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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Flanschwelle mit einem ersten Hohlwellenabschnitt, einem zweiten Hohlwellenabschnitt und einem zwischen den Hohlwellenabschnitten angeordneten, nach radial außen kragenden Flansch.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine mittels eines derartigen Verfahrens hergestellte Flanschwelle.
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Die Erfindung bezieht sich schließlich auf einen Rohling zur Herstellung einer derartigen Flanschwelle.
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Fertigungstechnisch ungünstig geformte Flanschwellen, d.h. Hohlwellen mit einem nichtendständig angeordneten Flansch, finden in der Technik vielfach Anwendung, beispielsweise als Rotorwelle für den Rotor einer elektrischen Maschine. Der Flansch dient dabei als Anschlag für ein Spulenpaket, welches koaxial auf die Rotorwelle aufgeschoben wird. Der Flansch darf dabei nicht endständig auf der Hohlwelle sitzen. Vielmehr muss die Hohlwelle axial über den Flansch hinausragen, um eine Ansatzstelle für Lager und/oder eine Abtriebswelle zu bieten.
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Üblicherweise werden solche Flanschwellen aus mehreren Ausgangselementen gefügt. Typischerweise werden zwei entsprechend dimensionierte Rohrabschnitte verwendet, deren einer an seinem einen Ende durch Umbörderlung einen endständigen Flansch erhält. Ein zweiter Rohrabschnitt wird alsdann im Flanschbereich angeschweißt. Aus der oben genannten gattungsbildenden Druckschrift ist ein derartiges Verfahren bekannt, wobei die Details der Ausbildung des Flansches auf dem zugeordneten Rohrabschnitt nicht genannt sind.
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Der Fügeprozess stellt einen zusätzlichen Arbeitsschritt dar, der zeit- und damit kostenaufwendig ist und zugleich, wie jeder zusätzliche Prozessschritt, eine zusätzliche Fehlerquelle darstellt.
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Grundsätzlich denkbar ist natürlich die spanabhebende Herausarbeitung der Flanschwelle aus Vollmaterial. Dies ist in der Regel jedoch im Hinblick auf den Arbeits- und Materialaufwand nicht wirtschaftlich.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass eine Herstellung von Flanschwellen mit nicht-endständigem Flansch ohne separaten Fügeprozess ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, durch ein Verfahren mit den Schritten:
- - Bereitstellen eines geschmiedeten Rohlings, umfassend
- ◯ einen Flansch,
- ◯ axial einerseits des Flansches einen koaxialen Rohrabschnitt, dessen Innendurchmesser nahezu dem Innendurchmesser des ersten Hohlwellenabschnitts entspricht, dessen Außendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des ersten Hohlwellenabschnitts und dessen axiale Länge geringer ist als die Länge des ersten Hohlwellenabschnitts, und
- ◯ axial andererseits des Flansches einen koaxialen Zapfenabschnitt, dessen Durchmesser nahezu dem Außendurchmesser des zweiten Hohlwellenabschnitts entspricht,
- - inkrementelles, spanloses Umformen des Rohrabschnitts in den ersten Hohlwellenabschnitt,
- - spanabhebendes Einbringen einer koaxialen Durchgangsöffnung in den Zapfenabschnitt.
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Die resultierende Flanschwelle, die Gegenstand von Anspruch 8 ist, ist besonders wirtschaftlich und aufgrund der Abwesenheit einer Fügenaht auch besonders widerstandsfähig.
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Zentraler Bestandteil der Erfindung ist besagter, geschmiedeter Rohling, der eigenständiger Gegenstand von Anspruch 9 ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung beruht auf der Bereitstellung eines speziellen, geschmiedeten Rohlings. Dieser umfasst den Flansch, der bereits nahezu auf Endmaß gefertigt ist. Er umfasst weiter einen Rohrabschnitt, der radial innen nahezu auf Endmaß, radial außen auf Übermaß und axial auf Untermaß gefertigt ist. Und er umfasst schließlich andererseits des Flansches einen Zapfenabschnitt aus Vollmaterial, der radial außen und vorzugsweise auch axial konturnah auf Endmaß gefertigt ist. Anspruch 1, der den Rohr- bzw. den Zapfenabschnitt mit den Hohlwellenabschnitten vergleicht, ist daher so zu verstehen, dass hier die Dimensionen des Rohlings mit den Dimensionen der zu fertigenden Flanschwellen verglichen werden. Der Fachmann wird verstehen, dass die Ausdrücke „(nahezu / konturnah) auf Endmaß gefertigt“ bzw. „nahezu entsprechen“ die bei einem reinen Schmiedeprozess unvermeidbaren Ungenauigkeiten und daher auch gegebenenfalls notwendige, zusätzliche Schritte zur Oberflächenvergütung und/oder Präzisionsdimensionierung ebenso wie das Einbringen von Zusatzstrukturen, wie Gewinden, Verzahnungen, Anlaufschrägen etc. berücksichtigen.
