DE102012013778A1 - Forming tool for massive forming of metal material, has die cavity that is formed corresponding to the shape of component, whose regions with steel material, are formed with different material properties - Google Patents

Forming tool for massive forming of metal material, has die cavity that is formed corresponding to the shape of component, whose regions with steel material, are formed with different material properties Download PDF

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Abstract

The forming tool (100) has a main portion that is made of the steel material. A die cavity (130) is formed corresponding to the shape of the component. The steel material is formed within the die cavity regions with different material properties. A specific adjustment of the resistance of the main portion is obtained to locally different stresses during massive forming of the metal material. The regions with different material properties are clearly distinguished from each other. An independent claim is included for a method of fabricating a forming tool.

Description

Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug für die Massivumformung eines Metallwerkstoffs, welches aus einem Stahlmaterial gebildet ist und wenigstens eine Gravur entsprechend der Form des durch Massivumformung zu fertigenden Bauteils bzw. Werkstücks aufweist.The invention relates to a forming tool for the massive forming of a metal material, which is formed from a steel material and has at least one engraving corresponding to the shape of the to be manufactured by massive forming component or workpiece.

Die Erfindung betrifft ferner auch zwei Verfahren zur Herstellung solcher Formwerkzeuge.The invention also relates to two methods for producing such molds.

Formwerkzeuge der betreffenden Art dienen der Massivumformung eines metallischen Werkstoffs. Beim Massivumformen wird ein massiver Rohling (Ausgangswerkstück) zu einem Bauteil (umgeformtes Werkstück) umgeformt, wobei insbesondere große Formänderungen des metallischen Werkstoffs herbeigeführt werden. Das Massivumformen kann mehrere Umformschritte umfassen, wozu mehrere Formwerkzeuge erforderlich sind. Bei der Blechumformung wird hingegen ein flaches Walzwerkfertigprodukt umgeformt. Die Verfahren und Vorrichtungen für das Massivumformen unterscheiden sich grundlegend von den Verfahren und Vorrichtungen für die Blechumformung.Molds of the type in question are used for the massive forming of a metallic material. In the case of massive forming, a solid blank (initial workpiece) is formed into a component (formed workpiece), in which case, in particular, large changes in the shape of the metallic material are brought about. The massive forming may include several forming steps, which requires several forming tools. In the case of sheet metal forming, on the other hand, a flat finished rolling mill product is transformed. The methods and apparatus for solid forming are fundamentally different from the methods and apparatus for sheet metal forming.

Unter der Gravur des Formwerkzeugs wird der Formbereich verstanden, der eine Druckkontaktoberfläche aufweist, die mit dem umzuformenden Metallwerkstoff während der Umformung bzw. beim Umformen in direkten Berührungskontakt gelangt.The engraving of the molding tool is understood to mean the molding area which has a pressure-contact surface which comes into direct physical contact with the metal material to be formed during shaping or during forming.

Während des Umformens des massiven Metallwerkstoffs kommt es in der Gravur des Formwerkzeugs zu lokal unterschiedlichen mechanischen und gegebenenfalls auch thermischen Belastungen, die zu unterschiedlichen Schäden führen, wie bspw. Verschleiß durch Abrieb (als Folge des Werkstoffflusses), thermische Risse, mechanische Risse, Deformationen und dergleichen. Formwerkzeuge der betreffenden Art weisen daher eine nur sehr begrenzte Standmenge auf.During the forming of the solid metal material occurs in the engraving of the mold to locally different mechanical and possibly thermal stresses that lead to different damage, such as wear due to abrasion (as a result of material flow), thermal cracks, mechanical cracks, deformations and like. Molds of the type in question therefore have a very limited amount of stand.

Um die Standmenge von Formwerkzeugen zu verbessern, werden immer wieder neue Werkzeugmaterialien (neue Stahllegierungen oder z. B. auch pulvermetallurgisch hergestellte Stähle) ausprobiert. Ferner kann die Werkzeugoberfläche im Bereich der Gravur nitriert oder beschichtet werden. Zudem sind Werkzeugeinsätze aus anderen Materialien (bspw. Keramik) bekannt. Trotz dieser zuweilen teuren Maßnahmen kann häufig keine nennenswerte Verbesserung der Standmenge erreicht werden.In order to improve the tool life of molds, new tool materials (new steel alloys or, for example, steels produced by powder metallurgy) are repeatedly tried out. Furthermore, the tool surface can be nitrided or coated in the region of the engraving. In addition, tool inserts made of other materials (eg ceramic) are known. Despite these sometimes expensive measures, no appreciable improvement in stall volume can often be achieved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wirtschaftlich sinnvolle Möglichkeiten zur Verbesserung der Standmenge eines Formwerkzeugs betreffender Art aufzuzeigen.The invention has the object of demonstrating economically viable options for improving the level of a mold tool of the kind concerned.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved by an inventive mold with the features of claim 1.

