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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen und einstückigen und aus einem massiven metallischen Werkstoff gebildeten Zahnrads, welches insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeuggetriebe vorgesehen ist, das einen Grundkörper mit einer Außenverzahnung (Laufverzahnung) und einer konzentrischen Bohrung aufweist, wobei diese konzentrische Bohrung mit einer von einer Kreisform abweichenden Innenkontur ausgebildet ist, um hierüber das Zahnrad drehfest auf einer Welle anordnen zu können.
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Die Herstellung von Zahnrädern in der zuvor genannten Bauweise gestaltet sich in der Regel recht aufwändig. Diesbezüglich wird z. B. auf die
DE 603 14 056 T2 (siehe dort
5B) hingewiesen. Die Außenverzahnung solcher Zahnräder wird typischerweise mit teilenden und insbesondere mit schneidenden oder spanabhebenden Fertigungsverfahren (bspw. Fräsen und/oder Schaben) erzeugt bzw. ausgebildet. Die Außenverzahnung kann jedoch auch mit diversen umformenden Fertigungsverfahren, d. h. ohne spanabhebende Formgebung, erzeugt werden, wozu stellvertretend auf die
DE 100 65 737 A1 verwiesen wird. Die Innenkontur solcher Zahnräder, sofern diese von einer Kreisform abweicht und vorgegebene Toleranzen einzuhalten sind, wird in der Praxis meist mit teilenden und insbesondere mit zerspanenden Fertigungsverfahren, wie bspw. durch Räumen mittels Räumnadel, erzeugt.
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Aus der
DE 10 2007 016 893 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades bekannt, bei dem ein ringförmiger Rohling zwischen zwei Stempeln einer Vertikalpresse eingesetzt wird, deren unterer Stempel als eine Matrize für die Außenverzahnung des Zahnrades ausgebildet ist. Zugleich wird von unten ein Kernstab eingesetzt, dessen Außenkontur ein Negativ der Innenkontur des Zahnrades darstellt. Sodann wir der obere Stempel der Presse mit einem pulsierenden Druck beaufschlagt, um den Rohling in die Matrize zu „hämmern“ und die Zahnrad-Außenkontur durch Rückwärtsfließpressen auszubilden, während zugleich der Kernstab nach oben gezogen wird, um die Zahnrad-Innenkontur durch Vorwärtsfließpressen auszubilden. Im Anschluss wird das erzeugte Zahnrad ausgestoßen, ohne dass die Druckschrift hierzu nähere Details offenbaren würde.
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Aus der
DE 37 01 703 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein kalottenförmig ausgehöhlter, kegelstumpfförmiger Rohling im Wesentlichen kräftefrei in eine aus zwei Gesenken gebildete Form eingelegt und dann innerhalb der Form mittels eines Presstempels, dessen Außenkontur einem Negativ der Zahnrad-Innenkontur entspricht, gegen eine gegenüberliegende Wandung, die einem Negativ der Zahnrad-Außenkontur entspricht, gepresst wird.
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Aus der
DE 699 15 046 T2 ist ein Verfahren zur Endformung eines bereits weitgehend vorgeformten Rohlings zu einem Hypoidzahnrad durch Taumelschmieden bekannt. Ein ähnliches Verfahren wird in der
DE 10 2010 052 691 A1 offenbart.
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Die
DE 10 2005 033 188 A1 beschreibt die Herstellung eines Präzisionsbauteils aus einem Rohling, der durch Ablängen und Ausbohren von Stangenmaterial gewonnen wird.
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Aus der
DE 196 30 115 A1 ist ein Verfahren zum Schmieden eines Zahnrades bekannt, das mindestens drei unterschiedliche Pressschritte in unterschiedlichen Pressen umfasst und damit höchst aufwändig ist.
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All diese bekannten Verfahren zeigen schöne Ansätze für die Herstellung qualitativ hochwertiger Umformprodukte, insbesondere Zahnräder. Es fehlt jedoch an der Darstellung einer in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht optimierten Gestaltung der gesamten Produktionskette mit aufeinander abgestimmten Einzelschritten.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine effektive und wirtschaftliche Möglichkeit zur Herstellung eines Zahnrads der eingangs genannten Bauweise anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. d. h. durch ein Verfahren umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- - horizontales Schmieden eines ringförmigen und aus einem massiven metallischen Werkstoff gebildeten Rohlings,
- - inkrementelles Umformen dieses Rohlings mittels einer Umformpresse mit zwei Werkzeugteilen, von denen eines mit einer Matrize, welche eine der Außenverzahnung entsprechende, negative Innen-Verzahnungskontur aufweist, sowie mit einem Auswerfer versehen ist, wobei sowohl die Außenverzahnung als auch die Innenkontur der konzentrischen Bohrung in einem einzigen Arbeitshub im Wesentlichen mit Endgeometrie ausgebildet werden, und
- - Herausdrücken des resultierenden Zahnrades aus der Matrize mit Hilfe einer drehenden Auswerfbewegung des Auswerfers.
