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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils mit einer umfangsseitigen Ausformung, insbesondere einer Verzahnung, im Taumelverfahren, wobei die Vorrichtung einen rotationssymmetrischen Taumelstempel aufweist, welcher zur Übertragung einer Umformkraft auf das in einem Gesenk gehaltene Formteil in eine Taumelbewegung um eine von einer Mittelachse des Taumelstempels abweichende, insbesondere ortsfeste Achse versetzbar ist.
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Aus der
DE 197 44 639 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltzahnrads mit koaxial angeordneten und axial vorstehenden Schaltzähnen bekannt, die einen axialen Hinterschnitt haben. Dabei wird über einem Untergesenk ein Verformwerkzeug angeordnet, welches an seiner Unterseite eine kreisförmige Einsenkung aufweist. An ihrem Rand befinden sich Zahnausnehmungen, die sowohl axial zur Stirnseite des Verformwerkzeugs hin als auch radial nach innen hin offen sind. Das Verformwerkzeug wird durch einen Antrieb gegenüber dem Untergesenk in eine taumelnde Kreisbewegung versetzt.
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Bei der taumelnden Kreisbewegung dreht sich die Taumelachse um die Drehachse. Dadurch ist das Verformwerkzeug jeweils in einem Randbereich in einem intensiven Verformungskontakt mit den betreffenden Schaltzähnen des Schaltzahnrads, während an der axial gegenüberliegenden Stelle eine – vom Taumelwinkel abhängige – teilweise oder vollständige Trennung zwischen dem Verformwerkzeug und den entsprechenden Schaltzähnen des Schaltzahnrads auftritt.
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Die
DE 32 02 254 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem durch Anwendung des Taumelpressens der Materialfluss derart beeinflusst wird, dass die Negativ-Zähne möglichst vollkommen mit Material ausgefüllt werden, um über die gesamte Zahnbreite eine saubere Profilform zu erhalten.
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Der
DE 102 03 888 A1 liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Zahnstange anzugeben, bei dem es vorzugsweise im Taumelpressverfahren gelingt, die Zähne der Zahnstange vollkommen auszuformen. Die Negativ-Zähne erstrecken sich weit über das Kreisprofil des Rohlings hinaus bis in die Bereiche der seitlichen Grate. Die Grate werden nach dem Umform-Prozess durch spanabhebende Bearbeitung entfernt.
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Als nachteilig erweist es sich dabei, dass beim Taumeln einer umfangsseitigen Kontur der Grat in der Kontur entsteht und somit mechanisch sehr schwierig zu entfernen ist. Deshalb wird versucht, den Grat zu eliminieren bzw. zu minimieren oder ihn in einen unkritischen Bereich zu verlegen.
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Zum Taumeln eines außenverzahnten Zahnrads ist es günstig, ein rotationssymmetrisches Rohteil zu verwenden, dessen Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser (Kopfkreis) des Gesenkwerkzeugs ist. Das in die Gesenkkontur umzuformende Material muss axial am Rohteil vorgehalten werden.
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Zur Gratvermeidung wäre es günstig, zu Umformbeginn mit dem Taumelstempel in das Gesenk umlaufend einzutauchen, was jedoch aufgrund der Verzahnungsgeometrie nicht möglich ist.
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Ohne Sondermaßnahmen erfolgt die Umformung damit im offenen Gesenk, das Material entweicht zwischen Taumelstempel und Gesenk und es entsteht ein Grat im oberen Bereich der Verzahnung.
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Um ein solches unerwünschtes Ausweichen zu verhindern, ist es bereits aus dem Stand der Technik bekannt, beim Taumelverfahren die das Werkstück aufnehmende Umformkavität durch einen Niederhalter abzudecken bzw. zu verschließen. Der Niederhalter ist entweder fest mit dem Gesenk verschraubt, oder wird hydraulisch gegen das Gesenk verspannt.
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Als nachteilig erweist sich dabei zum einen das Einlegen und Ausformen des Werkstücks, da das Gesenk hierzu geöffnet werden muss. Bei einer Schraubverbindung ist dies sehr zeitaufwendig. Demgegenüber erfordert eine hydraulische Spannvorrichtung einen hohen konstruktiven Aufwand.
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Weiterhin kommt es aufgrund der Taumelbewegung zum Einzwängen des Werkstückmaterials, sobald sich der Spalt zwischen Taumelstempel und Niederhalter füllt.
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Der Niederhalter hat einen zylindrischen Innendurchmesser, wobei zwischen Niederhalter und Taumelstempel ein Spalt vorgesehen werden muss, damit der Taumelstempel seine Bewegung ausführen kann. In diesen Spalt setzt sich Werkstückmaterial. Beim Umformprozess wird dieses Material vom Taumelstempel bei fortgesetzter Taumelbewegung im Niederhalter nach oben transportiert.