Mit zwei nebengeordneten Ansprüchen erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf zwei Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs.With two independent claims, the solution of the problem also extends to two methods for producing a mold according to the invention.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.Preferred developments and refinements emerge analogously for all subjects according to the invention both from the dependent claims and from the following explanations.

Das erfindungsgemäße Formwerkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass das Stahlmaterial aus. dem das Formwerkzeug gebildet ist innerhalb der Gravur Bereiche mit unterschiedlichen Materialeigenschaften aufweist, um hierdurch eine spezifische Anpassung der Widerstandsfähigkeit des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs an lokal verschiedene Belastungen bei der Massivumformung des Metallwerkstoffs zu erhalten.The mold according to the invention is characterized in that the steel material. the forming tool is within the engraving areas having different material properties, to thereby obtain a specific adaptation of the resistance of the mold according to the invention to locally different loads in the massive forming of the metal material.

Die Erfindung sieht demnach vor, dass das Formwerkzeug aus nur einem Stahlmaterial besteht, wobei dieses Stahlmaterial im Bereich der Gravur lokal unterschiedliche Materialeigenschaften – aufweist, um dadurch eine lokale Belastungsanpassung des Formwerkzeugs zu erzielen. Die Bereiche mit den unterschiedlichen Materialeigenschaften liegen innerhalb, der Gravur nebeneinander und nicht übereinander, was bspw. beim Nitrieren oder Beschichten der Fall ist. Mit anderen Worten formuliert kann die Erfindung folgendermaßen dargestellt werden: Das erfindungsgemäße Formwerkzeug weist über die Gravur verteilt lokalunterschiedliche Widerstandsfähigkeiten auf, im Hinblick auf lokal verschiedene Belastungen bei der Umformung des massiven Metallwerkstoffs (bzw. während des Umformprozesses) und damit im Zusammenhang stehenden lokal auftretenden Versagensarten. Das aus nur einem Stahlmaterial (bzw. aus einer Stahlmasse) bestehende erfindungsgemäße Formwerkzeug ist im Bereich der Gravur an bestimmten Stellen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften versehen, was auch als partielle Eigenschaftseinstellung bezeichnet werden kann. Lokale Bereiche der Gravur können so belastungsangepasst und somit widerstandsfähig gegen die entsprechend auftretende Versagensart ausgelegt werden.Accordingly, the invention provides that the molding tool consists of only one steel material, this steel material having locally different material properties in the area of the engraving, in order thereby to achieve a local load adjustment of the molding tool. The areas with the different material properties are within, the engraving next to each other and not on top of each other, which is the case, for example, in nitriding or coating. In other words, the invention can be represented as follows: The mold according to the invention has locally different resistance capabilities distributed over the engraving, with regard to locally different loads during the deformation of the solid metal material (or during the forming process) and locally occurring failure modes , The forming tool according to the invention consisting of only one steel material (or of one steel mass) is provided with different material properties at certain locations in the area of the engraving, which can also be referred to as a partial property setting. Local areas of the engraving can be designed so load-adapted and thus resistant to the corresponding occurring failure mode.

Daraus resultiert ein anwendungsoptimiertes Formwerkzeug für die Massivumformung. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Formwerkzeugen wird hinsichtlich der Materialeigenschaften nur ein homogener Kompromiss eingegangen, ohne Beachtung lokaler Beanspruchungsunterschiede und die sich hieraus ergebenden örtlich unterschiedlichen Anforderungen. Das erfindungsgemäße Formwerkzeug weist eine hohe bis sehr hohe Standmenge auf.This results in an application-optimized forming tool for massive forming. In the known from the prior art molds only a homogeneous compromise is received in terms of material properties, without attention to local stress differences and the resulting locally different requirements. The invention Mold has a high to very high level.

Das erfindungsgemäße Formwerkzeug kann ein Formwerkzeug für die Kaltumformung (bei Raumtemperatur), für die Lauwarmumformung (bei ca. 200°C), für die Halbwarmumformung (bei ca. 600°C bis 900°C), für die Warmumformung (bei ca. 1000°C bis 1250°C) oder für das Thixoforming (oberhalb von 1250°C) sein. Die in Klammern angegebenen Temperaturen beziehen sich auf das Umformen eines Stahlwerkstoffs. Bei dem umzuformenden Metallwerkstoff handelt es sich insbesondere um einen Stahlwerkstoff, welcher die Gravur des Formwerkzeugs typischerweise erheblich beansprucht.The molding tool according to the invention can be a forming tool for cold forming (at room temperature), for lukewarm forming (at about 200 ° C.), for warm forging (at about 600 ° C. to 900 ° C.), for hot forming (at about 1000 ° C.) ° C to 1250 ° C) or for thixoforming (above 1250 ° C). The temperatures given in brackets refer to the forming of a steel material. The metal material to be formed is, in particular, a steel material which typically stresses the engraving of the molding tool considerably.