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Die nachfolgend erläuterten und/oder die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale und Merkmalskombinationen betreffen bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale und die nachfolgenden Erläuterungen gelten analog für alle Erfindungsgegenstände.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung eines einteiligen und einstückigen und aus einem massiven metallischen Werkstoff gebildeten Zahnrads, das einen Grundkörper mit einer schrägen Außenverzahnung (die auch als Laufverzahnung bezeichnet werden kann) und mit einer zur Außenverzahnung konzentrischen bzw. axialen, mittigen Bohrung aufweist, wobei diese konzentrische Bohrung mit einer von einer Kreisform abweichenden Innenkontur ausgebildet ist (wie nachfolgend noch näher erläutert), um hierüber das Zahnrad unter Ausbildung einer formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung drehfest auf einer Welle anordnen zu können. Unter einer konzentrischen Bohrung wird eine gerade Bohrung verstanden, deren Längsachse (die auch der Drehachse entspricht) identisch ist mit der Mittelachse eines Außenverzahnungskreises. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine Durchgangsbohrung, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Zahnrads erstreckt. Bevorzugt ist die Innenkontur über der axialen Längserstreckung der konzentrischen Bohrung mit konstantem Querschnitt ausgebildet. Ein solches Zahnrad ist insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeuggetriebe vorgesehen.
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Ein massiver metallischer Werkstoff zeichnet sich durch eine zusammenhängende, dichte, kompakte und geschlossene Gefügestruktur aus. Ein pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff ist kein massiver metallischer Werkstoff im Sinne der Erfindung. Auch ein Blechmaterial ist aufgrund seiner Definitionsmerkmale kein massiver metallischer Werkstoff im Sinne der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht demnach sowohl für das Erzeugen bzw. Ausbilden der Außenverzahnung als auch für das Erzeugen bzw. Ausbilden der Innenkontur der konzentrischen Bohrung eine umformende Formgebung vor. Eine spanabhebende Formgebung ist nicht vorgesehen. Gleichwohl kann eine spanabhebende Bearbeitung, wie bspw. eine abschließende Hartfeinbearbeitung, der Außenverzahnung und/oder der Innenkontur vorgesehen sein (wobei hierbei insbesondere nur wenige Zehntel bis Hundertstel Millimeter abgetragen werden), was durch die Formulierung „im Wesentlichen“ angezeigt ist. In vorteilhafter Weise kommt das erfindungsgemäße Verfahren ohne ein kostenintensives Zerspanen und einem damit einhergehenden Materialverlust aus. Ferner wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erhebliche Verringerung der Herstellzeit (Fertigungszeit) erzielt, so dass z. B. mit einem kleinen Maschinenpark in kurzer Zeit verhältnismäßig viele Zahnräder kostengünstig hergestellt werden können. Aufgrund der aus dem Umformen resultierenden ununterbrochenen Faserverläufe weisen die hergestellten Zahnräder zudem eine sehr hohe Festigkeit und Robustheit auf.
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Die Außenverzahnung und die Innenkontur der konzentrischen Bohrung könnten grundsätzlich zeitversetzt und insbesondere in unmittelbar aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten erzeugt werden. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Außenverzahnung und die von einer Kreisform abweichende Innenkontur der konzentrischen Bohrung beim Umformen im Wesentlichen nicht nacheinander, sondern im Wesentlichen gleichzeitig, d. h. quasi in einem Fertigungsschritt, erzeugt bzw. ausgebildet werden. Speziell ist vorgesehen, dass dieses gleichzeitige Erzeugen bzw. Ausbilden der Außenverzahnung und der Innenkontur der konzentrischen Bohrung innerhalb eines Pressen-Arbeitshubs erfolgt, so dass im Normalfall eine einfachwirkende Umformpresse (oder dergleichen) für die Umformung ausreichend ist.
