DE102016108466B4

DE102016108466B4 - Mehrstufiges Verfahren zum Umformen von Werkstoffen

Info

Publication number: DE102016108466B4
Application number: DE102016108466.2A
Authority: DE
Inventors: Alfred Thun
Original assignee: Alfred Thun GmbH and Co KG
Current assignee: Alfred Thun GmbH and Co KG
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2036-05-10
Also published as: CN107350407A; DE102016108466A1

Abstract

Mehrstufiges Verfahren zum Umformen von Werkstoffen zur Erzeugung eines zylindrischen Bauteiles mit einem konischen oder mehrkantigen Endbereich (2) mit einer Gewindelochung, wobei der Endbereich (2) mittels einer Mehrstufenpresse in einer ersten Stufe in eine der gewünschten Sollform nahe kommende Vorform, die gegenüber der Sollform Übergröße, insbesondere hinsichtlich des Durchmessers oder der äußeren Querschnittsform, aufweist, gepresst wird, wobei vorzugsweise gleichzeitig in den Endbereich (2) ein sacklochartiger Napf (3) eingeformt wird, in den ein Gewinde (4) eingeformt wird, wobei der sacklochartige Napf (3), das Gewinde (4) und die Außenkontur ein von der Sollform abweichendes Übermaß aufweisen, und dass in einer zweiten Stufe der Endbereich (2) samt Napf (3) mit Gewinde (4) radial nach Innen bis zum Erreichen der Sollform umgeformt wird, unter Reduzierung der Abmessung des Außendurchmessers oder der äußeren Querschnittsform.

