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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks mit Zentrierbereichen bzw. Zentren für die Bearbeitung zwischen Spitzen aus einem länglichen Rohling oder Zwischenprodukt sowie ein Werkstück mit entsprechenden Zentrierbereichen.
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Es aus dem Stand der Technik bekannt, längliche Bauteile zur Bearbeitung zwischen Spitzen zu spannen, um diese Bauteile, insbesondere bei der Bearbeitung in Drehmaschinen, über die gesamte Fläche bearbeiten zu können, um Spannmacken zu vermeiden oder um das Bearbeiten/Drehen in beide Richtungen zu ermöglichen. Hierzu sind in dem zu bearbeitenden Werkstück an zwei gegenüberliegenden (in Längsrichtung des Werkstücks gesehen) (Stirn-)Flächen Zentren vorgesehen; vorzugsweise kegelförmig ausgebildete Zentren. In das Zentrum auf einer Seite des Werkstücks wird eine angetriebene Spitze und in das gegenüberliegende Zentrum eine mitdrehende Spitze einer Drehmaschine eingeführt und das Werkstück so an dessen gegenüberliegenden (Stirn-)Flächen eingespannt. Die angetriebene Spitze ist maschinenseitig in der Arbeitsspindel der Drehmaschine eingespannt, während die mitdrehende Spitze in dem Reitstock derselben eingespannt ist.
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Bei der Bearbeitung (Drehen, Schleifen, etc.) zwischen Spitzen ist es notwendig, dass die Längentoleranz zwischen den Anlageflächen der Zentren oder andersartiger Zentrierbereiche möglichst gering ist, um eine gleichmäßige Endbearbeitung über mehrere Werkstücke hinweg zu ermöglichen. So kann sich bspw. beim Vorsehen von Verzahnungen in einem Werkstück mittels Bearbeitung zwischen Spitzen die Verzahnung in Längsrichtung des Werkstückes zu weit oder kurz erstrecken und andere geometrische Konturen des Werkstückes oder den Bereich des Eingriffs der Verzahnung somit negativ beeinflussen.
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Es ist zudem für den Abnehmer von vorgefertigten Werkstücken (bspw. Rohlinge für Gleichlaufgelenkwellen), die dieser durch Bearbeitung zwischen Spitzen weiter oder fertig bearbeiten will, in der Regel sehr aufwändig und kostenintensiv, Zentren bspw. durch spanabhebende Verfahren wie Bohren nachträglich in dem Werkstück vorzusehen.
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Auf Seiten des Zulieferers und Herstellers des vorgefertigten Werkstücks können die Zentren generell direkt bei der Herstellung des Werkstücks mit eingebracht werden. Beispielsweise bei der Herstellung von Werkstücken durch Kaltumformung, Halbwarmumformung oder Warmumformung (z. B. Fließpressen) werden Längentoleranzen des Werkstücks von ca. +/–2 mm erreicht. Dies bedeutet für durch Umformen eines Rohlings oder Zwischenprodukts hergestellte Werkstück, dass bei der Umformung mit eingebrachte Zentren – oder besser das Ist-Maß des Abstandes zwischen den Anlageflächen der Zentren oder andersartiger Zentrierbereiche für die Bearbeitung zwischen Spitzen – ebenfalls in einem hohen Toleranzbereich liegen, wobei lediglich minimale Toleranzen von +/–0,6 bis +/–0,8 mm erreicht werden können. Wird ein derartiges Werkstück auf Abnehmerseite weiterbearbeitet, muss die Toleranz je Werkstück einzeln bestimmt werden, um diese bei der Bearbeitung auszugleichen. Dies erfordert wiederum einen hohen Messaufwand sowie anschließend eine individuelle Einstellung der Maschine bei jedem Werkstück, was einen hohen Zeit- und Kostenaufwand bedeutet und eine automatisierte Fertigung nahezu unmöglich macht; allenfalls bei Werkstücken mit geringen Toleranzvorgaben.
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Alternativ ist es auch möglich, das gesamte Werkstück nach dessen Herstellung und nach dem Einbringen von Zentren jedoch i. d. R. vor einer zerspanenden Weiterbearbeitung in einem weiteren Verfahrensschritt zu Stauchen, was einen hohen Arbeits-, Kraft- und Kostenaufwand erfordert. Zudem beeinträchtigt die Stauchung über die gesamte Werkstücklänge die Geometrie des Werkstücks, was das Risiko von Ausschuss erhöht.
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Die
CH 518 775 A zeigt ein keglige Zentrierbohrung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. An eine Sacklochbohrung schließen sich nach außen hin zwei Kegelflächen an, wobei der Übergang zwischen den Kegelflächen mit einer schmalen Umfangsphase versehen ist.
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Die
CH 562 655 A zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zurichten von Drehlingen über deren gesamte Länge. Der Drehling wird dabei insgesamt derart gestaucht, dass er auf eine bestimmte axiale Länge zugerichtet wird.
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Die
US 3,195,221 A zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer selbstschmierenden Zentrieraufnahme.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein Werkstück aus einem länglichen Rohling oder Zwischenprodukt mit einer geringen Längentoleranz sowie ein einfaches Verfahren zur Herstellung desselben bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks aus einem länglichen Rohling oder Zwischenprodukt bereitgestellt. In einem ersten Schritt wird die Werkstückgeometrie beispielsweise durch Umformen des Rohlings oder Zwischenprodukts gebildet, wobei in zwei gegenüberliegende Seiten des Werkstücks bzgl. dessen Längsachse jeweils ein Zentrierbereich für eine spätere Bearbeitung des Werkstücks zwischen Spitzen eingebracht wird, und wobei wenigstens einer der Zentrierbereiche eine Solldeformationsfläche aufweist. In einem zweiten Schritt wird das Werkstück kalibriert, wobei lediglich die Solldeformationsfläche derart umgeformt wird, dass der Abstand zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche für die Bearbeitung zwischen Spitzen auf ein vorbestimmtes Soll-Maß reduziert wird.