Bei dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug kann es sich um ein Schmiedegesenk und insbesondere um ein Präzisionsschmiedegesenk handeln. Vorzugsweise handelt es sich um ein Taumelgesenk und insbesondere um ein Präzisionstaumelgesenk für das Taumelumformen und speziell für die Taumelkaltumformung. (Verfahren und Vorrichtungen für das Taumelumformen sind in der DE 10 2007 035 493 A1 beschrieben.) Bei dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug kann es sich aber auch um eine Matrize für das Fließpressen handeln. Derartige Formwerkzeuge sind insbesondere für den Einsatz auf Umformpressen konzipiert und somit pressengebunden. Präzisionswerkzeuge der genannten Art zeichnen sich dadurch aus, dass hiermit nahezu einbaufertige Bauteile bzw. Werkstücke hergestellt werden können.The molding tool according to the invention may be a forging die and in particular a precision forging die. Preferably, it is a wobble die, and more particularly a precision wobble die for wobble forming and especially for tumble cold forming. (Methods and apparatus for wobble forming are in the DE 10 2007 035 493 A1 described.) But the mold according to the invention may also be a die for the extrusion. Such molds are especially designed for use on forming presses and thus press-bound. Precision tools of the type mentioned are characterized by the fact that hereby almost ready-to-assembly components or workpieces can be produced.

Die Bereiche mit den unterschiedlichen Materialeigenschaften innerhalb der Gravur des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs können sich hinsichtlich der Härte und Zähigkeit (wobei sich Härte und Zähigkeit typischerweise entgegenstehen), der Festigkeit und/oder der thermischen Leitfähigkeit unterscheiden. Innerhalb der Gravur können bspw. relativ harte und spröde Bereiche (die z. B. einen guten lokalen Verschleißwiderstand aufweisen), relativ weiche und duktile Bereiche (die z. B. eine gute lokale Risszähigkeit aufweisen), Bereiche mit höherer oder hoher Festigkeit (die z. B. eine gute lokale Druckfestigkeit aufweisen), Bereiche mit einer geringeren oder geringen Festigkeit, Bereiche mit guter thermischer Leitfähigkeit (was z. B. vorteilig im Hinblick auf die lokale Kühlung sein kann) und/oder Bereiche mit geringer thermischer Leitfähigkeit (was z. B. vorteilig im Hinblick auf die lokale Temperaturerhaltung sein kann) nebeneinander liegen. Auch ist denkbar, dass die Gravur des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs nur einen Bereich mit bestimmten Materialeigenschaften aufweist, der von einem Bereich mit anderen Materialeigenschaften umgeben ist. Im Hinblick auf die graduellen (abgestuften) Unterschiede der Materialeigenschaften kann dieses Nebeneinanderliegen der Bereiche auch als horizontale Gradierung bezeichnet werden. Das nicht erfindungsgemäße Übereinanderliegen unterschiedlicher Bereiche (bspw. durch Nitrieren oder Beschichten) kann dem gegenüber als vertikale Gradierung bezeichnet werden.The regions with the different material properties within the engraving of the molding tool according to the invention may differ in terms of hardness and toughness (hardness and toughness typically conflict), strength and / or thermal conductivity. For example, within the engraving, relatively hard and brittle regions (eg, having good local wear resistance), relatively soft and ductile regions (eg, having good local fracture toughness), regions of higher or higher strength (i.e. for example, have good local compressive strength), regions of lesser or lesser strength, regions of good thermal conductivity (which may be advantageous, for example, in terms of local cooling), and / or regions of low thermal conductivity (which may be advantageous in terms of local temperature maintenance) are adjacent. It is also conceivable that the engraving of the molding tool according to the invention only has an area with certain material properties, which is surrounded by a region with different material properties. In view of the gradual (graded) differences in material properties, this juxtaposition of the regions may also be referred to as horizontal grading. The non-inventive superimposition of different regions (for example by nitriding or coating) can be referred to as a vertical grading.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bereiche mit den unterschiedlichen Materialeigenschaften innerhalb der Gravur deutlich zueinander abgegrenzt sind. Somit bestehen relativ abrupte Übergänge zwischen den benachbarten Bereichen, wodurch die einzelnen Bereiche exakt geometrisch begrenzt sind. Ebenso ist denkbar, dass benachbarten Bereichen einen allmählichen bzw. sanften Übergang aufweisen. Beide Übergangsarten können an einem erfindungsgemäßen Formwerkzeug realisiert sein.It is preferably provided that the areas with the different material properties within the engraving are clearly delimited from each other. Thus, there are relatively abrupt transitions between the adjacent areas, whereby the individual areas are exactly geometrically limited. It is also conceivable that adjacent areas have a gradual or smooth transition. Both types of transition can be realized on a mold according to the invention.