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges Verfahren zur Kaltumformung von Metall wie insbesondere Stahl oder Leichtmetall wie insbesondere Aluminium. Mittels eines derartigen mehrstufigen Verfahrens werden beispielsweise Wellen für Fahrradtretlager mit einem endseitigen Konus oder einer endseitigen Mehrkantform mit einem im Bereich dieser Form ausgebildeten Innengewinde hergestellt.
Bei im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung derartiger Wellen für Fahrradtretlager wird zumeist auf vertikalen oder horizontalen Mehrstufenpressen das zu behandelnde Werkstück in eine der gewünschten Endform möglich nahekommende Vorform umgeformt. Hierbei wird ein sacklochartiger Napf erzeugt, in dem später ein Gewinde eingebracht wird. Zur Erzeugung von Innengewinden an den längsseitigen Enden der Welle ist es im Stand der Technik bekannt, diese Innengewinde mittels eines nachfolgenden Bearbeitungsprozesses, der spanend oder spanlos erfolgen kann, in die Wellenenden einzubringen. Dieser zusätzliche Prozess ist aufwendig und setzt dabei üblicherweise einen zwischengelagerten Waschprozess voraus. Zudem ist dieser Prozess problematisch, da die bei der Kaltumformung nicht vermeidbare und oftmals gewünschte Kaltverfestigung des Materials die prozesssichere separate Erzeugung des Gewindes erschwert.
Bei einem weiteren im Stand der Technik bekannten Verfahren wird im üblicherweise mehrstufigen Umformprozess das Innengewinde mittels an der Umformanlage angeordneter oder integrierter Kleinmotoren erzeugt. Die Kleinmotoren weisen dabei eine sehr hohe Drehzahl und ein hohes Drehmoment auf und treiben einen Gewindebohrer oder Gewindeformer an, der das gewünschte Innengewinde im Endbereich der Welle erzeugt. Hierzu ist es erforderlich, dass mindestens eine freie Umformstufe im mehrstufigen Umformprozess vorgesehen ist, in der das mit einem Gewinde zu versehene Werkstück gewendet und in eine geeignete Position gebracht wird, in der mit dem beschriebenen Motor und dem Gewindebohrer oder Gewindeformer das Innengewinde innerhalb dieses Taktes der Umformmaschine erzeugt wird. Bei einem derartigen Verfahren ist es nachteilig, dass zum einen eine freie Umformstufe, die die Herstellungszeit vergrößert, erforderlich ist und zum anderen, dass dieses Verfahren nicht anwendbar ist, wenn eine von der zylindrisch geraden Formgebung des Außenbereiches des Fertigteils abweichende Form wie beispielsweise eine Mehrkantform oder eine Konizität oder dergleichen ausgebildet ist und diese von der geraden zylindrischen Formgebung abweichende Form im Umformprozess nach dem Erzeugen des Napfes für das Innengewinde erfolgt. In diesem Fall wird der zuvor erstellte Napf durch die nachfolgende Umformung des Außenbereiches deformiert. Hierdurch ist eine darauf folgende integrierte Gewindefertigung wie bei dem Verfahren beschrieben unmöglich oder zumindest erschwert. Zur Erzeugung des gewünschten Innengewindes ist in diesem Fall ein separater Prozess nach der Umformung des Außenbereiches nötig. Dieser erfordert üblicherweise ein Aufbohren des Napfes und ein zusätzliches Einbringen eines Gewindes in diesen aufgebohrten Napf.
Ein Verfahren ähnlicher Art ist beispielsweise aus der US 6,591,657 B1 bekannt. Weitere Verfahren ähnlicher Art sind aus der DE 20 2013 103 791 U1 und der DE 28 30 494 A1 bekannt
Aufgrund des Eingangs genannten Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auch nach Erzeugen des Napfes und des an den Seitenwänden des Napfes ausgebildeten Innengewindes eine nachfolgende Umformung zur Erzeugung einer gewünschten Außenkontur wie beispielsweise einer Mehrkantform oder einer Konizität ermöglicht ist, welches dabei bei verhältnismäßig geringen Werkzeugkosten eine hohe Lebensdauer des Umformwerkzeuges ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 vor.
Bei einem derartigen mehrstufigen Verfahren werden im Rahmen der ersten Stufe des Umformverfahrens der Napf und das im Napf ausgebildete Innengewinde innerhalb eines integrierten Prozesses derart mit einem von der Sollform abweichenden Übermaß erzeugt, dass das Übermaß des Innengewindes bei der Umformung des Außenbereiches des Endbereiches in der zweiten Stufe des mehrstufigen Umformverfahrens verkleinert wird, sodass das gewünschte Gewindemaß durch die Reduzierung der Abmessung des Außendurchmessers und somit gleichzeitig des Durchmessers des Napfes erzeugt wird.
Dies wird nachfolgend an einem Beispiel einer Welle für ein Fahrradtretlager erläutert. Das gewünschte Innengewinde weist die Maße M8 x 1 auf. Der Endbereich außenseitig der Tretlagerwelle soll die Schlüsselweite 12,73 mm, dabei konisch 2° zur Mittelachse, aufweisen. Im mehrstufigen Prozess wird in der ersten Stufe ein Napf mit Gewinde mit Übermaß wie beispielsweise M9 x 1 geformt. Beim anschließenden Umformen der Außenkontur des Endbereiches der Fahrradtretlagerwelle wird dieser Napf mit Gewinde derart im Außendurchmesser reduziert, dass dabei das innerhalb des Napfes ausgebildete Gewinde mitreduziert wird. Der Umformgrad erfolgt dabei entsprechend des Verhältnisses des zuvor mit Übermaß ausgebildeten Gewindes zum gewünschten Gewinde. Je größer der Umformgrad, das heißt, je größer die Reduzierung der Abmessung des Außendurchmessers ist, desto größer ist der Unterschied zwischen im ersten Prozess erzeugten Gewinde mit Übermaß und Größe des Zielgewindes.
Insbesondere kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass in der zweiten Stufe der Endbereich in eine polygonale Querschnittsform umgeformt wird.
Alternativ kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass in der zweiten Stufe der Endbereich in eine konische Form umgeformt wird.
Zudem kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass in der zweiten Stufe der Endbereich in eine polygonale und konische Form umgeformt wird.
Mittels eines derartigen erfindungsgemäßen Verfahrens ist es je nach Vorgabe des zu erzeugenden Produktes wie beispielsweise einer Fahrradtretlagerwelle möglich, den Endbereich entweder in eine polygonale Querschnittsform, in eine konische Form oder eine kombinierte Form des Endbereiches aufweisend ein Polygon und eine im Polygon ausgebildete Konizität herzustellen.
Zudem kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass in der ersten Stufe der sacklochartige Napf in eine polygonale oder in eine konische und/ oder in eine zylindrische Form umgeformt wird.
Weiter kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass der eingeformte sacklochartige Napf in der zweiten Stufe aus einer zylindrischen Form in eine polygonale, gegebenenfalls konische Form umgeformt wird.
Schließlich kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass der eingeformte sacklochartige Napf in der zweiten Stufe aus einer polygonalen Form in eine zylindrische, gegebenenfalls konische Form umgeformt wird.
Die Erzeugung der entsprechenden Form des sacklochartigen Napfes in der ersten Verfahrensstufe ist dabei abhängig davon, wie in der zweiten Verfahrensstufe der Außenbereich des Endbereiches ausgeformt werden soll. So kann beispielsweise zur Erzeugung eines im Endprodukt etwa kreisrunden Napfes mit Gewinde ein Mehrkantstempel zur Erzeugung des Napfes in der ersten Verfahrensstufe Verwendung finden. Hierbei entspricht die Anzahl der Kanten des Napfs mit Gewinde der Anzahl der Kanten der in der zweiten Stufe erzeugten äußeren Form des Endbereiches.
Wenn beispielsweise in dem ersten Verfahrensschritt der Napf zylindrisch in das Ende des Werkstückes eingebracht wurde, so wird das Umformen des Außendurchmessers des Endbereiches in eine mehrkantige Form zu einem Napf mit der derselben Anzahl an Kanten führen.
Die Verfahrensschritte sind anhand von Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung des ersten Verfahrensschrittes;
2 eine Darstellung zur Erzeugung des Innengewindes innerhalb des Napfes zwischen der ersten und der zweiten Umformstufe;
3 die Umformung des Endbereiches des Werkstückes inklusive Reduzierung des Durchmessers des Innengewindes;
4 eine schematische Darstellung des Endproduktes und einer mit dem Endprodukt zu verbindender Schraube mit Kopf und Gewinde.