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Das Umformen (zur Ausbildung der Außenverzahnung und der Innenkontur der konzentrischen Bohrung) und insbesondere das gleichzeitige Umformen erfolgt mit einem inkrementellen Umformverfahren (wie nachfolgend näher erläutert). Insbesondere handelt es sich um ein inkrementelles Massivumformverfahren. Massivumformverfahren unterscheiden sich grundlegend zu Blechumformverfahren, wobei beim Massivumformen eines massiven Rohlings hohe Formänderungsgrade (insbesondere mit großen Querschnittsveränderungen) erzielbar sind. Ein inkrementelles Massivumformverfahren zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass der Rohling bzw. das Werkstück nur sukzessive, d. h. schrittweise oder fortlaufend, in einzelnen zur Umformzone gehörenden Werkstückbereichen umgeformt wird. Die Vorteile inkrementeller Umformverfahren in der Massivumformung sind in einem verhältnismäßig einfachen Aufbau der Werkzeuge und den gegenüber anderen Umformverfahren der Massivumformung deutlich geringeren Kraftbedarfen zu sehen.
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Bevorzugt erfolgt das (inkrementelle) Umformen durch Taumelpressen bzw. Taumelumformen, wobei entsprechende Vorrichtungen und Werkzeuge zum Einsatz kommen. Ein Taumelwerkzeug besteht in der Regel aus einem oberen Werkzeugteil und einem unteren Werkzeugteil, die zueinander eine Taumelbewegung ausführen, wie nachfolgend noch näher erläutert. Zur Erläuterung wird ergänzend auch auf die
DE 10 2005 024 908 A1 derselben Anmelderin verwiesen.
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Zur Ausbildung der Außenverzahnung kann eines der Werkzeugteile, bevorzugt das obere und insbesondere das untere Werkzeugteil mit einer Matrize, die eine entsprechende negative Innen-Verzahnungskontur aufweist, ausgebildet sein. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine gekühlte Matrize. Zur Ausbildung der Innenkontur der konzentrischen Bohrung kann eines der Werkzeugteile, bevorzugt das obere und insbesondere das untere Werkzeugteil mit einem Stempel oder Dorn, der eine entsprechende negative Außenkontur aufweist, ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weist das untere Werkzeugteil sowohl einen Abschnitt zur Ausbildung einer Außenverzahnung als auch einen Abschnitt zur Ausbildung der Innenkontur der konzentrischen Bohrung auf. Beim inkrementellen Umformen wird der in der Regel im unteren Werkzeugteil aufgenommene Rohling (Werkstück) gegen das obere Werkzeugteil gepresst (oder umgekehrt). Das obere Werkzeugteil führt eine taumelnde Bewegung in einem bestimmten Winkel (bspw. zwischen 0° und 2°) zu einer Taumelachse aus, wodurch immer nur eine verhältnismäßig kleine Kontaktfläche zwischen dem oberen Werkzeugteil und dem Werkstück gegeben ist. Dadurch wirkt die Umformkraft immer nur partiell und konzentriert auf eine bestimmte Teilfläche des Werkstücks, woraus ein gutes Fließverhalten des Materials resultiert und verhältnismäßig große Formänderungen realisierbar sind.
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Das inkrementelle Umformen kann aber auch durch Drehschmieden erfolgen, wobei der gleiche Effekt wie beim Taumelumformen durch zwei rotierende und relativ zueinander verfahrbare Werkzeuge, deren Rotationsachsen in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind, realisiert wird. Auch das Drehschmieden wird nachfolgend noch näher erläutert.
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Die Umformtemperatur beim Umformen kann Raumtemperatur (Kaltumformung) oder eine erhöhte Temperatur von circa 200 °C (Lauwarmumformung) oder von mehr als 200 °C jedoch maximal nicht mehr als 850 °C (Halbwarmumformung) sein. Bevorzugt wird die Temperatur so gewählt, das keine Verzunderung des metallischen Werkstoffs am Werkstück eintritt.
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Der ringförmige, vorzugsweise ringzylindrische und insbesondere kreisringzylindrische Rohling besteht aus einem zum Schmieden geeigneten massiven Metallmaterial, wobei es sich vorrangig um ein Stahlmaterial handelt. Dieser Rohling wird durch horizontales Schmieden eines Butzens erzeugt werden. Der Butzen kann durch Ablängen eines Stangenmaterials erzeugt werden. Das horizontale Schmieden kann mehrere in unterschiedlichen Schmiedewerkzeugen oder in einem Schmiede-Folgeverbundwerkzeug mit Werkstücktransfer durchgeführte Teilschritte umfassen, um aus dem Butzen den Rohling zu erzeugen. Etwaige Teilschritte können z. B. ein Stauchen, ein Vorformen, ein Nachformen (oder auch Fertigformen) und ein Lochen (zum Erzeugen einer Durchgangsbohrung) sein, wobei alle diese Teilschritte auf derselben Schmiedemaschine ausgeführt werden können. Bei dieser Schmiedemaschine handelt es sich um eine horizontale Schmiedepresse und insbesondere um eine horizontale Schnellschmiedepresse, die bspw. mit bis zu 180 Hub pro Minute betrieben werden kann. Das Entformen des Rohlings aus dem Schmiedewerkzeug bzw. Schmiedegesenk erfolgt stückfallend, wobei der Rohling z. B. mittels Druckbolzen aus dem Schmiedegesenk herausgedrückt und dann schwerkraftbedingt nach unten auf eine Fördereinrichtung oder in einen Auffangkorb (oder dergleichen) fällt. Die Schmiedetemperatur liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1000 °C und 1300 °C. Der Rohling wird insbesondere ohne eine Verzahnungsvorform für die Außenverzahnung und ohne eine spezielle Vorform für die Innenkontur (die von einer Kreisform abweicht) der konzentrischen Bohrung erzeugt und für das nachfolgende Umformen bereitgestellt. Ein solcher Rohling kann auch als vorformfrei bzw. vorformlos bezeichnet werden; d. h. der Rohling nimmt keine charakteristischen Gestaltungsmerkmale der Außenverzahnung und/oder der von einer Kreisform abweichenden Innenkontur der konzentrischen Bohrung vorweg.