Es kann vorgesehen sein, dass das Stahlmaterial (bzw. die Stahlmasse) aus dem das Formwerkzeug besteht bzw. gebildet ist ein Mischmaterial (aus verschiedenen Stahlsorten) ist, wobei die Bereiche mit den unterschiedlichen Materialeigenschaften innerhalb der Gravur durch lokal verschiedene Legierungszusammensetzungen des Stahlmaterials in diesen Bereichen gebildet sind.It can be provided that the steel material (or the steel mass) of which the molding tool is or is a mixed material (made of different steel grades), wherein the areas with the different material properties within the engraving by locally different alloy compositions of the steel material in these Areas are formed.

Bevorzugter Weise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug um ein aus einem massiven Stahlblock hergestelltes Frästeil (oder auf vergleichbare spanabhebende Weise hergestelltes Werkzeugteil), Drehteil und/oder Erodierteil. Ebenso kann das erfindungsgemäße Formwerkzeug als Gussteil (aus einem Stahlguss) hergestellt sein, wobei dann zumindest die Gravur durch materialabtragende Bearbeitung erzeugt wurde. Möglichkeiten zur Ausbildung der unterschiedlichen Materialeigenschaften innerhalb der Gravur werden nachfolgend erläutert.The molding tool according to the invention is preferably a milled part made of a solid steel block (or a tool part produced in a comparable chip-removing manner), a rotating part and / or an eroding part. Likewise, the molding tool according to the invention may be produced as a casting (from a cast steel), in which case at least the engraving has been produced by material-removing machining. Possibilities for forming the different material properties within the engraving will be explained below.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass des erfindungsgemäße Formwerkzeug einteilig und somit unteilbar ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Formwerkzeug kann aber auch mehrteilig und somit teilbar ausgebildet sein. Insbesondere Schmiedgesenke und Fließpressmatrizen sind häufig teilbar ausgeführt. Wenigstens ein Werkzeugteil eines mehrteilig ausgebildeten Formwerkzeugs kann dann erfindungsgemäß ausgebildet sein.Furthermore, it is preferably provided that the molding tool according to the invention is formed in one piece and thus indivisible. However, the mold according to the invention can also be designed in several parts and thus divisible. In particular, forging dies and extrusion dies are often divisible. At least one tool part of a multi-part mold can then be designed according to the invention.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Gravur des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs wenigstens einen Abschnitt zur Ausbildung einer Verzahnungsgeometrie am Bauteil bzw. Werkstück aufweist, wobei innerhalb dieses Abschnitts die Bereiche zur Formung der Zahnflanken mit hoher Härte und Festigkeit ausgebildet sind, insbesondere derart, dass diese Zahnflankenformungsbereiche eine höhere Härte und Festigkeit als die anderen Bereiche bzw. als der übrige Bereich der Gravur aufweisen. Dies wird über das Einstellen bereichsweise unterschiedlicher Materialeigenschaften des Stahlmaterials, aus dem das Formwerkzeug gebildet ist, erreicht. Insbesondere handelt es sich hierbei um ein Schmiedegesenk bzw. Präzisionsschmiedegesenk oder um ein Taumelgesenk bzw. Präzisionstaumelgesenk. Das herzustellende Bauteil ist insbesondere ein Kegelzahnrad. Ein solches Formwerkzeug wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch näher erläutert.It is particularly preferably provided that the engraving of the molding tool according to the invention has at least one section for forming a tooth geometry on the component or workpiece, wherein the areas for forming the tooth flanks are formed with high hardness and strength within this section, in particular such that these tooth flank forming areas a have higher hardness and strength than the other areas or as the remaining area of the engraving. This is done by adjusting the area achieved different material properties of the steel material from which the mold is formed. In particular, this involves a forging die or precision forging die or a swash die or precision swage die. The component to be produced is in particular a bevel gear. Such a mold will be explained in more detail with reference to the drawing.

Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs umfasst zumindest die folgenden Herstellungsschritte:

  • – Herstellen bzw. Erzeugen eines hinsichtlich der Materialeigenschaften homogenen Werkzeugkörpers mit (wenigstens) einer daran ausgebildeten Gravur durch Gießen, Fräsen, Drehen und/oder Erodieren (z. B. ECM oder EDM) eines Stahlmaterials; und
  • – Erzeugen bzw. Herstellen von Bereichen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften innerhalb der Gravur durch partielles Wärmebehandeln und/oder partielles Kaltverfestigen des Stahlmaterials.
A first method according to the invention for producing a molding tool according to the invention comprises at least the following production steps:
  • Producing or producing a tool body which is homogeneous with respect to the material properties and having at least one engraving formed thereon by casting, milling, turning and / or eroding (eg ECM or EDM) a steel material; and
  • Producing or producing areas with different material properties within the engraving by partial heat treatment and / or partial work hardening of the steel material.

Im Zuge des partiellen Wärmebehandelns kann eine partielle bzw. lokale Erwärmung des Formwerkzeugs bspw. in einem Ofen, mit einer Induktionserwärmungseinrichtung, mit einem Laserstrahl und/oder einem Gasbrenner erfolgen. Je nachdem welche Materialeigenschaften, ausgehend von den gegebenen Materialeigenschaften, in einem wärmbehandelten Bereich eingestellt werden sollen, kann der erwärmte Bereich langsam oder schnell abgekühlt werden. In dem die betreffenden Bereiche innerhalb der Gravur des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs verschieden wärmebehandelt werden, können gezielt unterschiedliche Materialeigenschaften in den einzelnen Bereichen eingestellt bzw. herbeigeführt werden.In the course of the partial heat treatment, a partial or local heating of the mold, for example, in an oven, with an induction heating device, with a laser beam and / or a gas burner. Depending on which material properties, based on the given material properties, are to be adjusted in a heat-treated area, the heated area can be cooled slowly or rapidly. In that the respective areas are heat-treated differently within the engraving of the molding tool according to the invention, different material properties in the individual areas can be specifically set or brought about.

Ein partielles bzw. lokales Kaltverfestigen des Stahlmaterials innerhalb der Gravur kann bspw. durch ein gezieltes Beschießen der Gravur mit Stahlkugeln, durch ein lokales Prägen oder dergleichen herbeigeführt werden.A partial or local work hardening of the steel material within the engraving can, for example, be brought about by targeted bombardment of the engraving with steel balls, by local stamping or the like.

Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs umfasst zumindest die folgenden Herstellungsschritte:

  • – Bereitstellen eines massiven Stahlblocks, dessen Stahlmaterial im Hinblick auf das herzustellende Formwerkzeug bereits inhomogene Materialeigenschaften aufweist;
  • – Erzeugen bzw. Herstellen des Werkzeugkörpers mit (wenigstens) einer daran ausgebildeten Gravur, durch Fräsen bzw. durch Fräsbearbeitung (oder dergleichen), Drehen und/oder Erodieren des bereitgestellten Stahlblocks, wobei innerhalb der Gravur (aufgrund der inhomogenen Materialeigenschaften) bereits Bereiche mit unterschiedlichen Materialeigenschaften herausgebildet werden; und
  • – gegebenenfalls ergänzendes Überarbeiten der Gravur durch partielles Wärmebehandeln und/oder partielles Kaltverfestigen des Stahlmaterials (wie obenstehend erläutert).
A second method according to the invention for producing a molding tool according to the invention comprises at least the following production steps:
  • - Providing a solid steel block whose steel material already has inhomogeneous material properties with regard to the mold to be produced;
  • Producing or producing the tool body with (at least) an engraving formed thereon, by milling or by milling (or the like), turning and / or eroding the provided steel block, within the engraving (due to the inhomogeneous material properties) already areas with different Material properties are formed; and
  • - If necessary, additional revision of the engraving by partial heat treatment and / or partial work hardening of the steel material (as explained above).

Der bereitgestellte massive Stahlblock, dessen Stahlmaterial inhomogene Materialeigenschaften aufweist, kann bspw. zuvor durch einen Mehrkomponentenguss mit verschiedenen Stahlsorten erzeugt bzw. hergestellt werden.The provided solid steel block, whose steel material has inhomogeneous material properties, can for example be previously produced or produced by a multicomponent casting with different steel grades.

Bei dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren werden die unterschiedlichen Materialeigenschaften innerhalb der Gravur durch Verändern zunächst homogener Materialeigenschaften eingestellt. D. h. durch partielle Eigenschaftseinstellungen werden die erforderlichen lokalen Eigenschaften innerhalb der Gravur herbeigeführt. Beim zweiten erfindungsgemäßen Verfahren liegen bereits im Ausgangsmaterial inhomogene Materialeigenschaften vor, die aufgrund ihrer lokalen Verteilung weitgehend die späteren unterschiedlichen Materialeigenschaften im Bereich der Gravur vorwegnehmen. Mit beiden vorgeschlagenen Verfahren können verhältnismäßig kostengünstig erfindungsgemäße Formwerkzeuge hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren können weitere hierin nicht näher erläuterte Schritte, Teilschritte und/oder Zwischenschritte umfassen.In the first method according to the invention, the different material properties within the engraving are set by changing initially homogeneous material properties. Ie. Partial property settings provide the required local properties within the engraving. In the second method according to the invention, inhomogeneous material properties are already present in the starting material which, due to their local distribution, largely anticipate the later different material properties in the area of the engraving. With both proposed methods, molds according to the invention can be produced relatively inexpensively. The methods according to the invention may comprise further steps, substeps and / or intermediate steps which are not explained in more detail herein.

Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein. In der Zeichnung zeigt dieThe invention will now be described in more detail by way of non-limiting example with reference to the drawing. The features shown in the drawing and / or explained below may, regardless of specific feature combinations, be general features of the invention. In the drawing shows the

1 ein Verzahnungsgesenk in einer perspektivischen Draufsicht. 1 a gearing in a perspective top view.

Bei dem Verzahnungsgesenk 100 kann es sich um ein Präzisionsschmiedegesenk oder um ein Präzisionstaumelgesenk (Präzisionsformgesenk für die Taumelumformung) handeln. Das tellerartige Verzahnungsgesenk 100 kann über eine Werkzeugaufnahme tisch- oder stößelseitig in einer geeigneten Umformpresse eingebaut werden. Der Schmiede- oder Taumelumformvorgang erfolgt in an und für sich bekannter Weise mit einem Stempel oder einem korrespondierenden Formgesenk.At the gearing die 100 it can be a precision forging die or a precision swage die (precision die for wobble forming). The plate-like toothing die 100 can be installed via a tool holder table or ram side in a suitable forming press. The forging or Taumelumformvorgang done in a manner known per se with a punch or a corresponding molding die.

Der zylindrische Werkzeugkörper bzw. Werkzeuggrundkörper 110 weist eine Oberseite 111 und eine Unterseite 112 auf. An der Oberseite 111 ist das Verzahnungsgesenk 100 mit einer Gravur 130 ausgebildet. Die Gravur 130 ist bezüglich der Oberseite 111 mittig angeordnet. Die Oberfläche bzw. Druckkontaktoberfläche der Gravur 130 ist mit 131 bezeichnet. Mit 120 ist eine sich von der Unterseite 112 her in die Gravur 130 hinein erstreckende zentrale Auswerferöffnung bezeichnet. Das Verzahnungsgesenk 100 ist einstückig aus einem Stahlmaterial gebildet.The cylindrical tool body or tool body 110 has a top 111 and a bottom 112 on. At the top 111 is the gearing die 100 with an engraving 130 educated. The engraving 130 is regarding the top 111 arranged in the middle. The surface or pressure contact surface of the engraving 130 is with 131 designated. With 120 is one from the bottom 112 here in the engraving 130 in extending central ejector opening referred to. The gearing die 100 is integrally formed of a steel material.

Das Verzahnungsgesenk 100 dient der Herstellung eines im Wesentlichen einbaufertigen Kegelzahnrads, das insbesondere in Kraftfahrzeuggetrieben verbaut wird, aus einem massiven Stahlwerkstoff. Entsprechend der Form des herzustellenden bzw. durch Umformung zu fertigenden Kegelzahnrads weist die Gravur 130 eine Negativform des Kegelzahnrads auf, wobei die Gravur 130 auch einen in der Draufsicht kreisringförmigen Abschnitt 132 zur Ausbildung der Verzahnungsgeometrie am Kegelzahnrad umfasst.The gearing die 100 serves to produce a substantially ready-to-bevel bevel gear, which is installed in particular in motor vehicle transmissions, from a solid steel material. According to the shape of the bevel gear to be produced or to be produced by deformation, the engraving has 130 a negative form of the bevel gear, wherein the engraving 130 also an annular in plan view section 132 for forming the tooth geometry on the bevel gear.

Bei der Umformung des massiven Metallwerkstoffs bzw. während des Umformprozesses (bzw. Umformvorgangs) kommt es innerhalb der Gravur 130 zu lokal verschiedenen Belastungen, wobei diese Belastungen abhängig von der Belastungsart und vom Ort an dem diese Auftreten zu Abrieb an der Druckkontaktoberfläche 131 und/oder zu thermischen oder mechanischen Rissen in der Druckkontaktoberfläche 131 führen. Diese Schäden treten zumeist erst im Laufe der Zeit mit fortschreitender Fertigungsstückzahl ein. Ab einem bestimmten Schädigungsgrad ist ein Austausch des Verzahnungsgesenks 100 gegen ein neues Verzahnungsgesenk erforderlich, was Kosten verursacht.During the forming of the massive metal material or during the forming process (or forming process), the engraving takes place 130 to locally different loads, these loads depending on the type of load and the place where this occurrence to abrasion on the pressure-contact surface 131 and / or thermal or mechanical cracks in the pressure contact surface 131 to lead. This damage usually occurs only over time as the production unit progresses. From a certain degree of damage is a replacement of the Verzahnungsgesenks 100 required against a new gearing, which costs money.