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Durch das Vorsehen von Solldeformationsflächen wird eine gegenüber dem Werkstück bzw. dem Zentrierbereich vergleichbar kleine Fläche bereitgestellt. Eine anschließende Deformation dieser kleinen Fläche erfordert einen geringen Kraftaufwand und somit geringen Maschineneinsatz, so dass bspw. kleine Pressen zum Anpassen der Längentoleranz zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche des Werkstücks verwendet werden können. Im Vergleich zu einer Stauchung des gesamten Werkstücks hat die Deformation der vergleichsweise kleinen Solldeformationsfläche auf die Gesamtgeometrie des Werkstücks keinen Einfluss. Es ist somit durch den Kalibriervorgang möglich, die Längentoleranz zwischen den Zentrierbereichen, also die Toleranz des Abstandes der Anlageflächen der Zentrierbereiche für die Bearbeitung zwischen Spitzen, auf einen Wert von ca. +/–0,25 mm, vorzugsweise von +/–0,1 mm (oder weniger) genau anzupassen; was deutlich unterhalb der minimalen Toleranzen der bisher bekannten Verfahren zum Einbringen von Zentrierbereichen während der Herstellung des Werkstücks liegt. Somit können Werkstücke, die für den Hersteller und Zulieferer wirtschaftlich sinnvoll bisher nur ohne Zentrierbereiche hergestellt und ausgeliefert werden konnten, nun auch mit Zentrierbereich gepresst und ausgeliefert werden, wobei insbesondere gleichzeitig hohe Anforderungen an (Längen)Toleranzwerte der Werkstücke erfüllt werden können. Dies wiederum führt zu einer hohen Kosteneinsparung auf Seiten des Abnehmers der Werkstücke, da dieser die Zentrierbereiche nicht mehr nachträglich maschinell einbringen oder die Toleranzen ausgleichen muss. Der Arbeitsaufwand auf Seiten des Herstellers der Werkstücke wird dabei nur minimal erhöht, da die Solldeformationsflächen direkt beim Pressen der Werkstücke mit eingebracht werden und der anschließende Kalibriervorgang mit kleinen Pressen bzw. Pressen mit geringer Presskraft durchführbar ist. Somit wird insgesamt der Arbeits- und Kostenaufwand reduziert.
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Wenigstens einer der Zentrierbereiche kann ein Zentrum sein bzw. aufweisen, welches wiederum vorzugsweise eine kegelförmige Ausnehmung aufweisen kann, wobei die Mantelfläche der kegelförmigen Ausnehmung vorzugsweise einen Winkel von 60° einschließt. Wenigstens einer der Zentrierbereiche kann auch durch sich zu dem jeweils anderen Zentrierbereich hin verjüngende Innenwandbereiche des Werkstücks oder Teilen davon gebildet sein, wobei die Innenwandbereiche vorzugsweise einen Winkel von 60°, also vorzugsweise von jeweils 30° zu/mit der Längsachse des Werkstücks, einschließen. Mit anderen Worten sind die Zentrierbereiche nicht auf eine bestimmte geometrische Ausgestaltung beschränkt, solange sie die Ausbildung erfindungsgemäßer Solldeformationsflächen ermöglichen und eine Zentrierung des Werkstückes bei der Bearbeitung zwischen Spitzen erlauben.
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Die Solldeformationsfläche wird vorzugsweise derart gebildet, dass sie sich als dreidimensionale Formerhebung in den Zentrierbereich bzw. das Zentrum hinein erstreckt. Hierzu kann die dreidimensionale Formerhebung wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei über den Umfang des Zentrierbereichs vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnete konvexe und vorzugsweise punktuelle oder längliche Formerhebungen, wie bspw. halbkugelförmige oder kegelförmige Formerhebungen, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die dreidimensionale Formerhebung auch wenigstens eine sich über wenigstens einen Teil des Umfanges des Zentrierbereichs erstreckende, vorzugsweise im Wesentlichen ring- oder schlauchförmige Formerhebung aufweisen. Es ist somit möglich, eine Solldeformationsfläche mit den bisher bekannten Verfahren zum Bilden der Werkstückgeometrie (insbesondere Umformverfahren) in einem Zentrierbereich (wie bspw. einem Zentrum) vorzusehen, ohne zusätzliche Verfahrensschritte in den Herstellungsprozess zu integrieren. Es ist lediglich eine einmalige Anpassung der bisher verwendeten Pressstempelgeometrie erforderlich. Auch der Kalibriervorgang kann bei der Verwendung dreidimensionaler Solldeformationsflächen mittels eines geringen zusätzlichen Maschineneinsatzes in einfacher Weise durchgeführt werden, um eine Längentoleranz zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche für die Bearbeitung zwischen Spitzen an ein vorbestimmtes Soll-Maß anzupassen.
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Hierzu wird die Solldeformationsfläche beim Kalibriervorgang derart umgeformt oder reduziert, dass der Abstand zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche für die Bearbeitung zwischen Spitzen auf das vorbestimmte Soll-Maß reduziert wird. Das Vorsehen von zusätzlichen Solldeformationsflächen ermöglicht somit eine Anpassung/Kalibrierung der Anlageflächen der Zentrierbereiche mittels einfachen Einsatzes bereits bekannter Verfahren; wie beispielsweise Umformverfahren oder spanabhebende Verfahren. Da zudem nur die Solldeformationsflächen angepasst werden müssen, kann der Einsatz entsprechender Maschinen klein gehalten werden, was wiederum einen vergleichsweise geringen zeitlichen und finanziellen Aufwand bedeutet. Auch kann der Kalibriervorgang automatisiert durchgeführt werden, da die Kalibrierwerkzeuge auf das vorbestimmte Soll-Maß voreingestellt werden können.
