebswelle 2, die um eine Drehachse a drehbar ist. Am axialen Ende der Antriebswelle 2 ist ein Werkzeug 3 in Form einer Walze befestigt. Die Befestigung ist lösbar ausgeführt, so dass die Walze von der Antriebswelle 2 entfernt und durch eine andere ersetzt werden kann.
Die Verbindung zwischen Antriebswelle 2 und Walze 3 ist so ausgeführt, dass sowohl Drehmomente von der Antriebswelle 2 auf die Walze 3, als auch bezüglich der Drehachse a radiale und axiale Kräfte übertragen werden können. Dabei ist besagte Verbindung so gestaltet, dass einmal Drehmomente um die Drehachse a, dann radiale Kräfte zwischen der Antriebswelle 2 und der Walze 3 und schließlich axiale Kräfte zwischen der Antriebswelle 2 und der Walze 3 jeweils separat und isoliert voneinander übertragen werden können.
Zur Übertragung eines Drehmoments weisen nämlich die Antriebswelle 2 und die Walze 3 eine formschlüssige Verbindung 4 in Form einer Zahnwellenverbindung auf. Die Zahnwellenverbindung 4 erstreckt sich dabei über einen ersten axialen Abschnitt 5, der hinsichtlich seiner Erstreckung so gewählt ist, dass die benötigten Drehmomente zuverlässig übertragen werden können. Die Zahnwellenverbindung ist dabei von radialen und axialen Kräften gänzlich frei gehalten.
Die radialen Kräfte werden über zwei andere axiale Abschnitte übertragen, und zwar über einen zweiten axialen Abschnitt 6 und einen dritten axialen Abschnitt 9. In diesen beiden Abschnitten sind jeweilige zylindrische Passflächen sowohl an der Antriebswelle 2 als auch an der Walze 3 angeordnet, die zueinander toleriert sind, so dass eine definierte Übertragung radialer Kräfte möglich ist.
So weist die Antriebswelle 2 im zweiten axialen Abschnitt 6 eine erste zylindrische Passfläche 7 auf, die mit einer ersten zylindrischen Passfläche 8 des Werkzeugs 3 zusammenwirkt. Indes weist die Antriebswelle 2 im dritten axialen Abschnitt 9 eine zweite zylindrische Passfläche 10 auf, die mit einer zweiten zylindrischen Passfläche 11 des Werkzeugs 3 zusammenwirkt.
Im Bereich des dritten axialen Abschnitts 9 ist zu erkennen, dass die zweite zylindrische Passfläche 11 durch eine Hülse 12 gebildet wird, die in einer Bohrung 13 in der Walze 2 eingesetzt ist. Genauer gesagt, ist die Hülse 12 in der Bohrung 13 durch einen thermischen Schrumpfvorgang fixiert.
Die Übertragung axialer Kräfte erfolgt schließlich – wiederum isoliert von der Drehmomentübertragung und von der Übertragung radialer Kräfte – durch einen Zuganker 15, der in einem Zentralgewinde 14 der Antriebswelle 2 mit einem Gewindeabschnitt eingeschraubt ist. Der Zuganker 15 hat in seinem einen axialen Ende einen flanschartig vergrößerten Abschnitt 16, der ausgebildet ist, an einer stirnseitig angeordneten Anlagefläche 17 der Walze 3 anzuliegen. Konkret wird die stirnseitige Anlagefläche durch die eine Stirnseite der Hülse 12 gebildet.
Um eine spielfreie axiale Festlegung der Walze 3 an der Antriebswelle 2 zu erreichen, weist der flanschartig vergrößerte Abschnitt 16 über seinem Umfang eine Anzahl Gewindebohrungen auf, in die Madenschrauben 18 eingeschraubt sind. Die Schrauben werden angezogen, bis ihre einen axialen Enden an der Stirnseite der Hülse 12 mit hinreichender Vorspannung anliegen.
Wie weiter zu erkennen ist, ist der radiale Abstand r₁ der Zahnwellenverbindung 4 kleiner als der radiale Abstand r₂ der zylindrischen ersten Passflächen 7, 8 im ersten axialen Abschnitt 5.
Indes ist der radiale Abstand r₁ der Zahnwellenverbindung 4 größer als der radiale Abstand r₃ der zylindrischen zweiten Passflächen 10, 11 im dritten axialen Abschnitt 5.
Durch das Einschrumpfen der Hülse 12 ergibt sich eine problemfreie Möglichkeit bei der Fertigung des Zahnprofils der Zahnwellenverbindung 4 in der Walze 3. Das Profil kann nämlich vor dem Einschrumpfen der Hülse 12 in einfacher Weise hergestellt, z. B. gefräst und geschliffen, werden, da ohne Hülse 12 ein freier Auslauf für das hierfür nötige Werkzeug gegeben ist. Anschließend erst wird die Hülse 12 eingesetzt (eingeschrumpft) und die Walze 3 damit in den benutzungsfähigen Zustand versetzt.
