DE102017001211A1

DE102017001211A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines schrägverzahnten Metallprofils und Verfahren zur Herstellung schrägverzahnter Zahnräder

Info

Publication number: DE102017001211A1
Application number: DE102017001211.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schimmer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2018-08-09
Also published as: EP3579986B1; EP3579986A1; WO2018146262A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (300) zur Herstellung eines runden Voll- oder Hohlprofils (110) aus Metall, das am Außenumfang und/oder Innenumfang mit einer Schrägverzahnung (120) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird das Profil (110) mittels Ziehen oder Pressen durch eine mit einer Verzahnungskontur ausgebildeten Matrize (320) hergestellt, wobei die Verzahnungskontur einen Drall aufweist und die Matrize (320) oder das Profil (110) eine Drehbewegung (D) ausführt. Die Erfindung betrifft ferner ein hierauf basierendes Verfahren zur Herstellung schrägverzahnter Zahnräder.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines runden Voll- oder Hohlprofils aus Metall, das an seinem Außenumfang und/oder Innenumfang mit einer Schrägverzahnung ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung schrägverzahnter Zahnräder.
Ausgangspunkt der Erfindung ist die Herstellung schrägverzahnter Zahnräder. Im Gegensatz zur Geradverzahnung haben die Zähne einer Schrägverzahnung bezüglich der Rotationsachse des Zahnrads eine nicht-parallele bzw. schräge Anordnung. Zumeist handelt es sich um eine Laufverzahnung. Im Vergleich zu einer Geradverzahnung ist die Herstellung einer Schrägverzahnung aufwändiger und mit höheren Herstellkosten verbunden. Die Herstellung einer Schrägverzahnung kann spanend, bspw. mittels Wälzfräsen, erfolgen. Die Herstellung kann auch urformend erfolgen, bspw. durch Sintern, wie z. B. in der DE 691 03 109 T2 beschrieben. Ferner kann die Herstellung umformend erfolgen, wie z. B. in der DE 10 2010 060 927 A1 und der DE 10 2012 017 525 A1 beschrieben.
Mit der Erfindung soll eine weitere Möglichkeit zur Herstellung schrägverzahnter Zahnräder geschaffen werden, insbesondere um Kosten einzusparen.
Gemäß den unabhängigen Patentansprüchen umfasst die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines runden Voll- oder Hohlprofils aus Metall, das am Außenumfang und/oder am Innenumfang mit einer Schrägverzahnung ausgebildet ist, sowie aufbauend hierauf ein Verfahren zur Herstellung schrägverzahnter Zahnräder. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines runden Voll- oder Hohlprofils, welches am Außenumfang und/oder am Innenumfang mit einer Schrägverzahnung ausgebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Profil mittels Ziehen und/oder Pressen durch eine mit einer Verzahnungskontur ausgebildeten Matrize hergestellt wird, wobei die Verzahnungskontur einen Drall aufweist und die Matrize und/oder das Profil beim Ziehen oder Pressen eine Drehbewegung ausführen/ausführt.
Unter einem Profil wird ein langgestrecktes Bauteil mit definiertem Querschnitt verstanden. Ein rundes Vollprofil weist einen vollflächigen und näherungsweise kreisrunden Querschnitt auf. Ein rundes Hohlprofil weist näherungsweise einen kreisringförmigen Querschnitt bzw. Hohlquerschnitt auf. Das Vollprofil wird an seiner Außenumfangsfläche mit einer Schrägverzahnung ausgebildet. Das Hohlprofil kann an seiner Außenumfangsfläche und/oder Innenumfangsfläche mit einer Schrägverzahnung ausgebildet werden.
Unter Ziehen wird die Herstellung des Profils mittels Durchziehen durch eine formgebende Matrize (Ziehmatrize), ähnlich dem Drahtziehen, verstanden. Unter Pressen wird die Herstellung des Profils mittels Durchpressen durch eine formgebende Matrize (Pressmatrize), ähnlich dem Strangpressen, verstanden. Beides sind kontinuierliche Umformverfahren der Massivumformung und können auch miteinander kombiniert werden. Als Ausgangsmaterial kann ein zylindrisches Vollmaterial, insbesondere ein Rundstab, oder auch ein Rohr, insbesondere ein dickwandiges Rohr, verwendet werden. Das Ausgangsmaterial ist ein Metall, wie bspw. Aluminium und insbesondere Stahl. Das hergestellte Profil ist also ein Metallprofil, bspw. ein Aluminiumprofil und insbesondere ein Stahlprofil.