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Ein derartiges Schmiedeteil als solches ist im Stand der Technik unbekannt. Es kann besonders bevorzugt mittels eines Pressprozesses geschmiedet werden. Der in einem Hub durchgeführte Prozess kann mehrere Stufen umfassen, insbesondere eine Stauchungsstufe, eine Vorformstufe und eine Fertigformstufe. Besonders bevorzugt erfolgt dieser Pressprozess in einer sogenannten horizontalen Schnellschmiedemaschine, die mit höheren Taktraten gefahren werden kann als herkömmliche Vertikalschmiedepressen.
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Als bevorzugtes Ausgangsteil wird ein zylindrischer Vollmaterialabschnitt verwendet, insbesondere aus Stahl. Es resultiert ein materialeinheitlicher, einstückiger Rohling.
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In manchen Fällen ist es jedoch erwünscht, dass die eigentliche Welle und der Flansch aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind. Beispielsweise wird häufig eine Materialkombination aus Stahl für die Welle und Aluminium für den Flansch gefordert. In solchen Fällen kann der Rohling durch Hybridschmieden hergestellt werden, sodass der Zapfen- und der Rohrabschnitt aus dem gleichen Material, insbesondere Stahl, bestehen, welches sich von dem Material des Flansches, insbesondere Aluminium unterscheidet. Für eine solchen Hybridschmiedevorgang kann vorgesehen sein, dass der Rohling mittels eines Pressprozesses aus einem zylindrischen Ausgangsteil und einer dieses umgreifenden Ringscheibe aus einem vom Material des zylindrischen Ausgangsteils, insbesondere Stahl, verschiedenen Material, insbesondere Aluminium, geschmiedet wird. Im Rahmen der Stauchung des zylindrischen Ausgangsteils kommt es zu einer form- oder stoffschlüssigen Verbindung mit der Ringscheibe, die im Rohling den Flansch bildet und einstückig, wenngleich materialuneinheitlich mit dem Zapfen- und dem Rohrabschnitt verbunden ist.
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Unabhängig von seiner konkreten Herstellung dient der Flansch als Ausgangselement für den weiteren Umformprozess zur angestrebten Flanschwelle. Dabei werden sein Rohrabschnitt und sein Zapfenabschnitt unterschiedlichen Bearbeitungsprozessen unterzogen.
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Der Rohrabschnitt wird einem inkrementellen, spanlosen Umformen in den ersten Hohlabschnitt unterworfen. Dieses inkrementelle Umformen kann mittels eines Drückwalzprozesses, insbesondere eines Abstreckdrückprozesses, realisiert werden. Dabei fährt ein Dorn formschlüssig in das Lumen des Rohrabschnitts ein. Der Rohling selbst wird um seine Symmetrieachse gedreht wobei von radial außen angreifende Drückrollen ein Materialfließen nach radial innen sowie in axialer Richtung bewirken. Der Innendurchmesser bleibt dabei nahezu erhalten. Der Außendurchmesser verringert sich erheblich. Ebenso vergrößert sich die axiale Länge, sodass der Rohrabschnitt des Rohlings in den ersten Hohlwellenabschnitt der Flanschwelle umgeformt wird. Auf diese Weise lassen sich sehr lange, dünnwandige Hohlwellenabschnitte erzeugen.
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Alternativ kann das inkrementelle Umformen mittels eines Radialumformungsprozesses realisiert werden. Wie dem Fachmann bekannt ist, wird beim Radialumformen das Lumen des Rohrabschnitts ebenfalls mittels eines Dorns formschlüssig gefüllt. Anstelle von Drückrollen wird der Rohrabschnitt jedoch relativ von zu radial außen angreifenden Formschuhen rotiert.
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Beide Varianten sind geeignet um, wie bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, abschnittsweise Verjüngungen mit inneren Hinterschnitten im ersten Hohlwellenabschnitt zu realisieren.
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Der Zapfenabschnitt hat hingegen, wie oben erläutert bereits konturnahes Endmaß. In ihn ist lediglich eine Durchgangsöffnung zum Lumen des ersten Hohlwellenabschnitts einzubringen, um den zweiten Hohlwellenabschnitt der Flanschwelle zu erzeugen. Dies kann ohne weiteres spanabhebend, beispielsweise durch Fräsen oder Drehen erfolgen. Dies stellt insofern keinen Bruch mit den erfindungsgemäßen Gesamtkonzept dar, als im zweiten Hohlwellenabschnitt häufig Koppelstrukturen für weitere Elemente, beispielsweise eine Steckverzahnung oder ähnliches vorgesehen ist, deren Herstellung ohnehin eine spanabhebende Bearbeitung erfordert. Aufgrund der typischerweise kurzen Länge des Zapfenabschnitts ist der Materialverlust durch die spanabhebende Bearbeitung gering.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigen:
- 1: eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Rohlings,
- 2: eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Flanschwelle sowie
- 3: eine schematische Skizze des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens in einer vorteilhaften Ausführungsform.