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Es kann vorgesehen sein, dass der ringförmige Rohling vor dem Umformen (zur Ausbildung der Außenverzahnung und/oder der Innenkontur der konzentrischen Bohrung) wärmbehandelt wird. Ein Wärmebehandeln erfolgt bevorzugt im Hinblick auf die nachfolgende Umformoperation, um hierfür gute Werkstoffeigenschaften einzustellen. Ein solches Wärmebehandeln kann aber auch im Hinblick darauf erfolgen, gute Werkstoffeigenschaften für ein nachfolgendes spanabhebendes Bearbeiten (insbesondere ein Ausbohren oder Ausdrehen, wie nachfolgend noch näher erläutert) zu erzielen. Ein Wärmebehandeln kann z. B. ein geführtes Abkühlen des Rohlings nach dem Schmieden und/oder ein gesondertes Glühen (bspw. Weichglühen) des Rohlings mit oder ohne geführtem Abkühlen sein. Das Wärmebehandeln kann optional in einer Schutzgasatmosphäre erfolgen.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der ringförmige Rohling vor dem Umformen (zur Ausbildung der Außenverzahnung und/oder der Innenkontur der konzentrischen Bohrung) gereinigt wird. Eine Reinigung kann erforderlich sein, um etwaige auf dem Rohling befindliche Schmiermittelrückstände und/oder Zunderschichten zu entfernen. Ein solches Reinigen des Rohlings kann bspw. ein Nassreinigen, ein Bürsten, ein Schleifen und dergleichen umfassen. Ein solches Reinigen des Rohlings kann auch ein Kugel- oder Sandstrahlen mit abrasiven Mitteln umfassen.
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Ferner kann es von Vorteil sein, vor dem Umformen (zur Ausbildung der Außenverzahnung und/oder der Innenkontur der konzentrischen Bohrung) auf den ringförmigen Rohling ein flüssiges, pastöses und/oder festes (auch pulverförmiges) Schmiermittel aufzutragen. Alternativ oder ergänzend können auch die Wirkflächen des Umformwerkzeugs mit einem Schmiermittel beschichtet werden.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Innenfläche des ringförmigen, vorzugsweise ringzylindrischen und insbesondere kreisringzylindrischen Rohlings vor dem Umformen (zur Ausbildung der Innenkontur der konzentrischen Bohrung) durch spanabhebendes Ausbohren oder Ausdrehen in eine exakt zur Außenfläche bzw. Außenumfangsfläche konzentrische Lage und/oder Form (bzw. Kontur) gebracht wird. Dies ist von Vorteil im Hinblick auf den gleichmäßigen Materialfluss während der Umformung und somit auf die Genauigkeit der Lage der inneren Funktionsfläche zur äußeren Funktionsfläche am späteren Fertigteil. Das Ausbohren oder Ausdrehen erfolgt bevorzugt nach einem Wärmebehandeln und gegebenenfalls Reinigen des Rohlings.
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Nach dem Umformen (zur Ausbildung der Außenverzahnung und/oder der Innenkontur der konzentrischen Bohrung) kann ein Härten des metallischen Werkstoffs erfolgen. Das Härten kann ein Durchhärten oder Oberflächenhärten sein. Gegebenenfalls ist ein nur bereichsweises Härten vorgesehen. Einem solchen Härten kann sich optional eine Hartfeinbearbeitung, wobei es sich insbesondere um eine spanabhebende Bearbeitung handelt, anschließen. Die Hartfeinbearbeitung kann z. B. ein Schleifen der Außenverzahnung umfassen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads kann weitere vorausgehend und/oder nachfolgend nicht näher erläuterte Verfahrensschritte, Zwischenschritte und/oder Teilschritte umfassen.