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Die Solldeformationsfläche wird beim Kalibriervorgang vorzugsweise durch Einfahren eines im Wesentlichen mit dem Zentrierbereich ausgenommen die Solldeformationsfläche korrespondierenden Kalibrierwerkzeuges umgeformt. Zum Kalibrieren des Werkstücks wird das Kalibrierwerkzeug wiederum vorzugsweise in Längsrichtung des Werkstücks in den Zentrierbereich eingefahren. Vorzugsweise entspricht in einer festgelegten Endposition des Kalibrierwerkzeugs beim Kalibriervorgang der Abstand der Anlageflächen der Zentrierbereiche des Werkstücks für die Bearbeitung zwischen Spitzen dem vorbestimmten Soll-Maß. Besonders vorzugsweise werden zwei mit den Zentrierbereichen korrespondierende Kalibrierwerkzeuge in die Zentrierbereiche in Längsrichtung des Werkstücks eingefahren und derart relativ zueinander (also aufeinander zu) bewegt, dass der Abstand der Kalibrierwerkzeuge in einer festgelegten Endposition beim Kalibriervorgang dem Soll-Maß des Abstandes der Anlageflächen der Zentrierbereiche des Werkstücks für die Bearbeitung zwischen Spitzen entspricht. Auf die vorgenannte Weise werden eine einfache Maschine und ein einfacher Verfahrensschritt bereitgestellt, die bei immer gleicher Einstellung der Maschine, also bei festgelegter Endposition der Werkzeuge beim Kalibriervorgang entsprechend dem vorgegebenen Soll-Maß, durchweg konstante Ergebnisse im kleinen Toleranzbereich liefern; dies zudem unabhängig von den umformungsbedingten Längenschwankungen über die Gesamtlänge des Werkstücks.
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Besonders vorzugsweise weist der Schritt zum Bilden der Werkstückgeometrie wenigstens einen Kaltumformungs-, Halbwarmumformungs- oder Warmumformungsschritt auf. Ebenso weist der Schritt zum Kalibrieren besonders vorzugsweise wenigstens einen Kaltumformungs-, Halbwarmumformungs- oder Warmumformungsschritt auf. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Schritt zum Kalibrieren ein spanabhebendes Verfahren umfasst, beispielsweise Bohren; das Kalibrierwerkzeug ist in diesem Fall der Bohrer, dessen Verschleiß aufgrund der bzgl. der gesamten Fläche des Zentrierbereichs kleinen zu bearbeitenden Fläche deutlich reduziert ist zu einem Fall, bei dem der gesamte Zentrierbereich (bspw. Zentrum) mittels spanabhebender Verfahren gefertigt wird. Das Umformen und Kalibrieren des Werkstücks geschieht somit in wenigen Schritten und bei Verwendung von bereits bekannten Verfahren und mittels vorhandener Maschinen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Werkstück aus einem länglichen Rohling oder Zwischenprodukt bereitgestellt, wobei das Werkstück an zwei bzgl. der Längsachse des Werkstücks gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Zentrierbereich für eine Bearbeitung zwischen Spitzen aufweist. Wenigstens einer der Zentrierbereiche weist erfindungsgemäß wenigstens eine Solldeformationsfläche auf.
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Durch das Vorsehen einer Solldeformationsfläche in wenigstens einem Zentrierbereich wird ein Werkstück bereitgestellt, welches einen leicht zu verformenden Bereich lediglich im Zentrierbereiche aufweist, um, unabhängig von einer umformungsbedingten Längenschwankung des Werkstücks, den Abstand zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche für eine Bearbeitung zwischen Spitzen innerhalb eines geringen Toleranzbereichs und auf einfache und energiesparende Weise zu generieren.
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Wenigstens einer der Zentrierbereiche kann ein Zentrum sein bzw. aufweisen, welches wiederum vorzugsweise eine kegelförmige Ausnehmung aufweist. Dies ermöglicht die Verwendung von bekannten (Körner-)Spitzen, um das Werkstück zwischen Spitzen zu spannen und zu bearbeiten. Besonders vorzugsweise schließt die Mantelfläche der kegelförmigen Ausnehmung einen Winkel von 60° (60° Kegel) ein, was der Geometrie der üblicherweise verwendeten (Körner)Spitzen entspricht. Auf diese Weise können abnehmerübergreifend vereinheitlichte Zentren bereitgestellt werden. Wenigstens einer der Zentrierbereiche kann auch durch sich zu dem jeweils anderen Zentrierbereich hin verjüngende Innenwandbereiche des Werkstücks oder Teilen davon gebildet sein, wobei die Innenwandbereiche vorzugsweise einen Winkel von 60°, also vorzugsweise von jeweils 30° zu/mit der Längsachse des Werkstücks, einschließen. Mit anderen Worten sind die Zentrierbereiche nicht auf eine bestimmte geometrische Ausgestaltung beschränkt, solange sie die Ausbildung erfindungsgemäßer Solldeformationsflächen ermöglichen und eine Zentrierung des Werkstückes bei der Bearbeitung zwischen Spitzen erlauben.