In den Figuren sind die Stufen des mehrstufigen Verfahrens zum Kaltumformen von Werkstoffen wie Metall oder Leichtmetall zur Erzeugung eines zylindrischen Bauteiles gezeigt. Beispielsweise wird ein derartiges mehrstufiges Verfahren zur Erzeugung einer Welle 1 für ein Fahrradtretlager verwendet.
Eine derartige Welle 1 weist einen mehrkantigen und gegebenenfalls konischen Endbereich 2 mit einer Gewindelochung auf. Dabei ist der Endbereich 2 mittels einer Mehrstufenpresse in einer ersten Stufe in eine der gewünschten Sollform nahekommende Vorform, die gegenüber der Sollform Übergröße insbesondere hinsichtlich des Durchmessers oder der äußeren Querschnittsform und hinsichtlich des Napfes aufweist, gepresst. Die erste Stufe dieses Verfahrens ist schematisch in 1 dargestellt.
Dabei kann wie aus der 1 ersichtlich, gleichzeitig oder alternativ auch zeitnah in den Endbereich 2 ein sacklochartiger Napf 3 eingeformt werden. In den sacklochartigen Napf 3 wird wie aus 2 ersichtlich, ein Gewinde 4 eingeformt. Gemäß der Erfindung weist der sacklochartige Napf 3 und das Gewinde 4 und die Außenkontur des Endbereiches 2 ein von der Sollform abweichendes Übermaß auf. Durch die Umformung in einer zweiten Stufe des Verfahrens wird sowohl der Endbereich 2 samt Napf 3 mit Gewinde 4 radial nach innen bis zum Erreichen der Sollform umgeformt. Dabei erfolgt eine Reduzierung der Abmessung des Außendurchmessers oder der äußeren Querschnittsform, abhängig von der vorher erzeugten Form dieses Bereiches. Mittels eines derartigen Verfahrens wird also das Gewinde 4 und der sacklochartige Napf 3 in der ersten Verfahrensstufe mit einem entsprechend des nachfolgenden Umformgrades dimensionierten Übermaß erzeugt. Dieses Übermaß wird auf das Sollmaß reduziert, wenn in der zweiten Umformstufe des Verfahrens der Endbereich 2 entsprechend der gewünschten Endform, die beispielsweise eine Mehrkantform oder eine zylindrische Form mit Konus sein kann, erzeugt wird.
Dabei kann gegebenenfalls das Umformen in der zweiten Stufe des Verfahrens auch die Form des Napfes 3 und des Gewindes 4 innerhalb des Napfes 3 beeinflussen beziehungsweise verändern. Das heißt, wenn die Formung des Napfes 3 in der ersten Stufe zylindrisch erfolgte, so wird das Umformen in der zweiten Stufe zu einem mehrkantigen Napf 3 führen, falls der Endbereich 2 mit einer Mehrkantform versehen wird. Sollte dies nicht gewünscht sein, so muss das Erzeugen des Napfes 3 in der ersten Stufe mit einem die gleiche Anzahl an Kanten aufweisenden Stempel wie die äußere Endform erfolgen, sodass der Napf 3 durch die Umformung des Endbereiches 2 zu einer Mehrkantform in der zweiten Stufe des Verfahrens zu einem zylindrischen Napf 3 umgeformt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
Alle in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.
Bezugszeichenliste