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Dieser Vorgang erweist sich als ungünstig für die Werkstückkontur und die Werkzeugstandzeiten. Auf den Niederhalter wirken durch den Materialfluss im Spalt hohe Axialkräfte in z-Richtung. Der Niederhalter muss daher sehr massiv ausgeführt werden, damit er der Belastung standhält.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das unerwünschte Fließen des Werkstückmaterials aus dem Gesenk sowie eine Gratbildung mit einem geringen konstruktiven Aufwand zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher der Taumelstempel einen den umfangsseitigen Randbereich einschließenden radialen Vorsprung als Niederhalter aufweist, welcher axial gegenüber dem Taumelstempel verschiebbar ausgeführt und mit einer Vorspannkraft belastet ist. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass der Taumelstempel bei seiner Taumelbewegung eine Linienberührung mit dem Werkstück im jeweils aktuellen Umformbereich aufweist, während das Gesenk zugestellt wird. Demnach ist der Niederhalter lediglich in dem durch die Umformkraft belasteten Umfangsbereich erforderlich. Erfindungsgemäß ist daher ein radialer Vorsprung beispielsweise eine radiale Ausformung, an dem Taumelstempel vorgesehen, sodass die Taumelbewegung nicht nur zu einem linienförmigen Kontaktbereich des Taumelstempels mit dem Werkstück führt, sondern in dem diesen Kontaktbereich einschließenden Bereich durch den radialen Vorsprung ein partieller Niederhalter realisiert ist. Um eine sichere Anlage und einen zuverlässigen Kontakt des Vorsprungs mit dem Gesenk sicherzustellen und zugleich die Zustellbewegung zwischen Taumelstempel und dem Gesenk zuverlässig ausgleichen zu können, ist der Vorsprung gegenüber dem Gesenk vorgespannt.
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Der radiale Vorsprung ist axial verschiebbar und vorzugsweise verdrehgesichert auf dem Taumelstempel geführt und führt die Taumelbewegung des Taumelstempels mit aus, während die Vorspannung ihn gegen das sich in Taumelstempelrichtung verfahrende Gesenk drückt. Im Umformbereich ist damit ab Umformbeginn die Gesenkkavität partiell geschlossen. Selbstverständlich kann der Vorsprung auch mittels einer Lageranordnung an dem Taumelstempel angeordnet sein, um so eine optimale Führung zu erreichen und den Reibungswiderstand bei der axialen Verlagerung auf ein Minimum zu reduzieren Der Vorsprung könnte mittels eines hydraulisch oder pneumatisch betätigbaren Aktuators gegenüber dem Gesenk vorgespannt sein bzw. entgegen dessen Vorspannkraft aufgrund der Zustellbewegung zwischen dem Gesenk und dem Taumelstempel verschiebbar sein. Als besonders vorteilhaft erweist es sich hingegen, wenn der Vorsprung mittels eines Federelements gegenüber dem Gesenk vorgespannt ist, um so einen einfachen konstruktiven Aufbau ohne äußere Anschlusselemente bzw. Versorgungsleitungen realisieren zu können.
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Wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung das Federelement ein Federpaket umfassend eine Spiralfeder, eine Tellerfeder und/oder eine Kunststofffeder aufweist, welche als Druckfedern ausgeführt sind und den Taumelstempel einschließen, kann außer einer platzsparenden Bauform in einfacher Weise auch eine Einstellbarkeit der Federkraft realisiert werden. Hierzu kann sich die Feder beispielsweise an einem Stellmittel abstützen, welches mittels eines Innengewindes auf einem Außengewindeabschnitt des Taumelstempels in unterschiedlichen axialen Positionen festgelegt werden kann. Weiterhin kann das Federelement beispielsweise zum Ausgleich der Zustellbewegung eine progressive bzw. degressive Federkennlinie aufweisen.
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Weiterhin hat es sich bereits als besonders praxisnah erwiesen, wenn der Taumelstempel und das Gesenk relativ zueinander mit insbesondere konstanter Geschwindigkeit zustellbar sind, um eine stetige Umformung zu erreichen, wobei die Zustellung zugleich entgegen der Rückstellkraft des Federelements erfolgt.
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Der Vorsprung könnte eingeschränkt elastisch verformbare Eigenschaften aufweisen, um so eine optimale Anlagefläche des Vorsprungs gegenüber dem Gesenk zu erreichen. Vorzugsweise weist der radiale Vorsprung eine gegen das Gesenk anlegbare Kontaktfläche auf, die entlang der Querschnittsebene des Taumelstempels verläuft.