Die formgebende Matrize weist wenigstens eine negative Verzahnungskontur auf, an der beim Ziehen bzw. Durchziehen oder Pressen bzw. Durchpressen die Außen- und/oder Innenverzahnung ausgeformt wird. Um eine Schrägverzahnung zu erhalten, ist die Verzahnungskontur der Matrize mit einem Drall ausgebildet, d. h., die die Zähne ausformenden Nuten haben zumindest näherungsweise einen wendelförmigen Verlauf. Beim Durchziehen oder Durchpressen muss die Matrize und/oder das hergestellte Profil dann eine Drehbewegung ausführen. Dies kann durch eine entsprechende Lagerung der Matrize und/oder der zum Ziehen verwendeten Zugstange bewerkstelligt werden. Ebenso ist auch die drehbare Lagerung eines das Ausgangsmaterial aufnehmenden Rezipienten denkbar.
Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung (s. u.) kann die Drehbewegung frei, d. h. ohne Antrieb, oder mithilfe eines Antriebs erfolgen, wobei dann die Drehbewegung und der Profilvorschub bzw. -abzug (d. h. die Ausbring- bzw. Abziehgeschwindigkeit des erzeugten Profils) aufeinander abgestimmt bzw. synchronisiert sind, bspw. durch eine CNC-Steuerung.
Das Ziehen und/oder Pressen des Profils kann kalt, d. h. durch Kaltziehen oder Kaltpressen, oder warm, d. h. durch Warmziehen oder Warmpressen, erfolgen. Beim Warmformen wird das Ausgangsmaterial angewärmt und oberhalb der Raumtemperatur verarbeitet.
Das hergestellte Profil kann eine (axiale) Länge zwischen 0,5 m und 25 m und bevorzugt zwischen 4 m und 12 m aufweisen. Die beim Herstellen erzeugte und ebenfalls einen Drall aufweisende Schrägverzahnung erstreckt sich ununterbrochen im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge. Der Außendurchmesser des Profils kann 15 mm bis 200 mm, bevorzugt 20 mm bis 100 mm und besonders bevorzugt 35 mm bis 80 mm betragen, wobei der Profilaußendurchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser der aus dem Profil herzustellenden Zahnräder entsprechen kann (s. u.).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines runden Voll- oder Hohlprofils aus Metall, welches am Außenumfang und/oder am Innenumfang mit einer Schrägverzahnung ausgebildet ist, umfasst eine Zieh- oder Pressmatrize, die wenigstens eine die Schrägverzahnung ausformende (negative) Verzahnungskontur aufweist, wobei die Verzahnungskontur mit einem Drall ausgebildet ist. Um die beim Durchziehen oder Durchpressen erforderliche Drehbewegung zu ermöglichen, ist die Zieh- oder Pressmatrize drehbar gelagert. Die Matrize kann frei drehend gelagert sein. Ebenso kann ein Antrieb (bspw. bestehend aus Motor und Getriebe) vorgesehen sein, der eine Matrizendrehbewegung erzeugt. Bevorzugt sind die erzeugte Matrizendrehbewegung und der Profilvorschub bzw. -abzug aufeinander abgestimmt, wie bereits erläutert.
Alternativ zu einer drehbar gelagerten Matrize oder ergänzend hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Zugstange oder dergleichen aufweisen, welche die für das Ziehen bzw. Durchziehen erforderliche Zugkraft auf das Profil aufbringt, wobei diese Zugstange drehbar gelagert sein kann, um beim Ziehen eine Drehbewegung des erzeugten Profils zu ermöglichen.
Alternativ zu einer drehbar gelagerten Matrize oder ergänzend hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine Profilführung oder dergleichen aufweisen, welche das beim Pressen bzw. Durchpressen erzeugte Profil aufnimmt, wobei diese Profilführung drehbar gelagert sein kann, um beim Pressen eine Drehbewegung des erzeugten Profils zu ermöglichen.
Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen die Herstellung eines mit Schrägverzahnung ausgebildeten Profils, welches dann im Weiteren als Halbzeug für die Herstellung von schrägverzahnten Zahnrädern verwendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung schrägverzahnter Zahnräder umfasst die Schritte:

- Bereitstellen eines erfindungsgemäß hergestellten bzw. erzeugten Profils;
- Zerteilen des Profils in einzelne Abschnitte, insbesondere durch Trennschnitte quer zur axialen Richtung, wobei die Abschnitte, vorzugsweise Scheiben, dann zu den schrägverzahnten Zahnrädern weiter verarbeitet werden.