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Die Hauptumformung des Werkstücks bzw. Rohlings, insbesondere im Bereich der Außenverzahnung und der konzentrischen Bohrung, erfolgt im Wesentlichen in einer Richtung quer zur Längs- bzw. Mittelachse des Grundkörpers. Eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück bzw. Rohling und wenigstens einem formgebenden Werkzeug in Richtung der Längs- bzw. Mittelachse findet nicht oder nur in einem geringen Umfang statt. Damit weisen die derart hergestellten Zahnräder insbesondere im Bereich der konzentrischen Bohrung, die mit einer von einer Kreisform abweichenden Innenkontur ausgebildet ist, einen Faserverlauf auf, der quer und insbesondere im Wesentlichen senkrecht zur Längs- bzw. Mittelachse des Grundkörpers bzw. radial orientiert ist. Im Bereich der Außenverzahnung weisen die derart hergestellten Zahnräder insbesondere einen Faserverlauf auf, der im Wesentlichen in Verzahnungsrichtung und insbesondere in radialer Richtung (beim Stirnzahnrad) orientiert ist. Solche Faserverläufe sind sehr vorteilig.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die konzentrische Bohrung mit einem Keilwellenprofil (bzw. einer Innenkeilverzahnung), einem Polygonprofil oder einer Kerbverzahnung (bzw. einer Innensteckverzahnung), insbesondere in der Art einer geraden (d. h. nicht schrägen) Evolventenverzahnung mit vorzugsweise kurzen Zähnen (so genannte Kurzverzahnung), ausgebildet ist. Keilwellenprofile, Polygonprofile und Kerbverzahnungen zur Ausbildung formschlüssiger Welle-Nabe-Verbindungen sind als solche in verschiedenen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Figuren beispielhaft und in nicht einschränkender Weise näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
- 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein schrägverzahntes Stirnzahnrad, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
- 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Kegelzahnrad, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
- 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen kreisringzylindrischen Rohling zur Herstellung eines in der 1 oder 2 gezeigten Zahnrads.
- 4 veranschaulicht einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Herstellung eines in der 1 oder 2 gezeigten Zahnrads.
- 5 zeigt in einer perspektivischen Schnittansicht eine Taumelumformvorrichtung zur Durchführung eines Taumelumformvorgangs.
- 6 zeigt in perspektivischen Ansichten zwei korrespondierende Werkzeugteile, die in einer Taumelumformvorrichtung gemäß 5 verwendet werden können.
- 7 zeigt in einer Schnittansicht eine alternative Werkzeuggestaltung zur Verwendung in einer Taumelumformvorrichtung gemäß 6.
- 8 zeigt in einer perspektivischen Schnittansicht eine Drehschmiedeumformvorrichtung zur Durchführung eines Drehschmiedeumformvorgangs.
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1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Zahnrad, wobei es sich um ein so genanntes Stirnzahnrad handelt, das z. B. in einem Fahrzeuggetriebe verbaut werden kann. Das Zahnrad 100 weist einen ringzylindrischen Grundkörper 110 mit zwei gegenüberliegenden Stirnseiten bzw. Stirnflächen auf. An seiner Außenumfangsfläche ist der Grundkörper 110 mit einer Außenumfangsverzahnung 120 ausgebildet, wobei es sich um eine Schrägverzahnung handelt.
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Ferner weist das Zahnrad 100 bzw. der Grundkörper 110 eine konzentrische Durchgangsbohrung 130 auf. Unter Konzentrizität wird verstanden, dass die Längsachse der Bohrung 130 mit der Mittelachse der Außenumfangsverzahnung 120 zusammenfällt, wobei die gemeinsame Achse L auch der Drehachse des Zahnrads 100 entspricht. Die Innenkontur dieser konzentrischen Bohrung 130 ist mit einer geraden (d. h. in Axialrichtung verlaufenden) kurzzahnigen Kerbverzahnung 131 ausgebildet und weist somit eine von einer Kreisform abweichende Innenkontur auf. Mittels dieser Kerbverzahnung 131 kann das Zahnrad 130 drehfest auf einer Welle angeordnet werden, wobei die Welle im Verbindungsbereich eine zur Kerbverzahnung 131 korrespondierende Verzahnung aufweist.