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Vorzugsweise ist das Gesenk so ausgeführt, dass nach dem Umformen ein Verklemmen des Formteils aufgrund der elastischen Werkzeugumformung im Gesenk bzw. Unterwerkzeug vermieden wird. Weiterhin kann ein Auswerfersystem vorgesehen sein, mit dem das Formteil aus dem Gesenk ausgeworfen wird. Bei Schrägverzahnungen ist das Auswerfersystem vorzugsweise drehbar, sodass das Formteil drehend ausgeworfen werden kann.
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Bei Formteilen mit gerader oder schräger Verzahnung ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Zahndicke des Gesenks bzw. Unterwerkzeugs konisch ausgelegt und nimmt in Richtung des Gesenks hin ab. Dadurch entsteht ein Freiwinkel der Zahnflanken in Ausformrichtung und das Formteil muss von dem Auswerfer lediglich aus dem Unterwerkzeug oder Gesenk gelöst werden. Anschließend ergibt sich ein Spalt in beiden Flankenrichtungen, wodurch das Ausformen erleichtert wird. Insbesondere werden dadurch die Ausformkräfte wesentlichen reduziert und der Unterwerkzeugverschleiß sowie die Bauteildeformation vermindert.
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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.
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Diese zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Formteils 2 mit einer umfangsseitigen Verzahnung in einem an sich bekannten Taumelverfahren. Hierzu hat die Vorrichtung 1 einen rotationssymmetrischen Taumelstempel 3, welcher zur Übertragung einer Umformkraft auf das in einem Gesenk 4 gehaltene Formteil 2 in eine Taumelbewegung um seine gegenüber der Mittelachse 5 der Vorrichtung 1 gekippte und die Mittelachse 5 umkreisende Taumelachse 6 versetzt wird. Dadurch wirkt auf das Formteil 2 in einem umfangsseitigen Randbereich 7 entsprechend einer momentanen linienförmigen Kontaktfläche konzentrisch zu der Mittelachse 5 eine Umformkraft FU des Taumelstempels 3 auf das in einem Gesenk 4 gehaltene Formteil 2. Um das unerwünschte Fließen des Werkstoffs aus dem Gesenk 4 heraus in Achsrichtung zu vermeiden, ist ein Niederhalter vorgesehen, welcher durch einen den Taumelstempel 3 radial einschließenden ringförmigen Vorsprung 8 gebildet ist. Der Vorsprung 8 ist parallel zu der Taumelachse 6 relativ zu dem Taumelstempel 3 auf diesem axial verschiebbar ausgeführt und mit einer Vorspannkraft F eines Federelements belastet. Der radiale Vorsprung 8 hat eine gegen das Gesenk 4 anlegbare Kontaktfläche 9, die entsprechend einem Taumelwinkel α gegenüber einer Gesenkplanfläche kegelig ausgeführt ist. Dadurch bildet die abgeschrägte Kontaktfläche 9 eine konische bzw. kegelstumpfförmige Planfläche. Wenn der radiale Vorsprung 8 durch die Zustellbewegung auf das Gesenk 4 trifft, wird der radiale Vorsprung 8 von dem Gesenk 4 entlang der Taumelachse 6 auf dem Taumelstempel 3 nach oben entgegen der Vorspannkraft FV verschoben. Dabei wird das Gesenk 4 im Umformbereich partiell geschlossen. Da beim Taumeln immer nur in diesem umlaufenden Randbereich 7 inkrementell umgeformt wird und der Taumelstempel 3 und der Vorsprung 8 eine synchrone Taumelbewegung durchführen, ist das Gesenk 4 im Umformbereich permanent durch den Vorsprung 8 geschlossen. Das Werkstückmaterial kann im Zahnbereich nicht aus dem Gesenk 4 entweichen. Wie zu erkennen liegt der Vorsprung 8 in demjenigen Randbereich 7, in dem die Umformkraft FU wirkt, stets flächig und nahezu spaltfrei gegen das Gesenk 4 an und verhindert so das unerwünschte Fließen des Materials aus dem Gesenk 4 heraus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Formteil
- 3
- Taumelstempel
- 4
- Gesenk
- 5
- Mittelachse
- 6
- Taumelachse
- 7
- Umformbereich
- 8
- Vorsprung
- 9
- Kontaktfläche
- α
- Taumelwinkel
- β
- Neigungswinkel
- FU
- Umformkraft
- FV
- Vorspannkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19744639 A1 [0002]
- DE 3202254 A1 [0004]
- DE 10203888 A1 [0005]