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der Querschnitt des Profils zumindest annähernd dem Querschnitt bzw. Stirnschnitt der herzustellenden Zahnräder entspricht, so dass der weitere Fertigungsaufwand zur Fertigstellung der Zahnräder gering ist. Insbesondere ist zur Fertigstellung der Schrägverzahnungen an den herzustellenden Zahnrädern kein aufwändiges Wälzfräsen mehr erforderlich, sondern nur noch ein Verzahnungsschleifen, da bei der Herstellung des schrägverzahnten Profils bereits eine Verzahnungsqualität und -genauigkeit erreicht wird, die wenigstens der des Wälzfräsens entspricht und in der Praxis diese sogar übertrifft. Bevorzugt wird das Profil so hergestellt, dass beim späteren Verzahnungsschleifen weniger als 0,1 mm abgetragen werden müssen.
Weitere Bearbeitungsschritte zur Fertigstellung der Zahnräder können sein: Entgraten, Bohren, Ausdrehen, Plandrehen, Härten (bspw. Einsatzhärten oder Nitrieren), Strahlen, Phosphatieren und dergleichen.
Zusammenfassend bietet die Erfindung folgende Vorteile (keine abschließende Aufzählung):

- Kostengünstige und qualitativ hochwertige Herstellung eine Halbzeugs sowie daraus hergestellter Zahnräder mit Schrägverzahnung.
- Kurze und schnelle Prozesskette mit wenigen Herstellschritten.
- Hohe Stückzahlen möglich, d. h. seriengeeignet (auch Großserien).
- Sehr gute Materialausnutzung.
- Nur verhältnismäßig kleiner Maschinenpark erforderlich (d. h. geringe Invest- und Betriebskosten) - insbesondere können konventionelle Fräs- und Wälzfräsmaschinen eingespart bzw. für andere Erzeugnisse genutzt werden.
- Vorhandene Zieh- oder Pressmaschinen können nachgerüstet werden.
- Festigkeitsvorteile aufgrund einer im Wesentlichen umformenden Herstellung.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen können die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 zeigt ein schrägverzahntes Zahnrad.
2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines schrägverzahnten Profils, welches im Weiteren für die Herstellung des Zahnrads aus 1 verwendet wird.
3 zeigt die in der Vorrichtung aus 2 verwendete Matrize zur Herstellung des schrägverzahnten Profils.