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2 zeigt ein insgesamt mit 200 bezeichnetes Zahnrad, wobei es sich um ein so genanntes Kegelzahnrad handelt, das ebenfalls z. B. in einem Fahrzeuggetriebe verbaut werden kann. Abweichend zu dem in der 1 gezeigten Stirnzahnrad 100 ist dieses Kegelzahnrad 200 mit einer Kegelverzahnung 220 ausgebildet. Wie auch das in der 1 gezeigte Stirnzahnrad 100 weist das Kegelzahnrad 200 eine konzentrische Durchgangsbohrung 230 auf, wobei die Innenkontur dieser konzentrischen Bohrung 230 ebenfalls mit einer kurzzahnigen Kerbverzahnung 231 ausgebildet ist. Mit 210 ist der Grundkörper bezeichnet.
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Es ist vorgesehen, dass die Herstellung der in den 1 und 2 gezeigten Zahnräder 100 und 200 das Umformen eines ringförmigen Rohlings 300 (siehe 3) umfasst, wobei sowohl die Außenverzahnungen 120 bzw. 220 als auch die Kerbverzahnungen 131 bzw. 231 durch eine umformende Formgebung erzeugt bzw. ausgebildet werden. Eine spanabhebende Formgebung hierfür ist nicht vorgesehen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Außenverzahnungen 120 bzw. 220 und die Kerbverzahnungen 131 bzw. 231 im Wesentlichen gleichzeitig, d. h. innerhalb eines Pressen-Arbeitshubs, erzeugt werden, was bspw. mittels Taumelpressen oder Drehschmieden erfolgen kann, wie nachfolgend näher erläutert.
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3 zeigt einen kreisringzylindrischen Rohling 300 der bspw. durch Schmieden eines Butzens erzeugt wurde, wie obenstehend erläutert. Die Form erinnert an einen Rohrabschnitt, wobei der Außendurchmesser größer als die axiale Länge (in Richtung der Längsachse L) sein kann. Der Rohling 300 weist einen Grundkörper 310 mit einer konzentrischen kreisrunden Durchgangsbohrung 330 mit einer zylindrischen Innenfläche 331 auf. Die Außenumfangsfläche ist mit 320 bezeichnet. Die Mittel- bzw. Längs- oder auch Rotationsachse ist mit L angegeben. Die radiale Richtung, senkrecht zur Längs- bzw. Mittelachse L, ist mir R angegeben. Dementsprechend sind die Bezugszeichen L und R auch in den 1 und 2 angegeben.
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4 zeigt schematisch einen Verfahrensablauf zur Herstellung der Zahnräder 100 und 200, wozu im Einzelnen auf die diesbezüglichen obenstehenden Erläuterungen verwiesen wird. In einem ersten Verfahrensschritt 10 wird durch horizontales Schmieden der Rohling 300 erzeugt. In einem Verfahrensschritt 20 wird der Rohling 300 wärmebehandelt und anschließend in einem Verfahrensschritt 30 gereinigt. In einem Verfahrensschritt 40 wird die Durchgangsbohrung 330 im Rohling 300 durch Ausbohren oder Ausdrehen in eine exakt zur Außenumfangsfläche 320 konzentrische Lage und Form gebracht. Anschließend wird der Rohling 300 in einem Arbeitsschritt 50 einer Umformung unterzogen, wobei sowohl die Außenverzahnungen 120 bzw. 220 als auch die Kerbverzahnungen 131 bzw. 231 durch eine umformende Formgebung erzeugt werden. Bei einer schrägen Außenumfangsverzahnung wie bei dem Stirnrad 100 von 1 erfolgt der Ausstoßvorgang, d. h. das Herausdrücken aus der formgebenden Matrize, mit Hilfe einer drehenden Auswerfbewegung des Druckbolzens oder dergleichen. Dies ist bei der Geradverzahnung des in 2 gezeigten Kegelrades nicht möglich.
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In einem Verfahrensschritt 60 erfolgt ein Härten. Diesem Härten kann in einem Verfahrensschritt 70 eine abschließende Hartfeinbearbeitung, wobei es sich insbesondere um eine spanabhebende Bearbeitung handelt, folgen. Diese Hartfeinbearbeitung kann z. B. ein Hartdrehen der Stirnseiten, ein Schleifen der Außenumfangsverzahnung 120 oder ein Harträumen der Kegelverzahnung 220 einschließen.
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Das anhand der 4 erläuterte Verfahren zur Herstellung eines Zahnrads 100 bzw. 200 kann weitere vorausgehend nicht näher erläuterte Verfahrensschritte, Zwischenschritte und/oder Teilschritte umfassen.
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5 veranschaulicht den Verfahrensschritt 50, bei dem der Rohling bzw. das Werkstück 300 zur Erzeugung eines Stirnzahnrads 100 einem Taumelumformen unterzogen wird. Die nur schematisch und nicht maßstabsgerecht dargestellte Taumelumformvorrichtung 400, die in einer nicht gezeigten Taumelumformpresse eingebaut ist, weist eine obere Werkzeugaufnahme 415 und eine untere Werkzeugaufnahme 425 auf, die ergänzend mit Kühleinrichtungen (bspw. Kühlkanälen) und Auswerfereinrichtungen ausgebildet sein können. In der oberen Werkzeugaufnahme 415 ist eine Taumelglocke 417 angeordnet, die ein oberes Werkzeugteil 410 trägt. In der unteren Werkzeugaufnahme 425 ist ein unteres Werkzeugteil 420 angeordnet.
