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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit zumindest einem Ausschnitt aus einem Blechband einer vorgegebenen Dicke mittels eines mehrstufigen Feinschneid-/Umformprozesses mit sequentiell folgenden Bearbeitungsschritten.
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Gattungsgemäße Werkstücke, beispielsweise Zahnräder, Kettenräder und dergleichen können mittels Feinschneid-/Umformverfahren aus Bandmaterialien wie Blechband, sogenannten Coils hergestellt werden. Hierbei werden die einzelnen Funktionsbereiche in sequentiell aufeinander folgenden Bearbeitungsschritten des Blechbands durch Feinschneiden und Umformen wie beispielsweise Prägen, Fließpressen und dergleichen hergestellt.
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Aufgrund der vorgegebenen Materialdicke des Blechbands sind Form und Abstände von mehreren Ausschnitten eines Werkstücks, beispielsweise ein minimaler Abstand zwischen Ausschnitten, der maximal der Dicke des Materials entspricht, im Stand der Technik etabliert.
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Aufgabe der Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung eines Verfahrens zur Herstellung gewichtsreduzierter Werkstücke bei gleichzeitig hoher Belastungsmöglichkeit. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung eines leichten und hoch belastbaren Kettenrads vorgeschlagen werden.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
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Das vorgeschlagene Verfahren dient der Herstellung eines Werkstücks mit zumindest einem Ausschnitt, beispielsweise zumindest zwei benachbarten Ausschnitten, beispielsweise mit mehreren über den Umfang verteilt angeordneten Ausschnitten eines um eine Drehachse rotationssymmetrische ausgebildeten Werkstücks. Das Werkstück wird aus Blechband einer vorgegebenen beziehungsweise vorgebbaren Dicke hergestellt. Das Blechband kann aufgerollt aus sogenannten Coils handelsüblicher Stahlzusammensetzungen gebildet sein. Die Herstellung erfolgt mittels eines mehrstufigen Feinschneid-/Umformprozesses beispielsweise in einem mehrstufigen Werkzeug. In dem Feinschneid-/Umformprozess erfolgen in bevorzugter Weise die vorgesehenen Bearbeitungsschritte sequentiell aufeinander. Hierzu können beispielsweise Folgeverbundwerkzeuge mit einem getakteten Vorschub des Blechbands um einen Bearbeitungsschritt vorgesehen sein, so dass in der Folge mehrere beziehungsweise alle Bearbeitungsschritte in der Prozessfolge sequentiell aber pro Hub der Presse mehrere Bearbeitungsschritte gleichzeitig durchgeführt werden können. Das Verfahren wird insbesondere als Feinschneideverfahren durchgeführt. Im Gegensatz zum normalen Stanzen wird beim Feinschneiden das Rohmaterial der Schnittkontur folgend mittels einer sogenannten Ringzacke festgehalten. Erst dann schneidet ein Stempel mit der gewünschten Form das Metall.
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Gemäß des vorgeschlagenen Verfahrens wird in einem ersten Bearbeitungsschritt an der Positionen des zumindest einen vorgesehenen Ausschnitts ein vorläufiger Ausschnitt wie Vorschnitt ausgeschnitten. Dieser zumindest eine vorläufige Ausschnitt kann bezüglich seiner Form und/oder Orientierung bereits der späteren Form und/oder Orientierung des zumindest einen endgültigen Ausschnitts ähnlich sein. Der zumindest eine vorläufige Ausschnitt wird je nach erforderlicher Materialverdrängung in bevorzugter Weise kleiner als der zumindest eine endgültige Ausschnitt ausgeschnitten, kann in speziellen Anwendungsfällen auch gleich oder größer als der zumindest eine endgültige Ausschnitt ausgeschnitten werden.
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In einem zweiten Bearbeitungsschritt wird unter Verjüngung der Dicke, beispielsweise durch Querfließpressen von den zumindest einen vorläufigen Ausschnitt umgebenden Bereichen Material des Blechbands in den zumindest einen vorläufigen Vorschnitt verdrängt. In einer bevorzugten Ausführungsform, beispielsweise bei mehreren Ausschnitten in enger Anordnung, beispielsweise einer Anordnung der Ausschnitte über den Umfang verteilt können die umgebenden, verjüngten Bereiche zu einem einzigen verjüngten Ringbereich vereinigt sein. Beispielsweise können bei weit auseinander liegenden Ausschnitten voneinander abgegrenzte, jeweils einen Ausschnitt umgebende Verjüngungen vorgesehen werden. In vorteilhafter Weise sind die Verjüngungen der Bereiche beziehungsweise des Ringbereichs plan ausgebildet. Durch entsprechende Auswahl des Werkzeugs können an beiden Seiten des Werkstücks gleichartige Verjüngungen, asymmetrische oder nur an einer Seite des Werkzeugs vorgesehene Verjüngungen beziehungsweise Bereiche angeprägt werden.