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Die Solldeformationsfläche weist wenigstens eine dreidimensionale Formerhebung auf, welche sich in den Zentrierbereich bzw. das Zentrum hinein erstreckt. Dabei kann die dreidimensionale Formerhebung beispielsweise wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei über den Umfang des Zentrierbereichs vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnete konvexe Formerhebungen, wie bspw. halbkugelförmige oder kegelförmige Formerhebungen, aufweisen. Entscheidend ist, dass die dreidimensionale Formerhebung eine im Vergleich zum Werkstück und Zentrierbereich vergleichsweise kleine Auf- bzw. Anlagefläche, Oberfläche bzw. Kontur aufweist. Somit wird vorzugsweise ermöglicht, dass die Solldeformationsfläche leicht deformiert (also in Richtung der Längsachse des Werkstückes gestaucht) werden kann, ohne die Geometrie des Werkstücks weiter zu beeinflussen oder gar das Werkstück in seiner Gesamtheit zu stauchen. Des Weiteren bilden die vorbeschriebenen Ausgestaltungsformen einer dreidimensionalen Formerhebung sowohl für das Kalibrierwerkzeug als auch für die Körnerspitzen für die Bearbeitung zwischen Spitzen eine ausreichende Anlagefläche. Zudem wird durch die Formerhebung auch eine Zentrierung der Werkzeuge in dem Zentrierbereich selbst bereitgestellt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Zentrierbereiche miteinander fluchten und das Werkstück somit bei der Bearbeitung zwischen Spitzen nicht kegelig wird.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mittels der Figuren der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Werkstücks mit Zentrierbereich in Form eines Zentrums und Solldeformationsfläche nach dem Bilden der Werkstückgeometrie und vor einem Kalibriervorgang mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM),
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2 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Werkstücks mit Zentrierbereich und Solldeformationsfläche zu Beginn eines Kalibriervorganges,
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3 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Werkstücks mit Zentrierbereich und leicht kalibrierter Solldeformationsfläche,
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4 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Werkstücks mit Zentrierbereich und stark kalibrierter Solldeformationsfläche,
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5 zeigt ein Umformwerkzeug (Pressstempel) zur erfindungsgemäßen Herstellung des Zentrierbereichs mit Solldeformationsfläche, und
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6 zeigt ein Kalibrierwerkzeug zum erfindungsgemäßen Kalibrieren des Werkstücks.
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Die 1 bis 4 zeigen jeweils eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Werkstücks 1. Zur Vereinfachung der Darstellung ist lediglich eine geschnittene Endseite des vorzugsweise runden Werkstücks 1 gezeigt.
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Das Werkstück 1 ist aus einem länglichen Rohling oder Zwischenprodukt hergestellt und vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Die Geometrie und Dimension der Querschnittsfläche des Werkstücks 1 sowie dessen Änderung in Geometrie und Dimension über seine Längsachse L gesehen ist durch die Erfindung nicht beschränkt. Um das Werkstück 1 aus dem Rohling oder Zwischenprodukt zu bilden bzw. herzustellen, wird dieses vorzugsweise mittels Umformverfahren umgeformt. Besonders vorzugsweise wird die Werkstückgeometrie mittels Kalt-, Halbwarm- oder Warmumformungsverfahren gebildet. Hierzu werden aus dem Stand der Technik bekannte Pressen mit Pressstempel verwendet. Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstückes 1 wird im Rahmen der Anmeldung noch weiter beschrieben.
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Damit das Werkstück 1 zwischen Spitzen bearbeitet werden kann, weist es an zwei bzgl. der Längsachse L des Werkstücks 1 gegenüberliegenden Seiten Zentrierbereiche 2 auf, von denen lediglich ein Zentrierbereich 2 in der Teilschnittansicht der 1 und zusätzlich die Hälfte eines weiteren Zentrierbereichs 2 in den Teilschnittansichten der 2 bis 4 gezeigt sind. Als gegenüberliegende Seiten werden im Rahmen der Erfindung nicht nur Stirnseiten bzw. Stirnflächen (also Endseiten) des Werkstücks 1 verstanden, sondern alle in Längsrichtung gesehen im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete und voneinander abgewandte Seiten oder Seitenbereiche des Werkstücks. Neben orthogonal zur Längsachse ausgebildeten Stirnflächen fallen also bspw. auch gestufte Innenbereiche einer Ausnehmung des Werkstücks, welche eine im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse sich erstreckende Fläche aufweisen, unter den Begriff der gegenüberliegenden Seiten bzw. Seitenbereiche.
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Vorzugsweise also alle voneinander abgewandte und im Wesentlichen in einer zur Längsachse orthogonalen Ebene liegenden Flächen, die eine beidseitige Aufnahme einer (Körner-)Spitze zur Bearbeitung zwischen Spitzen ermöglichen.
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Der Zentrierbereich 2 kann folglich entweder, wie in den 1 bis 4 gezeigt, als Zentrum ausgebildet sein und somit vorzugsweise eine kegelförmige Ausnehmung 3 aufweisen. In diesem Fall schließt die Mantelfläche 6 (auch Zentrierbasisfläche genannt) der kegelförmigen Ausnehmung 3 vorzugsweise einen Winkel von 60° (es ist aber auch jede andere Gradzahl denkbar) ein, was in der Regel dem Kegelwinkel der (Körner-)Spitzen einer Drehmaschine entspricht, zwischen denen das Werkstück 1 zur Endbearbeitung (Bearbeitung zwischen Spitzen) eingespannt wird. Es ist jedoch auch denkbar, dass wenigstens einer der Zentrierbereiche 2 wenigstens durch sich zu dem jeweils anderen Zentrierbereich 2 hin verjüngende Innenwandbereiche des Werkstücks 1 oder Teilen davon gebildet ist, wobei die Innenwandbereiche in diesem Fall ebenfalls vorzugsweise einen Winkel von 60° (also vorzugsweise von jeweils 30° zu/mit der Längsachse L des Werkstücks 1) einschließen. Die Ausgestaltung der Zentrierbereiche 2 ist jedoch nicht durch die Erfindung beschränkt, solange die Zentrierbereiche 2 eine gewünschte Zentrierung des Werkstücks 1 ermöglichen, wenn dieses zwischen den Spitzen bspw. einer Drehmaschine gespannt ist. Dies kann allgemein bspw. durch wenigstens drei im Wesentlichen punktuelle und/oder sich wenigstens über mehr als die Hälfte des Umfanges des Werkstücks 1 erstreckende, stützende (Teil-)Bereiche der Werkstückinnenwand erzielt werden. Diese (Teil-)Bereiche sollten vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass sie sich wenigstens gedanklich als Kegel verbinden lassen, so dass der Zentrierbereich 2 die Aufnahme einer (Körner-)Spitze einer Maschine für die Bearbeitung zwischen Spitzen ermöglicht.