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6 zeigt die Werkzeugteile 410 und 420. Das obere Werkzeugteil 410 weist zur Ausbildung bzw. zum Erzeugen einer Außenumfangsverzahnung 120 am Werkstück 300 eine Matrize 412 mit einer entsprechenden negativen Verzahnungskontur 413 auf. Das untere Werkzeugteil 420 weist zur Ausbildung bzw. zum Erzeugen einer Innen-Kerbverzahnung 131 am Werkstück 300 einen Stempel bzw. Dorn 422 mit einer entsprechenden negativen Verzahnungskontur 423 auf. Die Längs- bzw. Mittelachse L entspricht den in den 1, 2 und 3 gezeigten Längs- und Mittelachsen L. Gleiches gilt für die radiale Erstreckung R.
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Zum inkrementellen Taumelumformen wird der Rohling bzw. das Werkstück 300 zwischen den Werkzeugteilen 410 und 420 positioniert. Der auf dem unteren Werkzeugteil 420 aufliegende Rohling 300 wird durch Aufbringen einer in Längsrichtung L wirkenden Kraft F am unteren Werkzeugteil 420 gegen das obere Werkzeugteil 410 gepresst. Gleichzeitig führt die Taumelglocke 417 mit dem oberen Werkzeugteil 410 eine taumelnde Bewegung M1 (bspw. mit einem Taumelraumwinkel zwischen 0° und 2°) um eine Taumelachse T aus. Die Taumelachse T fällt mit der Mittel- bzw. Längsachse L zusammen. Durch das Taumeln ist immer nur eine verhältnismäßig kleine Kontaktfläche zwischen dem oberen Werkzeugteil 410 und dem Werkstück 300 gegeben. Dadurch wirkt die Umformkraft immer nur partiell und konzentriert auf eine bestimmte Teilfläche des Werkstücks 300 (partielles Drücken), woraus ein gutes Fließverhalten des metallischen Materials bzw. Werkstoffs resultiert und verhältnismäßig große Formänderungen realisierbar sind. Das Material bzw. der massive metallische Werkstoff des Werkstücks 300 wird hierbei sukzessive im Wesentlichen in radialer Richtung (d. h. quer zur Längs- bzw. Mittelachse L; siehe Bezugszeichen R in 3) sowohl in die Matrize 412 im oberen Werkzeugteil 410 hineingedrückt als auch gegen den Stempel bzw. Dorn 422 im unteren Werkzeugteil 420 gedrückt, wobei sich die Außenumfangsverzahnung 120 und die Innen-Kerbverzahnung 131 ausbilden, was im Wesentlichen gleichzeitig erfolgt. Die Außenumfangsverzahnung 120 und die Innen-Kerbverzahnung 131 werden somit in einem Pressen-Arbeitshub, mit bspw. zwischen 10 und 20 Taumelumläufen, erzeugt. Das erzeugte Stirnzahnrad 100 liegt im Bereich vorgegebener Geometrie-Toleranzen und ist daher im Wesentlichen einbaufertig.
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Die in den 5 und 6 gezeigte Anordnung und Ausgestaltung der Vorrichtungs- und Werkzeugelemente ist lediglich beispielhaft. Das Herstellen eines Kegelzahnrads 200 kann analog zu den vorausgehenden Erläuterungen erfolgen. Für ein Taumelumformen sind abweichend zu der erläuterten Verfahrensvariante auch andere Verfahrensvarianten möglich.
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So zeigt z. B. die 7 eine besonders bevorzugte Werkzeuggestaltung, bei der sowohl die die Außenumfangsverzahnung 120 als auch die die Innen-Kerbverzahnung 131 bildenden Werkzeugelemente im unteren Werkzeugteil 420 angeordnet sind. Alle verzahnungsbildenden Werkzeugelemente sind demnach nur in einem Werkzeugteil angeordnet. Mit 425 und 426 sind die untere Werkzeugaufnahme und ein unterer Haltering bezeichnet. Mit 427 ist ein oberer Haltering bezeichnet. Das untere Werkzeugteil 420 ist in dem gezeigten Beispiel zweitteilig ausgebildet und umfasst ein äußeres matrizenartiges Werkzeugteil 420a und ein inneres stempelartiges Werkzeugteil 420b, die im Wesentlichen wie die in 6 gezeigten Werkzeugteile ausgebildet sein können. Die Anordnung aller verzahnungsbildenden Werkzeugelemente im unteren, nicht taumelnden Werkzeug 420 erweist sich als sehr vorteilig.