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In einem dritten Bearbeitungsschritt wird aus dem durch die Materialverdrängung erzeugten zumindest einen verengten Vorschnitt der zumindest eine Ausschnitt in seiner endgültigen Form und das Werkstück aus dem Blechband ausgeschnitten. Die drei Bearbeitungsschritte können bei aufwendigen Werkstücken im Anschluss, zwischen oder vor weiteren Bearbeitungsschritten vorgesehen sein. Die drei vorgeschlagenen Bearbeitungsschritte in ihrer Folge können von weiteren Bearbeitungsschritten unterbrochen sein. Bei einer Begrenzung des Verfahrens auf drei Bearbeitungsschritte kann eine entsprechend schmal bauende Presse eingesetzt werden. Alternativ können in einer entsprechenden Presse Verfahren durchgeführt werden, bei denen eine Aneinanderreihung mehrerer gleicher Bearbeitungsschritte in der Breite und/oder in der Tiefe des Pressentisches vorgesehen ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden mittels benachbart zueinander, beispielsweise mittels über den Umfang verteilt vorgesehener Ausschnitte in Umfangsrichtung betrachtet zwischen diesen Stege dargestellt. Die Stege können beispielsweise zur Gewichtseinsparung bionisch ausgebildet sein. Hierzu können die Basen der Stege am Innen- und am Außenumfang breiter als eine Breite der Stege zwischen dem Innen- und Außenumfang vorgesehen sein. Die Stege können zwischen Außen- und Innenumfang beispielsweise zur Vermeidung oder Verminderung eines Taumelverhaltens dachförmig ausgebildet sein, das heißt zwischen Außen- und Innenumfang einen Knick aufweisen. Desweiteren können die Stege insbesondere bei einer bevorzugten Kraftrichtung zwischen Innen- und Außenumfang gegenüber einem Durchmesser eines um eine Drehachse verdrehbaren Werkstücks jeweils schräg gestellt sein. Es versteht sich, dass auch die zur Herstellung der bionisch ausgebildeten Stege entsprechenden Ausschnitte bionisch ausgebildet sein können. Weiterhin können die Ausschnitte zur Verwirklichung weiterer bionischer Anwendungen entsprechend bionisch ausgebildet sein. Unter bionischer Anwendung ist hier die Übertragung von Formen der Natur mit ihren das Gewicht und/oder die Festigkeit verbessernden Eigenschaften zu verstehen.
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Um das Gewicht des Werkstücks weiter zu verringern, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform beispielsweise durch entsprechende Ausbildung der Werkzeuge, eine vorteilhafte Prozessführung, eine entsprechende Auswahl der Zusatzstoffe wie beispielsweise Schmierstoffe ein Stegvolumen der Stege abhängig von der geforderten Festigkeit verringert werden. Beispielsweise kann eine minimale Breite der Stege kleiner als das 1,0-fache der Dicke der verjüngten Bereiche ausgebildet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens können Werkstücke mit Stegen hergestellt werden, welche mit einer minimalen Breite ausgebildet werden und die das 0,8-fache und kleiner als das 1,0-fache der Dicke des verjüngten Materials betragen können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann in dem zweiten Bearbeitungsschritt eine Außenverzahnung an das Werkstück angeprägt werden. Hierdurch können beispielsweise Zahnräder oder Kettenräder hergestellt werden. Um eine notwenige Nachbearbeitung an der dem Feinschneideinzug abgewandten Seite zu vermeiden, kann an dieser Seite des Kopfkreises der Außenverzahnung eine Vorprägung des Kopfkreises der Außenverzahnung vorgesehen werden. Die Verjüngung des Kopfkreises in Richtung des Zahngrundes der Zähne der Außenverzahnung kann dabei bis zu 30% betragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens können die Speichen radial elastisch und zur Vermeidung von Taumelschwingungen axial steif ausgebildet werden. Insbesondere durch die Verjüngung des Blechbands während des zweiten Bearbeitungsschritts werden dabei elastische Bereiche ausgebildet, während der die Speichen umgebende Außenumfang und der innerhalb der Speichen angeordnete Innenumfang im Wesentlichen die Dicke des Blechbands aufweisen und weniger elastisch ausgebildet sind. Insbesondere bei Anwendungen in einem Kettenantrieb einer Nockenwelle mit dem mittels des vorgeschlagenen Verfahrens hergestellten Kettenrad können Lastschläge im Kettenantrieb durch radial elastische Federung des Kettenrads ausgeglichen werden.