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Damit bereits auf Herstellerseite des Werkstücks 1 wirtschaftlich sinnvoll Längentoleranzen insbesondere zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche 2 für die Bearbeitung zwischen Spitzen auf ein Soll-Maß eingestellt werden können, so dass das Werkstück 1 ohne zusätzliche Bearbeitung oder Ausgleich von Längenschwankungen beim Abnehmer weiterbearbeitet werden kann, weist wenigstens einer der Zentrierbereiche 2 wenigstens eine Solldeformationsfläche 4 auf.
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Die Solldeformationsfläche 4 soll derart ausgebildet sein, dass der Abstand zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche 2 für die Bearbeitung zwischen Spitzen in einfacher Weise auf ein vorbestimmtes Soll-Maß eingestellt werden kann, ohne dabei das Werkstück 1 über seine gesamte Länge zu stauchen. Hierzu weist die Solldeformationsfläche 4 vorzugsweise wenigstens eine dreidimensionale Formerhebung auf, welche sich in den Zentrierbereich bzw. das Zentrum 2 hinein erstreckt. Dies ist beispielhaft in den 1 bis 4 deutlich zu erkennen.
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Die Solldeformationsfläche 4 bzw. dreidimensionale Formerhebung ist derart ausgebildet, dass sie eine ausreichende Auflagefläche für die (Körner-)Spitzen zur Bearbeitung zwischen Spitzen bietet und dabei gleichzeitig eine Zentrierung des Werkstücks 1 ermöglicht. Insofern ist die Erfindung nicht auf eine spezielle Ausgestaltung der Solldeformationsfläche 4 beschränkt, solange diese den vorgenannten Vorgaben Rechnung trägt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die dreidimensionale Formerhebung wenigstens drei über den Umfang des Zentrierbereichs 2 verteilt angeordnete konvexe und vorzugsweise punktuelle Formerhebungen 5 auf, wie dies beispielweise in den 1 bis 4 gezeigt ist. Um eine besonders genaue Zentrierung zu erzielen, sollten die drei oder mehr konvexen Formerhebungen 5 vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Zentrierbereichs 2 verteilt angeordnete sein. Der Begriff „punktuell” bezieht sich im Rahmen der Erfindung nicht auf einen mikroskopisch kleinen Bereich, sondern soll vielmehr umschreiben, dass sich die Solldeformationsfläche 4 in einem bezüglich der Gesamtmaße des Werkstücks 1 bzw. Zentrierbereichs 2 vergleichsweise kleinen Bereich erstreckt oder wenigstens um einen Punkt auf der Mantelfläche 6 des Zentrierbereichs 2 herum ausgebildet ist und sich von diesem in den Zentrierbereich bzw. das Zentrum 2 hinein erstreckt; vorzugsweise mit rotations- oder spiegelsymmetrischer Form. Eine konvexe und punktuelle Formerhebung 5 kann bspw. eine im Wesentlichen halbkugelförmige oder kegelförmige Formerhebung aufweisen, wie in den 1 bis 4 gezeigt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Formerhebung 5 eine andere geometrische Form aufweist; bspw. mit eckiger oder ovaler Grundfläche. Die Formerhebung 5 kann auch länglich ausgebildet sein und sich bspw. vom Fuß des Zentrierbereichs 2 zu dessen Öffnung hin erstrecken.
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In einer alternativen Ausgestaltungsform weist die dreidimensionale Formerhebung alternativ oder zusätzlich zu der vorgenannten Ausgestaltungsform wenigstens eine sich über wenigstens einen Teil des Umfanges des Zentrierbereichs 2 (also insbesondere auf einer zur Längsachse L im Wesentlichen orthogonalen Ebene) erstreckende Formerhebung (nicht gezeigt) auf. Diese kann vorzugsweise im Wesentlichen ring- oder schlauchförmige ausgebildet sein und sich bspw. bei Ausbildung nur einer oder zweier Formerhebung vorzugsweise insgesamt über wenigstens mehr als die Hälfte des Umfangs des Zentrierbereichs 2 erstrecken; besteht die ring- oder schlauchförmige Formerhebung aus mehr als zwei Teilbereichen, so sollten diese derart angeordnet sein, dass sie ein Abstützen und Zentrieren einer (Körner-)Spitze ermöglichen; also insbesondere im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang des Zentrierbereichs 2 auf dessen Mantelfläche 6 ausgebildet sein.
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Vorzugsweise sollte sich die Solldeformationsfläche 4 bzw. dreidimensionale Formerhebung, unabhängig von ihrer geometrischen Ausgestaltung, nur in vergleichsweise geringem Maße in Längsrichtung L des Werkstückes 1 erstrecken, um eine im weiteren beschriebene Stauchung oder Reduzierung derselben in eben dieser Längsrichtung L mit einem möglichst geringen Kraft- und Pressenaufwand bzw. Maschinen- und Werkzeugeinsatz zu ermöglichen.
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Im Folgenden soll ein Verfahren gemäß der Erfindung zum Herstellen eines Werkstücks 1 aus einem länglichen Rohling oder Zwischenprodukt beschrieben werden.
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In einem ersten Schritt wird die Werkstückgeometrie gebildet. Hierzu kommen vorzugsweise Umformverfahren zum Einsatz, welche wenigstens einen Kaltumformungs-, Halbwarmumformungs- oder Warmumformungsschritt umfassen. Das Umformen eines länglichen Rohlings/Zwischenproduktes mittels Umformverfahren ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und soll daher an dieser Stelle nicht weiter beschrieben werden.
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Beim Bilden des Werkstücks 1 bzw. Umformen des länglichen Rohlings oder Zwischenproduktes wird (gleichzeitig) in zwei gegenüberliegende (Stirn-)Seiten des Werkstücks 1 bzgl. dessen Längsachse L jeweils ein Zentrierbereich 2 für eine spätere Bearbeitung des Werkstücks 1 zwischen Spitzen eingebracht. Die Zentrierbereiche 2 können dabei unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen und Dimensionen haben, haben jedoch alle gemein, dass sie sich in Längsrichtung L des Werkstücks 1 gesehen und in Richtung des jeweils anderen Zentrierbereichs 2 verjüngen. Die Zentrierbereiche 2 sind dabei vorzugsweise jeweils derart ausgebildet, dass deren Mantelflächen 6 einen 60° Winkel einschließen, bspw. in Form eines Kegels, wie in den 1 bis 4 gezeigt.