Um derartige lokal unterschiedliche Schäden innerhalb der Gravur 130 zu vermeiden ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Stahlmaterial aus dem das Verzahnungsgesenk 100 gebildet ist innerhalb der Gravur 130 Bereiche mit unterschiedlichen Materialeigenschaften aufweist, um hierdurch eine spezifische Anpassung der Widerstandsfähigkeit des Verzahnungsgesenks 100 an die lokal verschiedenen Belastungen bei der Umformung des massiven Metallwerkstoffs zu erhalten. Dies betrifft erfindungsgemäß nur die Gravur 130 mit der Werkzeugfunktionsfläche bzw. Druckkontaktoberfläche 131. Die Werkzeugnebenflächen (wie bspw. die Oberseite 111 außerhalb der Gravur 130) weisen erfindungsgemäß keine bereichsweise unterschiedlichen Materialeigenschaften auf.To such locally different damage within the engraving 130 To avoid is inventively provided that the steel material from the toothing die 100 is formed within the engraving 130 Having areas with different material properties, thereby a specific adjustment of the resistance of the Verzahnungsgesenks 100 to get the locally different loads during the forming of the massive metal material. This concerns according to the invention only the engraving 130 with the tool function surface or pressure contact surface 131 , The tool surfaces (such as the top 111 outside the engraving 130 ) according to the invention have no regionally different material properties.

Für das Verzahnungsgesenk 100 bedeutet dies bei der Taumelkaltumformung konkret, dass einerseits innerhalb des Abschnitts 132 zur Ausbildung der Verzahnungsgeometrie alle Bereiche 135 zur Formung der Zahnflanken mit hoher Härte und Festigkeit ausgebildet sind, um dadurch den Verschleißwiderstand an der Druckkontaktoberfläche 131 lokal zu erhöhen und den Abrieb zu verringern. Ferner werden auch die Druckfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit in diesen kritischen Gravurbereichen verbessert. Andererseits sind innerhalb des Abschnitts 132 zur Ausbildung der Verzahnungsgeometrie alle Bereiche 137 zur Ausbildung der axialen Zahnenden am kleineren Umfang des Kegelzahnrads mit geringerer Härte und Festigkeit ausgebildet, um dadurch die Risszähigkeit in diesen kritischen Gravurbereichen zu verbessern.For the gearing die 100 this means concretely in the tumbling cold forming that, on the one hand, within the section 132 for the formation of the tooth geometry all areas 135 are designed to form the tooth flanks with high hardness and strength, thereby reducing the wear resistance on the pressure-contact surface 131 increase locally and reduce abrasion. Furthermore, the compressive strength and the fatigue strength are improved in these critical engraving areas. On the other hand, within the section 132 for the formation of the tooth geometry all areas 137 formed to form the axial tooth ends on the smaller circumference of the bevel gear with lower hardness and strength, thereby improving the fracture toughness in these critical engraving areas.

Das Verzahnungsgesenk 100 kann wie oben beschrieben hergestellt werden.The gearing die 100 can be prepared as described above.

Auch andere Formwerkzeuge für die Massivumformung eines Metallwerkstoffs können innerhalb ihrer Gravur Bereiche mit unterschiedlichen Materialeigenschaften aufweisen, so dass ein anwendungsoptimiertes Formwerkzeug vorliegt. Insbesondere kann dies ein Verzahnungswerkzeug zur Herstellung einer Verzahnung an einer Welle sein, das ähnlich wie das in der 1 gezeigte Verzahnungswerkzeug bzw. Verzahnungsgesenk 100 ausgebildet sein kann.Other forming tools for the massive forming of a metal material can have areas with different material properties within their engraving, so that there is an application-optimized molding tool. In particular, this may be a gear tool for producing a toothing on a shaft, similar to that in the 1 shown toothing tool or toothing die 100 can be trained.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
VerzahnungsgesenkVerzahnungsgesenk
110110
Werkzeugkörpertool body
111111
Oberseitetop
112112
Unterseitebottom
120120
Auswerferöffnungejector opening
130130
Gravurengraving
131131
DruckkontaktoberflächePressure contact surface
132132
VerzahnungsformungsabschnittTeeth forming section
135135
ZahnflankenformungsbereichTooth flank forming area
137137
ZahnendenformungsbereichTeething forming area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007035493 A1 [0015] DE 102007035493 A1 [0015]

Claims (10)