1: Welle
2: Endbereich
3: Napf
4: Gewinde in 3

Claims

Mehrstufiges Verfahren zum Umformen von Werkstoffen zur Erzeugung eines zylindrischen Bauteiles mit einem konischen oder mehrkantigen Endbereich (2) mit einer Gewindelochung, wobei der Endbereich (2) mittels einer Mehrstufenpresse in einer ersten Stufe in eine der gewünschten Sollform nahe kommende Vorform, die gegenüber der Sollform Übergröße, insbesondere hinsichtlich des Durchmessers oder der äußeren Querschnittsform, aufweist, gepresst wird, wobei vorzugsweise gleichzeitig in den Endbereich (2) ein sacklochartiger Napf (3) eingeformt wird, in den ein Gewinde (4) eingeformt wird, wobei der sacklochartige Napf (3), das Gewinde (4) und die Außenkontur ein von der Sollform abweichendes Übermaß aufweisen, und dass in einer zweiten Stufe der Endbereich (2) samt Napf (3) mit Gewinde (4) radial nach Innen bis zum Erreichen der Sollform umgeformt wird, unter Reduzierung der Abmessung des Außendurchmessers oder der äußeren Querschnittsform.
Mehrstufiges Verfahren zum Umformen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einer Kaltumformung angewendet wird.
Mehrstufiges Verfahren zum Umformen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff aus Metall oder Leichtmetall bestehen.
Mehrstufiges Verfahren zum Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Bauteil mit konischem Endbereich (2) aus einer Welle (1) besteht.
Mehrstufiges Verfahren zum Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe der Endbereich (2) in eine polygonale Querschnittsform umgeformt wird.
Mehrstufiges Verfahren zum Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe der Endbereich (2) in eine konische Form umgeformt wird.
Mehrstufiges Verfahren zum Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe der Endbereich (2) in eine polygonale und konische Form umgeformt wird.
Mehrstufiges Verfahren zum Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stufe der sacklochartige Napf (3) in eine polygonale oder in eine konische und/ oder in eine zylindrische Form umgeformt wird.
Mehrstufiges Verfahren zum Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeformte sacklochartige Napf (3) in der zweiten Stufe aus einer zylindrischen Form in eine polygonale, gegebenenfalls konische Form umgeformt wird.
Mehrstufiges Verfahren zum Umformen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeformte sacklochartige Napf (3) in der zweiten Stufe aus einer polygonalen Form in eine zylindrische oder konische Form umgeformt wird.