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Beim ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, also dem Bilden der Werkstückgeometrie aus dem Rohling bzw. Zwischenprodukt, werden die Zentrierbereiche 2 derart in das Werkstück 1 eingebracht, dass wenigstens einer der Zentrierbereiche 2 anschließend eine Solldeformationsfläche 4 aufweist. Die Solldeformationsfläche 4 wird vorzugsweise derart gebildet, dass sie sich als dreidimensionale Formerhebung 5 in den Zentrierbereich bzw. das Zentrum 2 hinein erstreckt. Diese dreidimensionale Formerhebung 5 weist gemäß einer ersten Ausführungsform vorzugsweise wenigstens drei über den Umfang des Zentrums 2 vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnete konvexe und vorzugsweise punktuelle oder längliche Formerhebungen 5 auf; bspw. in Form von Halbkugeln oder Kegeln. Alternativ oder zusätzlich kann die dreidimensionale Formerhebung auch wenigstens eine sich über wenigstens einen Teil des Umfanges des Zentrierbereichs 2 erstreckende, vorzugsweise im Wesentlichen ring- oder schlauchförmige Formerhebung aufweisen.
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5 zeigt beispielhaft ein Umformwerkzeug 10 in Form eines Pressstempels, wie er in einer Presse zur Herstellung eines Zentrierbereichs 2 mit Solldeformationsfläche 4 in einem Werkstück 1 gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann. Das Werkzeug 10 weist einen sich von einer vorzugsweise planen Stirnfläche 11 erhebenden Zentrumsformbereich 12 auf; vorzugsweise in Form eines Kegels, insbesondere eines 60° Kegels. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Zentrumsformbereich 12 des Werkzeugs 10 andere geometrische Ausgestaltungen zur Bildung eines Zentrierbereichs 2 in einem Werkstück 1 aufweist, solange der Zentrierbereich 2 ein Einspannen und Zentrieren des Werkstücks 1 in einer Maschine zur Bearbeitung zwischen Spitzen ermöglicht. Vorzugsweise sollte der Zentrierbereich 2 als Kegel gebildet sein oder die Teilbereiche des Zentrierbereichs 2 sich wenigstens gedanklich als Kegel verbinden lassen, so dass der Zentrierbereich 2 die Aufnahme einer (Körner-)Spitze einer Maschine für die Bearbeitung zwischen Spitzen ermöglicht. Die Mantelfläche 14 des Zentrumsformbereichs 12 entspricht im Wesentlichen der Mantelfläche 6 des Zentrierbereichs 2.
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In dem vorzugsweise kegelförmigen Zentrumsformbereich 12 der 5 bzw. in wenigstens einem (Teil) der den Zentrierbereich 2 bildenden (Teil-)Bereiche des Werkzeugs 10 sind ferner in dessen Mantelfläche 14 Ausnehmungen 13 vorgesehen. Die Anzahl der Ausnehmungen 13 entspricht der Anzahl der zu bildenden Solldeformationsflächen 4. Die Ausnehmungen 13 entsprechen ferner in ihrer Form einem Negativ der zu bildenden Solldeformationsflächen 4. Beim Bilden der Werkstückgeometrie (also vorzugsweise beim Umformen des Rohlings oder Zwischenproduktes) werden mittels des Zentrumsformbereichs 12 in Form eines Kegels oder einer vergleichbaren Werkzeugfläche die Zentrierbereiche 2 in das Werkstück 1 eingebracht, wobei sich durch die geometrische Ausgestaltung der Ausnehmungen 13 in den Zentrierbereich bzw. das Zentrum 2 hinein erstreckende, dreidimensionale Formerhebungen 5 in dem Werkstück 1 ausbilden.
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Nachdem die Werkstückgeometrie im ersten Verfahrensschritt gebildet wurde ergeben sich verfahrensbedingt Längenunterschiede in den Werkstücken 1 in einem Toleranzbereich von +/–2 mm zu den vorgegebenen Soll-Maßen. Die Längentoleranz des Abstandes der Anlageflächen der gegenüberliegenden Zentrierbereiche 2 eines Werkstückes 1 für die Bearbeitung zwischen Spitzen liegt dabei immer noch in einem Bereich von +/–0,6 mm bis +/–0,8 mm. Um diesen Toleranzbereich zu reduzieren, vorzugsweise auf eine Genauigkeit von +/–0,25 mm, besonders vorzugsweise auf +/–0,1 mm oder weniger, wird in einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens das Werkstück 1 kalibriert.
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Durch den Kalibriervorgang wird die Solldeformationsfläche 4 derart angepasst, dass der Abstand zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche 2 für die Bearbeitung zwischen Spitzen auf ein vorbestimmtes Soll-Maß eingestellt wird. Hierzu wird die Solldeformationsfläche 4 vorzugsweise derart umgeformt oder reduziert, dass der Abstand zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche 2 für die Bearbeitung zwischen Spitzen auf das vorbestimmte Soll-Maß reduziert wird. Dies kann entweder durch einen erneuten Umformvorgang geschehen, wobei lediglich die Solldeformationsfläche 4 umgeformt wird. Dieser Umformvorgang kann wiederum wenigstens einen Kaltumformungs-, Halbwarmumformungs- oder Warmumformungsschritt aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Solldeformationsfläche 4 auf andere Weise auf das vorgegebene Soll-Maß eingestellt wird; beispielsweise mittels spanabhebender Verfahren wie Bohren, wobei lediglich von der Solldeformationsfläche 4 Material abgenommen werden muss. Somit muss zum Kalibieren des gesamten Werkstücks 1 lediglich die vergleichsweise kleine Solldeformationsfläche 4 angepasst werden, was eine erhebliche Vereinfachung des Verfahrens zur Folge hat und lediglich den Einsatz kleiner und bereits hinlänglich bekannter Maschinen erfordert.