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Desweiteren kann in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens in den verjüngten Bereichen eine Materialverfestigung vorgesehen werden. Beispielsweise kann durch den Pressdruck eine Änderung des Materialgefüges vorgesehen sein. Beispielsweise kann diese Verfestigung eine Vergrößerung der Materialhärte zur Folge haben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens können Werkstücke hergestellt werden, welche radial innerhalb der beispielsweise die Speichen bildenden Ausschnitte zweite Ausschnitte in den nicht verjüngten Bereichen enthalten. Hierzu können entsprechende Ausschnitte, die Befestigungsöffnungen, beispielsweise drei über den Umfang auf demselben Durchmesser angeordnete Befestigungsöffnungen, Öffnungen zur Gewichtseinsparung, beispielsweise in Umfangsrichtung zwischen den Befestigungsöffnungen vorgesehene Öffnungen zur Gewichtseinsparung, Zentrieröffnungen oder dergleichen bilden. Die zusätzlichen Ausschnitte können beispielsweise im dritten Bearbeitungsschritt ausgeschnitten werden. Hierbei kann ein minimaler Abstand der Ausschnitte gegenüber den zweiten Ausschnitten kleiner als das 1,0-fache, bevorzugt größer als das 0,8-fache und kleiner als das 1,0-fache der Dicke des Blechbands ausgebildet werden.
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Weiterhin kann mittels des Verfahrens in dem Werkstück ein zentraler Ausschnitt vorgesehen werden. Ein minimaler Abstand der zweiten Ausschnitte zu dem zentralen Ausschnitt kann dabei kleiner als das 1,0-fache, bevorzugt größer als das 0,8-fache und kleiner als das 1,0-fache der Dicke des Blechbands ausgebildet werden.
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Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 einen Streifenplan zur Durchführung des Verfahrens und Herstellung eines Kettenrads,
- 2 einen Schnitt durch den Streifenplan der 1 entlang der Schnittlinie A-A
- 3 eine Ansicht des mittels des Verfahrens entsprechend dem Streifenplan der 1 und 2 hergestellten Kettenrads und
- 4 einen Schnitt durch das Kettenrad der 3 entlang der Schnittlinie B-B.
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Die 1 zeigt den Streifenplan 1 mit den drei Bearbeitungsschritten I, II, III zur Durchführung eines Verfahrens, mittels dessen das als Kettenrad 3 ausgebildete Werkstück 2 aus Blech aus dem Blechband 4 hergestellt wird. In dem ersten Bearbeitungsschritt I werden die über den Umfang verteilt angeordneten vorläufigen Ausschnitte 5 ausgeschnitten. Die Ausschnitte 5 sind in Anzahl, Form und Ausrichtung bereits den im Bearbeitungsschritt II eingebrachten endgültigen Ausschnitten 9 nachempfunden.
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In dem zweiten Bearbeitungsschritt II werden die vorläufigen Ausschnitte 5 umgebenden Bereiche 6, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein umlaufender, planer Ringbereich 7, in dem die einzelnen Bereiche 6 fließend ineinander übergehen, hergestellt. Hierbei wird Material des Blechbands 4 in die vorläufigen Ausschnitte 5 verdrängt, so dass die Fläche dieser verringert wird und die Bereiche 6 in ihrer Dicke auf ein vorgegebenes Maß verjüngt werden. Beispielsweise kann die Dicke des Blechmaterials in den Bereichen 6 auf das 0,5-fache bis 0,6-fache verjüngt werden. Die Blechdicken können beispielsweise 3,0 bis 6,0 mm betragen. Durch den Verdrängungsvorgang des Materials in die vorläufigen Ausschnitte 5 kann eine große Formtreue des Werkstücks 2 erzielt werden. Gleichzeitig werden die Bereiche 6 verfestigt, das heißt, dass das Gefüge des Materials der Bereiche 6 verändert werden kann.
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Zusätzlich wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel des Verfahrens in Bearbeitungsschritt II die Außenverzahnung 8 angeprägt. Die Anprägung erfolgt in der Weise, dass an der späteren Schnittkante an dem Kopfkreis Anprägungen 18 vorgesehen werden, so dass beim Ausschneiden der Außenverzahnung 8 eine Nachbearbeitung vermieden werden kann.
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In dem dritten Bearbeitungsschritt III werden die endgültigen Ausschnitte 9, der zentrale Ausschnitt 10, die als Befestigungsöffnungen dienenden Ausschnitte 11 sowie die mit diesen über den Umfang abwechselnden, insbesondere zur Gewichtseinsparung vorgesehenen Ausschnitte 12 ausgeschnitten. Desweiteren wird das gesamte Werkstück 2 aus dem Blechband 4 ausgeschnitten.