Alle sich im Betrieb der Vorrichtung 1 unter Last befindlichen Flächen können beschichtet werden, so dass lange Standzeiten erreicht werden können. In den Raum zwischen dem zweiten axialen Abschnitt 6 und dem dritten axialen Abschnitt 9 kann ein Schmiermittel eingebracht werden, so dass die Zahnwellenverbindung unter optimalen Schmierbedingungen arbeiten kann.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Umformen eines Werkstücks
2: Antriebswelle
3: Werkzeug
4: formschlüssige Verbindung (Zahnwellenverbindung)
5: erster axialer Abschnitt
6: zweiter axialer Abschnitt
7: erste zylindrische Passfläche der Antriebswelle
8: erste zylindrische Passfläche des Werkzeugs
9: dritter axialer Abschnitt
10: zweite zylindrische Passfläche der Antriebswelle
11: zweite zylindrische Passfläche des Werkzeugs
12: Hülse
13: Bohrung
14: Zentralgewinde
15: Zuganker
16: flanschartig vergrößerter Abschnitt
17: stirnseitig angeordnete Anlagefläche
18: Schraube
a: Drehachse
r₁: radialer Abstand
r₂: radialer Abstand
r₃: radialer Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 5480 [0002]
DIN 5466 [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zum Umformen eines Werkstücks, umfassend eine um eine Drehachse (a) drehbare Antriebswelle (2) und ein an dieser befestigtes Werkzeug (3), insbesondere eine Walze, wobei eine formschlüssige Verbindung (4), insbesondere eine Zahnwellenverbindung, zwischen der Antriebswelle (2) und dem Werkzeug (3) vorhanden ist, mit der ein Drehmoment von der Antriebswelle (2) auf das Werkzeug (3) übertragen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass sich die formschlüssige Verbindung (4) über einen ersten axialen Abschnitt (5) erstreckt, wobei außerhalb des ersten axialen Abschnitts (5) ein zweiter axialer Abschnitt (6) vorhanden ist, in dem die Antriebswelle (2) und das Werkzeug (3) zusammenwirkende erste zylindrische Passflächen (7, 8) aufweisen, die zur Übertragung radialer Kräfte ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung (4) in einem radialen Abstand (r₁) von der Drehachse (a) angeordnet ist, der kleiner ist als der radiale Abstand (r₂) der ersten zylindrischen Passflächen (7, 8) von der Drehachse (a).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des ersten axialen Abschnitts (5) und außerhalb des zweiten axialen Abschnitts (6) ein dritter axialer Abschnitt (9) vorhanden ist, in dem die Antriebswelle (2) und das Werkzeug (3) zusammenwirkende zweite zylindrische Passflächen (10, 11) aufweisen, die zur Übertragung radialer Kräfte ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste axiale Abschnitt (5) zwischen dem zweiten axialen Abschnitt (6) und dem dritten axialen Abschnitt (9) angeordnet ist, wobei vorzugsweise Schmiermittel im Bereich zwischen dem zweiten axialen Abschnitt (6) und dem dritten axialen Abschnitt (9) eingebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite zylindrische Passfläche (11) des Werkzeugs durch eine Hülse (12) gebildet wird, die im Werkzeug (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) mit Presspassung in einer Bohrung (13) des Werkzeugs (3) sitzt, wobei die Presspassung insbesondere durch einen Schrumpfvorgang hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung (4) in einem radialen Abstand (r₁) von der Drehachse (a) angeordnet ist, der größer ist als der radiale Abstand (r₃) der zweiten zylindrischen Passflächen (10, 11) von der Drehachse (a).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung (4) und/oder mindestens eine der ersten zylindrischen Passflächen (7, 8) und/oder mindestens eine der zweiten zylindrischen Passflächen (10, 11) mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zentralgewinde (14) der Antriebswelle (2) ein Zuganker (15) eingeschraubt ist, der zwecks axialer Festlegung des Werkzeugs (3) an der Antriebswelle (2) mit einem flanschartig vergrößerten Abschnitt (16) auf eine stirnseitig angeordnete Anlagefläche (17) des Werkzeugs (3), insbesondere auf eine Stirnseite der Hülse (12), drückt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im flanschartig vergrößerten Abschnitt (16) eine Anzahl Schrauben (18), insbesondere Madenschrauben, angeordnet sind, die in sich im flanschartig vergrößerten Abschnitt (16) befindlichen Gewindebohrungen eingeschraubt sind, wobei die Schrauben (18) mit ihrem einen axialen Ende auf die stirnseitig angeordnete Anlagefläche (17) des Werkzeugs (3), insbesondere auf eine Stirnseite der Hülse (12), drücken.