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Rohlings 10, der als Schmiedeteil hergestellt wurde, vorzugsweise aus Stahl. Der Rohling 10 umfasst einen Flansch 11, einerseits (rechts in 1) des Flansches 11 einen Rohrabschnitt 12 und andererseits (links in 1) des Flansches 11 einen Zapfenabschnitt 13. Während der Zapfenabschnitt 13 aus Vollmaterial besteht, umgreift die Wandung des Rohrabschnitts 12 ein freies Lumen 14.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Flanschwelle 20, in welche der Rohling 10 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens umgeformt wird. Die Flanschwelle 20 weist einen Flansch 21, einerseits (rechts in 2) des Flansches 21 einen ersten Hohlwellenabschnitt 22 und andererseits (links in 2) des Flansches 21 einen zweiten Hohlwellenabschnitt 23 auf. Die Wandung des ersten Hohlwellenabschnitts 22 umgreift ein freies Lumen 24. Im Bereich des freien Endes des ersten Hohlwellenabschnitts 22 zeigt dessen Wandung eine Verjüngung 25, die mit einem Hinterschnitt 26 im Lumen 24 einhergeht. Der zweite Hohlwellenabschnitt 23 weist in seinem Inneren eine Steckverzahnung 27 sowie einen profilierten Eingangsbereich 28 auf.
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Der Innendurchmesser des Rohrabschnitts des Rohlings 10 entspricht nahezu dem Innendurchmesser des ersten Hohlwellenabschnitts 22 der Flanschwelle 20 (abgesehen von deren verjüngten Endabschnitt). Der Außendurchmesser des Rohrabschnitts 12 des Rohlings 10 ist hingegen deutlich größer als der Außendurchmesser des ersten Hohlwellenabschnitts 22 der Flanschwelle 20, die allerdings axial deutlich länger ist als der Rohrabschnitt 12. Der Außendurchmesser des Zapfenabschnitts 13 entspricht, abgesehen von einer nachträglich eingebrachten Oberflächenprofilierung, dem Außendurchmesser des zweiten Hohlwellenabschnitts 23 der Flanschwelle 20.
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Um vom Rohling 10 von 1 zur Flanschwelle 20 von 2 zu gelangen, wird bevorzugt das in 3 skizzierte Druckwalzverfahren angewendet. Der Rohrabschnitt 12 wird relativ zur einer Mehrzahl von Drückrollen 30 rotiert, während ein Dorn 32 formschlüssig in das freie Ende des Rohrabschnitts 12 eingreift, um dessen Lumen 14 innen zu stabilisieren. Sodann werden die Drückrollen 30 unter vorgegebener Zustellung relativ zum Rohrabschnitt 12 axial verfahren, wobei das Wandungsmaterial des Rohrabschnitts 12 radial und axial fließt, um den deutlich dünnwandigeren und axial längeren ersten Hohlwellenabschnitt 22 zu bilden.
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Nach Entnahme des Dorns 32 bzw. seinem Ersatz durch einen dünneren Dorn, der in 3 nicht dargestellt ist, können unter weiterer Anwendung des Drückwalzverfahrens die Verjüngung 25 und der Hinterschnitt 26 im ersten Hohlwellenabschnitt 22 ausgebildet werden.
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Der Flansch 11 sowie der Zapfenabschnitt 13 erfahren in diesem Prozessschritt keine wesentliche Umformung.
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Im Anschluss an die beschriebene Herstellung des ersten Hohlwellenabschnitts 22 wird - in 3 nicht dargestellt - der Zapfenabschnitt 23 hohlgebohrt und bestimmungsgemäß profiliert, beispielsweise durch Einbringung der Steckverzahnung 27 und eines profilierten Eingangsabschnitts 28. Auch eine äußerliche, spanabhebende Bearbeitung zur Ausbildung einer äußeren Profilierung kann vorgesehen sein. Letzteres gilt auch für den Flansch 11 des Rohlings 10, um ihn in den letztendlich angestrebten Flansch 21 der Flanschwelle 20 umzugestalten, sowie für den ersten Hohlwellenabschnitt 22.
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Eine erfindungsgemäße Flanschwelle eignet sich insbesondere als Rotorwelle für den Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Traktionsmaschine in einem elektrifizierten Kraftfahrzeug.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rohling
- 11
- Flansch von 10
- 12
- Rohrabschnitt von 10
- 13
- Zapfenabschnitt von 10
- 14
- Lumen von 12
- 20
- Flanschwelle
- 21
- Flansch von 20
- 22
- erster Hohlwellenabschnitt von 20
- 23
- zweiter Hohlwellenabschnitt von 20
- 24
- Lumen von 22
- 25
- Verjüngung
- 26
- Hinterschnitt
- 27
- Steckverzahnung
- 28
- profilierter Eingangsabschnitt
- 30
- Drückrolle
- 32
- Dorn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016215979 A1 [0004]