Formwerkzeug (100) für die Massivumformung eines Metallwerkstoffs, wobei das Formwerkzeug aus einem Stahlmaterial gebildet ist und eine Gravur (130) entsprechend der Form des durch Massivumformung zu fertigenden Bauteils aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial aus dem das Formwerkzeug (100) gebildet ist innerhalb der Gravur (130) Bereiche mit unterschiedlichen Materialeigenschaften aufweist, um hierdurch eine spezifische Anpassung der Widerstandsfähigkeit des Formwerkzeugs (100) an lokal verschiedene Belastungen bei der Massivumformung des Metallwerkstoffs zu erhalten.Molding tool ( 100 ) for the massive forming of a metal material, wherein the mold is formed from a steel material and an engraving ( 130 ) according to the shape of the component to be produced by massive forming, characterized in that the steel material from which the mold ( 100 ) is formed within the engraving ( 130 ) Has regions with different material properties to thereby make a specific adaptation of the resistance of the mold ( 100 ) to obtain locally different loads during the massive deformation of the metal material. Formwerkzeug (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bereiche mit den unterschiedlichen Materialeigenschaften hinsichtlich Härte und Zähigkeit, Festigkeit und/oder thermischer Leitfähigkeit unterscheiden.Molding tool ( 100 ) according to claim 1, characterized in that differ the areas with different material properties in terms of hardness and toughness, strength and / or thermal conductivity. Formwerkzeug (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche mit den unterschiedlichen Materialeigenschaften deutlich zueinander abgegrenzt sind.Molding tool ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the areas with the different material properties are clearly delimited from each other. Formwerkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial aus dem das Formwerkzeug (100) gebildet ist ein Mischmaterial ist, wobei die Bereiche mit den unterschiedlichen Materialeigenschaften durch lokal verschiedene Legierungszusammensetzungen gebildet sind.Molding tool ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the steel material from which the mold ( 100 ) is a mixed material, wherein the regions with the different material properties are formed by locally different alloy compositions. Formwerkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein aus einem massiven Stahlblock hergestelltes Frästeil, Drehteil und/oder Erodierteil ist.Molding tool ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that this is a milled part made of a solid steel block, turned part and / or Erodierteil. Formwerkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einteilig ausgebildet ist.Molding tool ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that this is formed in one piece. Formwerkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gravur (130) wenigstens einen Abschnitt (132) zur Ausbildung einer Verzahnungsgeometrie aufweist, wobei innerhalb dieses Abschnitts (132) die Bereiche (135) zur Formung der Zahnflanken mit hoher Härte und Festigkeit ausgebildet sind.Molding tool ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the engraving ( 130 ) at least one section ( 132 ) to form a gearing geometry, whereby within this section ( 132 ) the areas ( 135 ) are formed for forming the tooth flanks with high hardness and strength. Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs (100) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 7, umfassend die folgenden Schritte: – Herstellen eines hinsichtlich der Materialeigenschaften homogenen Werkzeugkörpers (110) mit einer daran ausgebildeten Gravur (130) durch Gießen, Fräsen, Drehen und/oder Erodieren eines Stahlmaterials; und – Erzeugen von Bereichen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften innerhalb der Gravur (130) durch partielles Wärmebehandeln und/oder partielles Kaltverfestigen des Stahlmaterials.Method for producing a molding tool ( 100 ) according to one of the preceding claims 1 to 7, comprising the following steps: - producing a tool body which is homogeneous with respect to the material properties ( 110 ) with an engraving formed thereon ( 130 ) by casting, milling, turning and / or eroding a steel material; and - creating areas with different material properties within the engraving ( 130 ) by partial heat treatment and / or partial strain hardening of the steel material. Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs (100) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 7, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines massiven Stahlblocks, dessen Stahlmaterial im Hinblick auf das herzustellende Formwerkzeug (100) bereits inhomogene Materialeigenschaften aufweist; und – Erzeugen des Werkzeugkörpers (110) mit einer daran ausgebildeten Gravur (130) durch Fräsen, Drehen und/oder Erodieren des Stahlblocks.Method for producing a molding tool ( 100 ) according to one of the preceding claims 1 to 7, comprising the following steps: - providing a solid steel block whose steel material with respect to the mold to be produced ( 100 ) already exhibits inhomogeneous material properties; and - generating the tool body ( 110 ) with an engraving formed thereon ( 130 ) by milling, turning and / or eroding the steel block. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der massive Stahlblock, dessen Stahlmaterial inhomogene Materialeigenschaften aufweist, zuvor durch einen Mehrkomponentenguss mit verschiedenen Stahlsorten erzeugt wird.A method according to claim 9, characterized in that the solid steel block whose steel material has inhomogeneous material properties, is previously produced by a multi-component casting with different steel grades.
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