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8 veranschaulicht einen alternativen Verfahrensschritt 50, bei dem der Rohling bzw. das Werkstück 300 zur Erzeugung eines Stirnzahnrads 100 einem Drehschmieden unterzogen wird. Die nur schematisch und nicht maßstabsgerecht dargestellte Drehschmiedeumformvorrichtung 500, die in einer nicht gezeigten Drehschmiedeumformpresse eingebaut ist, weist eine obere Werkzeugaufnahme 515 und eine untere Werkzeugaufnahme 525 auf. Ergänzend können Kühleinrichtungen (bspw. Kühlkanäle) und Auswerfereinrichtungen vorgesehen sein. In der oberen Werkzeugaufnahme 515 ist ein oberes Werkzeugteil 510 mit einem die Innen-Kerbverzahnung 131 ausbildenden Dorn bzw. Dom 512 angeordnet. In der unteren Werkzeugaufnahme 525 ist ein unteres Werkzeugteil 520 zum Ausbilden der Außenumfangsverzahnung 120 angeordnet.
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Zum inkrementellen Drehschmiedeumformen wird der Rohling bzw. das Werkstück 300 zwischen den Werkzeugteilen 510 und 520 positioniert. Der auf dem unteren Werkzeugteil 520 aufliegende Rohling 300 wird durch Aufbringen einer axial wirkenden Kraft F am oberen Werkzeugteil 510 gegen das untere Werkzeugteil 520 gepresst. Gleichzeitig führen das obere Werkzeugteil 510 und das untere Werkzeugteil 520 Drehbewegungen M2 und M3 aus. Aufgrund der in festem Winkel zueinander ausgerichteten Rotationsachsen L2 und L3 ist immer nur eine verhältnismäßig kleine Kontaktfläche zwischen dem oberen Werkzeugteil 510 und dem Werkstück 300 gegeben. Hierdurch wird der gleiche Effekt wie beim Taumelumformen erzielt, ohne dass eine Taumelbewegung erforderlich ist. Für ein Drehschmiedeumformen sind auch andere Verfahrensvarianten möglich.
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Im Rahmen der Erfindung können die in den Figuren gezeigten und/oder vorausgehend erläuterten Merkmale zu weiteren Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verfahrensschritt
- 20
- Verfahrensschritt
- 30
- Verfahrensschritt
- 40
- Verfahrensschritt
- 50
- Verfahrensschritt
- 60
- Verfahrensschritt
- 70
- Verfahrensschritt
- 100
- Stirnzahnrad
- 110
- Grundkörper
- 120
- Außenumfangsverzahnung
- 130
- konzentrische Bohrung
- 131
- Kerbverzahnung
- 200
- Kegelzahnrad
- 210
- Grundkörper
- 220
- Kegelverzahnung
- 230
- konzentrische Bohrung
- 231
- Kerbverzahnung
- 300
- Rohling, Werkstück
- 310
- Grundkörper
- 320
- Außenumfangsfläche
- 330
- konzentrische Bohrung
- 331
- Innenfläche
- 400
- Taumelumformvorrichtung
- 410
- oberes Werkzeugteil
- 411
- Werkzeugkörper
- 412
- Matrize
- 413
- Werkzeug-Innenverzahnungskontur
- 415
- obere Werkzeugaufnahme
- 417
- Taumelglocke
- 420
- unteres Werkzeugteil
- 421
- Werkzeugkörper
- 422
- Werkzeugstempel, Werkzeugdorn
- 423
- Werkzeug-Außenverzahnungskontur
- 425
- untere Werkzeugaufnahme
- 426
- unterer Haltering
- 427
- oberer Haltering
- 500
- Drehschmiedeumformvorrichtung
- 510
- oberes Werkzeugteil
- 512
- Werkzeugstempel, Werkzeugdorn
- 515
- obere Werkzeugaufnahme
- 520
- unteres Werkzeugteil
- 525
- untere Werkzeugaufnahme
- F
- Anpresskraft
- L
- Längs- bzw. Rotationsachse
- L2
- Drehachse, Rotationsachse (oberes Werkzeugteil)
- L3
- Drehachse, Rotationsachse (unteres Werkzeugteil)
- M1
- Taumelbewegung
- M2
- Drehbewegung (oberes Werkzeugteil)
- M3
- Drehbewegung (unteres Werkzeugteil)
- R
- radiale Richtung (radiale Erstreckung)
- T
- Taumelachse