Das in 1 gezeigte massive Stirnzahnrad 200 ist an seinem Außenumfang mit einer Schrägverzahnung 220 ausgebildet und weist eine zentrale Bohrung 210 auf. Das aus einem Stahlmaterial gebildete Zahnrad 200 kann auch an seinem Innenumfang 215 mit einer Verzahnung, gegebenenfalls auch mit einer Schrägverzahnung, ausgebildet sein. Mit L ist die Rotationsachse bezeichnet. Das Zahnrad 200 weist z. B. einen Durchmesser von 40 mm bis 60 mm auf und wird insbesondere als Getriebeteil verwendet.
Erfindungsgemäß wird das Zahnrad 200 aus einem Profil 110 (siehe 2) hergestellt, welches an seinem Außenumfang bereits mit einer Schrägverzahnung 120 versehen ist. Von diesem Profil 110 werden Abschnitte bzw. Scheiben heruntergeschnitten, die dann zu Zahnrädern entsprechend der 1 weiterverarbeitet werden, wie oben beschrieben. Die Verzahnung des Profils 110 hat bereits eine endkonturnahe Vorform, so dass der Fertigungsaufwand zur Fertigstellung eines Zahnrads 200 vergleichsweise gering ist.
2 zeigt eine Vorrichtung 300 zur Herstellung eines mit einer Außenschrägverzahnung 120 ausgebildeten Vollprofils 110. Das in einem Rezipienten 310 aufgenommene und erwärmte Ausgangsmaterial 100 wird kontinuierlich durch eine Matrize 320 gezogen oder gedrückt, wobei das strangartige runde Vollprofil 110 erzeugt wird, wie mit dem Vorschubpfeil U veranschaulicht. Die Umformkraft wird mittels Stempel 330 und/oder Zugstange 340 aufgebracht. Die axiale Richtung L entspricht der Rotationsachse des Zahnrads 200.
Die Matrize 320 weist eine negative Verzahnungskontur 325 auf (siehe 3), mit der beim Ziehen oder Pressen die Außenverzahnung 120 am Profil 110 ausgeformt wird. Um eine Schrägverzahnung zu erhalten, ist die Verzahnungskontur 325 der Matrize 320 mit Drall ausgebildet, wie in 3 gezeigt. Beim Ziehen oder Pressen des Profilstrangs 110 führt die Matrize 320 oder das auslaufende Profil 110 aufgrund des Dralls eine Drehbewegung aus, wie mit dem Drehpfeil D veranschaulicht. Entsprechend sind die Matrize 320 und/oder die Zugstange 340 drehbar gelagert. Ferner kann ein motorischer Antrieb M zur Erzeugung der Drehbewegung D vorgesehen sein.
Der Durchmesser des Profils 110 entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser des im Weiteren daraus hergestellten Zahnrads 200 und beträgt z. B. 40 mm bis 60 mm. Der kontinuierliche Umformprozess kann so ausgelegt sein, dass in der Matrize 320 keine nennenswerte Durchmesserveränderung erfolgt, sondern dass nur die wendelartige Außenverzahnung 120 eingeformt wird.
Die Bohrung 210 im Zahnrad 200 kann durch Bohren und/oder Ausdrehen der vom Profil 110 abgetrennten Abschnitte bzw. Scheiben, die quasi als endkonturnah vorgeformte Rohlinge fungieren, erzeugt werden. Mithilfe eines zur Matrize 320 gehörenden Dorns (nicht gezeigt) kann ferner ein hohles Profil 110 bzw. Hohlprofil erzeugt werden. Außerdem kann als Ausgangsmaterial 100 bereits ein Rohr verwendet werden, das gegebenenfalls beim Umformen mittels Dorn abgestützt oder dessen Innendurchmesser beim Umformen mittels Dorn verändert wird.
Der Innendurchmesser eines aus einem Vollmaterial oder Rohr erzeugten Hohlprofils entspricht bevorzugt im Wesentlichen dem späteren Bohrungsdurchmesser (des Zahnrads) oder ist ein noch zu bearbeitendes Vormaß (Endmaß + Bearbeitungsaufmaß). Mithilfe eines entsprechend gestalteten Dorns kann am Innenumfang eines Hohlprofils auch eine Verzahnung oder dergleichen ausgeformt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69103109 T2 [0003]
DE 102010060927 A1 [0003]
DE 102012017525 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines runden Voll- oder Hohlprofils (110) aus Metall, das am Außenumfang und/oder Innenumfang mit einer Schrägverzahnung (120) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (110) mittels Ziehen oder Pressen durch eine mit einer Verzahnungskontur (325) ausgebildeten Matrize (320) hergestellt wird, wobei die Verzahnungskontur (325) einen Drall aufweist und die Matrize (320) oder das Profil (110) eine Drehbewegung (D) ausführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung (D) durch einen Antrieb (M) erzeugt wird, wobei die Drehbewegung (D) und der Profilvorschub (U) aufeinander abgestimmt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziehen oder Pressen des Profils (110) warm erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das hergestellte Profil (110) eine Länge zwischen 4 m und 12 m aufweist.
Vorrichtung (300) zur Herstellung eines runden Voll- oder Hohlprofils (110) aus Metall, das am Außenumfang und/oder Innenumfang mit einer Schrägverzahnung (120) ausgebildet ist, umfassend eine Zieh- oder Pressmatrize (320), die eine die Schrägverzahnung (120) ausformende Verzahnungskontur (325) aufweist, wobei die Verzahnungskontur (325) mit einem Drall ausgebildet ist und die Zieh- oder Pressmatrize (320) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (320) frei drehend gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb (M) zur Erzeugung einer Matrizendrehbewegung (D) vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung schrägverzahnter Zahnräder (200), umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Profils (110), das mit einem Verfahren und/oder einer Vorrichtung (300) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche hergestellt wurde; - Zerteilen des Profils (110) in einzelne Abschnitte, welche dann zu den schrägverzahnten Zahnrädern (200) weiter verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägverzahnungen (220) an den herzustellenden Zahnrädern (200) nur durch Verzahnungsschleifen fertig bearbeitet werden.