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Um die Solldeformationsfläche 4 beim Kalibriervorgang durch Umformung oder auch durch spanabhebende Verfahren einzustellen, kann ein im Wesentlichen mit dem Zentrierbereich 2 ausgenommen die Solldeformationsfläche 4 korrespondierendes Umformwerkzeug bzw. Kalibrierwerkzeug 20 in den Zentrierbereich 2 des Werkstücks 1 eingefahren werden. Unter „im Wesentlichen mit dem Zentrierbereich 2 ausgenommen die Solldeformationsfläche 4 korrespondierend” soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass die geometrische Form (der Mantelfläche 23) des Kalibrierwerkzeuges 20 in einem Zentrumskalibrierbereich 22 einem Negativ (der Mantelfläche 6) des Zentrierbereichs 2 ohne die Solldeformationsflächen 4 entspricht; also vorzugsweise einem Kegel, besonders vorzugsweise einem 60° Kegel (vgl. 6).
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In 6 ist beispielhaft ein Kalibrierwerkzeug 20 gezeigt. Es weist, ähnlich dem Umformwerkzeug 10 zum Bilden der Werkstückgeometrie bzw. des Zentrierbereichs 2, den sich von einer vorzugsweise planen Stirnfläche 21 erstreckenden Zentrumskalibrierbereich 22 auf. Dieser weist, wie zuvor beschrieben, vorzugsweise eine Kegelform (bspw. 60° Kegel) auf. Es versteht sich, dass ähnlich dem Umformwerkzeug 10 auch andere Ausgestaltungen von Erhebungen denkbar sind, solange die Grundform derselben derjenigen des Umformwerkzeugs 10 ausgenommen die Ausnehmungen 13 entspricht. Da das Werkzeug 20 für den Kalibriervorgang im Wesentlichen die Form des Umformwerkzeugs 10 ohne die Ausnehmungen 13 für die Solldeformationsfläche 4 aufweist, kann aufgrund der fehlenden Ausnehmungen 13 in dem Kalibrierwerkzeug 20 die Solldeformationsfläche 4 beim Einfahren des Kalibrierwerkzeugs 20, insbesondere des Zentrumskalibrierbereichs 22, in den Zentrierbereich 2 umgeformt und somit angepasst werden. Hierzu fährt das Kalibrierwerkzeug 20 vorzugsweise in Längsrichtung L des Werkstücks 1 in den Zentrierbereich 2 ein, um somit den Abstand zwischen den Anlageflächen in Längsrichtung L auf einfache Weise auf das vorgegebene Soll-Maß einzustellen.
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Es sei angemerkt, dass der Zentrumskalibrierbereich 22 auch durch die Spitze eines Bohrers als Kalibrierwerkzeug ausgebildet sein kann, die durch Einfahren in den Zentrierbereich 2 die Solldeformationsfläche 4 in Längsrichtung L des Werkstücks 1 gesehen reduziert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht in einer festgelegten Endposition des Kalibrierwerkzeugs 20 beim Kalibriervorgang der Abstand der Anlageflächen der Zentrierbereiche 2 des Werkstücks 1 für die Bearbeitung zwischen Spitzen dem vorbestimmten Soll-Maß. Mit anderen Worten ermöglicht es die erfindungsgemäße Ausgestaltung, das Kalibrierwerkzeug 20 unabhängig von dem herstellungsbedingt großen Toleranzbereich beim Bilden der Werkstückgeometrie bei jedem Werkstück 1 auf dieselbe Endposition zu fahren. Diese Endposition ist so ausgelegt, dass sie dem vorgenannten Soll-Maß auf Seiten des Werkstücks 1 entspricht. Die Solldeformationsfläche 4 wird, je nach Herstellungstoleranz, folglich nur soweit umgeformt bzw. reduziert, wie es zum Erreichen des Soll-Maßes des Abstands zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche 2 für die Bearbeitung zwischen Spitzen notwendig ist; dies ohne die Ist-Maße besagten Abstandes einzeln zu bestimmen und ohne die festgelegte Endposition zu verstellen. Somit kann der Kalibriervorgang auch vollautomatisch durchgeführt werden; bei konstant gleich guten Ergebnissen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden vorzugsweise zwei mit den Zentrierbereichen 2 korrespondierende Kalibrierwerkzeuge 20 in die gegenüberliegenden Zentrierbereiche 2 eines Werkstücks 1 und in Längsrichtung L des Werkstücks 1 eingefahren und derart relativ zueinander (also aufeinander zu) bewegt, dass der Abstand der Kalibrierwerkzeuge 20 in einer festgelegten Endposition beim Kalibriervorgang dem Soll-Maß des Abstandes der Anlageflächen der Zentrierbereiche 2 des Werkstücks 1 für die Bearbeitung zwischen Spitzen entspricht. Unabhängig davon, ob nur eines oder beide Zentrierbereiche 2 Solldeformationsflächen 4 aufweisen, wird somit ein einfaches Verfahren bereitgestellt, mit dem werkstückübergreifend immer gleiche Kalibrierergebnisse erzielt werden können. Da die Kalibrierwerkzeuge 20 lediglich die Solldeformationsflächen 4 umformen, wird eine Stauchung des gesamten Werkstücks 1 sicher vermieden, während gleichzeitig der Abstand zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche 2 auf ein vorbestimmtes Soll-Maß eingestellt wird.