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Die Ausschnitte 9 erweitern die vorläufigen Ausschnitte 5 in der Weise, dass zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Ausschnitten 9 über den Umfang angeordnete Stegen 13 gebildet werden, die in ihrer Dicke gegenüber dem im Wesentlichen der Dicke des Blechbands 4 entsprechenden Außenumfang 14 und dem Innenumfang 15 verjüngt sind. Die Stege 13 werden durch entsprechende Werkzeugformen bionisch geformt ausgebildet und weisen gegenüber den radial äußeren und radial inneren Basen 16, 17 eine minimale Breite b auf, die größer als die Dicke der Bereiche 6 sein kann. In besonders vorteilhaften Ausführungsformen kann die maximale Breite b kleiner als die Dicke der Bereiche 6 hergestellt werden. Bei Werkstücken 2 wie beispielsweise Kettenrädern 3 mit einer bevorzugten Last in eine bevorzugte Drehrichtung um die Drehachse d können die Stege 13 durch entsprechende Ausbildung des Feinschneidwerkzeugs der Bearbeitungsschritte I und III gegenüber den komplementären Durchmessern schräg gestellt sein. Durch eine entsprechend ausgelegte Dicke der Bereiche 6 unter Berücksichtigung der minimalen Breite b und dem radialen Abstand der Basen 16, 17 kann eine vorgegebene radiale Elastizität der Stege 13 eingestellt werden.
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Die 2 zeigt den Streifenplan 1 der 1 entlang des Schnitts A-A mit den Bearbeitungsschritten I, II, III. In Bearbeitungsschritt I sind in der gezeigten Schnittlinie die vorläufig hergestellten Ausschnitte 5 nur teilweise sichtbar. Unterhalb des Blechbands 4 ist der Ausschnitt 19 der vorläufigen Ausschnitte 5 dargestellt.
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Im Bearbeitungsschritt II sind die gegenüber dem Blechband 4 mit der Dicke D1 verjüngten Bereiche 6 mit der Dicke D2 in Form des Ringbereichs 7 mit den verengten Ausschnitten 5 gezeigt. Die Anprägungen 18 des Kopfkreises der Außenverzahnung 8 (1) sind in dieser Schnittlinie nicht einsehbar.
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Der Bearbeitungsschritt III zeigt das aus dem Blechband 4 ausgeschnittenen, bevorzugt werkzeugfallend fertiggestellte Werkstück 2 wie Kettenrad 3 unterhalb des Blechbands 4 mit der einsehbaren Außenverzahnung 8, dem verjüngten Ringbereich 7 und dem zentralen Ausschnitt 10.
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Die 3 und 4 zeigen in der Zusammenschau das mittels des anhand des Streifenplans der 1 und 2 erläuterten Verfahrens hergestellte Kettenrad 3 in Ansicht (3) und um Schnitt entlang der Schnittlinie B-B der 1 (4). Insbesondere zur Gewichtseinsparung enthält das Kettenrad 3 mit dem Durchmesser d1 zwischen den Durchmessern d2, d3 den gegenüber der Dicke D1 verjüngten Ringbereich 7 mit der Dicke D2. In dem verjüngten Ringbereich 7 sind die in einem ersten Bearbeitungsschritt vorgeschnittenen nach der Verjüngung des Ringbereichs 7 fertiggestellten Ausschnitte 9 über den Umfang verteilt angeordnet und bilden durch ihre Form die bionisch ausgebildeten, in Umfangsrichtung schräg gestellte Stege 13 mit minimaler Breite b und gegenüber dieser in Umfangsrichtung erweiterten Basen 16, 17.
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Die Außenverzahnung 8 ist vor deren Ausschnitt an ihrem Kopfkreis vorgeprägt, um eine Nachbearbeitung zu vermeiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Streifenplan
- 2
- Werkstück
- 3
- Kettenrad
- 4
- Blechband
- 5
- Ausschnitt
- 6
- Bereich
- 7
- Ringbereich
- 8
- Außenverzahnung
- 9
- Ausschnitt
- 10
- Ausschnitt
- 11
- Ausschnitt
- 12
- Ausschnitt
- 13
- Steg
- 14
- Außenumfang
- 15
- Innenumfang
- 16
- Basis
- 17
- Basis
- 18
- Anprägung
- 19
- Ausschnitt
- b
- Breite
- d
- Drehachse
- d1
- Durchmesser
- d2
- Durchmesser
- d3
- Durchmesser
- D1
- Dicke
- D2
- Dicke
- I
- Bearbeitungsschritt
- II
- Bearbeitungsschritt
- III
- Bearbeitungsschritt
- A-A
- Schnittlinie
- B-B
- Schnittlinie