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Unter Anlagefläche wird im Rahmen der Erfindung jene Fläche eines Zentrierbereichs 2 verstanden und bezeichnet, an der bei der Bearbeitung zwischen Spitzen die (Körner-)Spitzen in dem Zentrierbereich 2 angreifen und das Werkstück 1 einspannen. Sind Solldeformationsflächen 4 in einem Zentrierbereich 2 vorgesehen, so wird diese Anlagefläche durch die dem Zentrierbereich 2 zugewandte Fläche 7 (also die von der Mantelfläche 6 des Zentrierbereichs 2 abgewandte Fläche 7) gebildet, welche in der Regel beim Kalibriervorgang umgeformt/reduziert und der Kontur des Zentrierbereichs bzw. der Zentrumskontur angepasst wird. Bei Zentrierbereichen 2 ohne Solldeformationsfläche 4 wird die Anlagefläche in der Regel durch die Zentrierbasisfläche bzw. Mantelfläche 6 des Zentrierbereichs 2 gebildet.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Zentrierbereichs 2 eines Werkstücks 1 nach dem Bilden der Werkstückgeometrie und vor einem Kalibriervorgang. In 1 ist deutlich die konvexe, punktuelle bzw. leicht längliche, dreidimensionale Formerhebung 5 als Solldeformationsfläche 4 im noch nicht kalibrierten Zustand zu erkennen. Ergänzt man gedanklich die im Schnitt fehlenden Umfangsbereiche des geschnittenen Werkstücks 1, so weist die gezeigte Ausführungsform des Werkstücks 1 drei Solldeformationsflächen 4 auf.
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2 zeigt den Zentrierbereich 2 von 1 (sowie aufgrund einer anderen Schnittebene auch die Hälfte eines weiteren Zentrierbereichs 2) zu Beginn des Kalibriervorganges. Es ist zu erkennen, dass die Solldeformationsfläche 4 bereits leicht umgeformt/reduziert ist; also die in den Zentrierbereich 2 hineinragende Spitze der Solldeformationsfläche 4 bereits an die Kontur des Zentrierbereichs 2 angepasst wurde, indem ein Kalibrierwerkzeug (nicht gezeigt) in den Zentrierbereich bzw. das Zentrum 2 eingefahren wird.
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In 3 ist das Werkstück 1 mit leicht kalibrierter Solldeformationsfläche 4 gezeigt. Ein derartiges Werkstück 1 kann einem kurzen Werkstück 1 entsprechen; also einem Werkstück 1, welches bei der Bildung der Werkstückgeometrie verfahrens-, material- oder werkzeugbedingt eine innerhalb des Toleranzbereichs kurze Länge aufweist. Um die starke Stauchung des Werkstücks 1 auszugleichen, wird die Solldeformationsfläche 4 nur leicht kalibriert, so dass der vergleichsweise kurze Abstand zwischen den Mantelflächen 6 der Zentrierbereiche 2 durch in Längsrichtung des Werkstücks 1 sich weit von den Mantelflächen 6 erstreckende Solldeformationsflächen 4 als Anlagefläche für die Bearbeitung zwischen Spitzen ausgeglichen wird. Da das Kalibrierwerkzeug 20 in eine festgelegte Endposition fährt, wird die Solldeformationsfläche 4 aufgrund der insgesamt kurzen Länge des Werkstücks 1 automatisch nur leicht angepasst, und somit genau auf das Soll-Maß eingestellt. Dies erklärt sich dadurch, dass der Abstand der Kalibrierwerkzeuge 20 in einer festgelegten Endposition vorzugsweise immer gleich ist, so dass eine Umformung/Reduzierung der Solldeformationsfläche 4 über das Soll-Maß hinaus sicher vermieden wird.
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In 4 ist das Werkstück 1 mit stark kalibrierter Solldeformationsfläche 4 gezeigt. Ein derartiges Werkstück 1 kann einem langen Werkstück 1 entsprechen; also einem Werkstück 1, welches bei der Bildung der Werkstückgeometrie verfahrens-, material- oder werkzeugbedingt eine innerhalb des Toleranzbereichs große Länge aufweist. Um eine in Längsrichtung L des Werkstücks 1 gesehen vergleichsweise geringe Deformation des Werkstücks 1 auszugleichen, wird die Solldeformationsfläche stark bzw. im Vergleich zu 3 stärker kalibriert. Auf diese Weise wird die geringe Differenz der vergleichsweise weit beabstandeten Mantelflächen 6 der Zentrierbereiche 2 zu dem vorgegebenen Soll-Maß für den Abstand zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche 2 für die Bearbeitung zwischen Spitzen durch die die Differenz ausgleichenden, sich nur in geringem Maße von der Mantelfläche 6 in Längsrichtung L des Werkstücks 1 erstreckenden Solldeformationsflächen 4 ausgeglichen. Das Erreichen des Soll-Maßes wird also durch eine festgelegte Endposition des Kalibrierwerkzeuges 20 automatisch erreicht; unabhängig davon, ob ein innerhalb des Toleranzbereiches bzgl. der Bildung der Werkstückgeometrie liegendes kurzes oder langes Werkstück 1 vorliegt.
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Um die Werkstücke 1, insbesondere den Abstand der Anlageflächen der Zentrierbereiche 2, in jedem Fall innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches einstellen zu können, sollten die Solldeformationsflächen 4 vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass sie eine Längenschwankung des Werkstücks 1 und der Abstände zwischen den Anlageflächen der Zentrierbereiche 2 innerhalb dieses Toleranzbereiches auch ausgleichen können. Die Solldeformationsflächen 4 müssen also derart bemessen sein, dass sie sich so weit in den Zentrierbereich bzw. das Zentrum 2 hinein erstrecken, dass sie beim Kalibriervorgang in jedem Fall eine Umformung/Reduzierung erfahren. Wird während eines Kalibriervorganges also entweder die Solldeformationsfläche 4 gar nicht umgeformt oder derart umgeformt, dass es zusätzlich zu einer Stauchung des gesamten Werkstücks 1 über die Zentrierbasisfläche 6 (bspw. Mantelfläche) kommt, kann folglich direkt festgestellt werden, dass es sich bei dem Werkstück 1 um Ausschuss handelt.
