DE102019109183A1

DE102019109183A1 - Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle

Info

Publication number: DE102019109183A1
Application number: DE102019109183.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Rudert
Original assignee: Winkelmann Powertrain Components GmbH and Co KG
Current assignee: Winkelmann Powertrain Components GmbH and Co KG
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2020-10-08
Also published as: CN111790801A; EP3953079B1; US20220219218A1; JP2022527535A; EP3953079A1; WO2020207960A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle aus einer rohrförmigen Vorform durch Drückwalzen, wobei beide Enden der Vorform jeweils mit wenigstens einer Umformrolle umgeformt werden, wobei eine rohrförmige Vorform (1) mit beliebigem Querschnitt verwendet und die Vorform (1) während des gesamten Herstellprozesses bis zur fertigen Hohlwelle im mittleren Rohrbereich (1a) on einem Werkstückhalter (2) gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle aus einer rohrförmigen Vorform durch Drückwalzen, wobei beide Enden der Vorform jeweils mit wenigstens einer Umformrolle umgeformt werden.
Ein solches Verfahren ist aus DE 103 37 929 A1 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von einteiligen Hohlkörpern mit profilierten Endbereichen aus einer Vorform mit kreisförmigem Rohrquerschnitt, wobei zunächst in einem ersten Verfahrensschritt die Vorform in ihrem mittleren Bereich abgestreckt wird. Nach Abschluss dieses Abstreckschrittes wird die Vorform in einem anderen Werkstückhalter eingesetzt und anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt mindestens ein Endbereich abgestreckt und dieser Endbereich in einem dritten Verfahrensschritt ggf. weiterbearbeitet.
Dieses bekannte Verfahren ist jedoch relativ aufwendig, da es für die Durchführung der verschiedenen Verfahrensschritte notwendig ist, die Vorform bzw. die teilweise bereits umgeformte Vorform nacheinander in unterschiedlichen Werkstückhaltern zu halten, so dass kein kontinuierlicher Umformprozess möglich ist. Außerdem ist beim Wechsel des Werkstückhalters eine aufwendige Justierung erforderlich, um eine exakte Konzentrizität der Vorform mit den Umformrollen zu gewährleisten. Ferner ist das Verfahren auf rohrförmige Vorformen beschränkt, die durch Drückwalzen abgestreckt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Verfahren so weiterzuentwickeln, dass es einen kontinuierlichen Verfahrensablauf ermöglicht und universell einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine rohrförmige Vorform mit beliebigem Querschnitt verwendet und die Vorform während des gesamten Herstellprozesses bis zur fertigen Hohlwelle im mittleren Rohrbereich von einem Werkstückhalter gehalten wird.
Das Verfahren ermöglicht es, mit nur einem Werkstückhalter den gesamten Umformprozess durchzuführen, so dass das gesamte Umformverfahren kontinuierlich ablaufen kann. Dabei entfallen auch zusätzliche Justierungen, die bei einem Werkstückhalterwechsel erforderlich wären. Außerdem ist es möglich, rohrförmige Vorformen mit beliebigem Querschnitt, also nicht nur kreisringförmige Vorformen, zu verwenden, so dass sich die so hergestellte Hohlwelle für verschiedene Anwendungszwecke eignet, z.B. für die Aufnahme von Wicklungspaketen bei einem Elektromotor. Während der jeweiligen Umformung wird die Vorform relativ zur wenigstens einen Umformrolle in Drehbewegung versetzt, wozu der Werkstückhalter mit der Vorform und/oder die wenigstens eine Umformrolle angetrieben wird.
Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass eine rohrförmige Vorform mit einem polygonalen Querschnitt verwendet wird. Grundsätzlich sind beliebige Polygonalformen möglich. Bei der Umformung bleibt der polygonale Querschnitt im mittleren Rohrbereich, der vom Werkstückhalter gehalten ist, unverändert, während nur die Endbereiche rotationssymmetrisch umgeformt werden.
Als Vorform können sowohl gezogene als auch geschweißte Rohre verwendet werden.
In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die beiden Enden der Vorform wenigstens teilweise gleichzeitig umgeformt werden. Damit wird einerseits die Umformzeit verkürzt, andererseits führt dies zu einer Drehmomentneutralisierung im mittleren Rohrbereich.
Je nach Anforderungen an die fertige Hohlwelle ist bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens ein Ende ein- oder mehrfach abgestuft wird, d.h. es werden axial aneinander angrenzende Bereiche mit unterschiedlichen Durchmessern erzeugt.
Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, dass in wenigstens ein Ende eine Außen- und/ oder Innenprofilierung eingebracht wird.
Dabei ist weiterhin vorgesehen, dass vor dem Einbringen der Außen- und/oder Innenprofilierung in das wenigstens eine Ende ein ggf. profilierter Innendorn axial eingeführt wird.
Wenn die fertige Hohlwelle an beiden Enden eine Außen- oder Innenprofilierung aufweisen soll, ist entsprechend vorgesehen, dass in beide Enden jeweils ein Innendorn eingeführt wird. Zum Einbringen einer Außenprofilierung wird wenigstens eine entsprechend profilierte Umformrolle und ein nicht profilierter Innendorn und zum Einbringen einer Innenprofilierung wird wenigstens eine nicht profilierte Umformrolle und ein profilierter Innendorn verwendet.
Es kann ganz besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die beiden Innendorne stirnseitig kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden. Die stirnseitigen Enden der beiden Innendorne können z.B. eine Stirnverzahnung aufweisen und werden axial gegeneinander gedrückt und dadurch verriegelt, so dass entstehende seitliche Radialkräfte abgefangen werden können.
Schließlich ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Umformung wenigstens zeitweise unter Wärmebeaufschlagung erfolgt. Die Wärme kann beispielsweise induktiv erzeugt werden und durch diese Wärmeaufbringung kann gleichzeitig eine Härtung des Bauteiles erreicht werden.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigen in

1 einen Längsschnitt durch eine rohrförmige Vorform,
2 einen Schnitt gemäß der Linie A-A in 1 mit drei verschiedenen Ausführungsformen,
3 eine perspektivische Darstellung der in einem mittleren Rohrbereich von einem Werkstückhalter gehaltenen Vorform während der Umformung,
4 eine Seitenansicht der 3, teilweise im Längsschnitt,
5 einen Längsschnitt durch eine fertige Hohlwelle,
6 ein Detail X in 5,
7 ein Detail Y in 5,
8 einen Längsschnitt durch eine Hohlwelle während der Umformung unter Verwendung zweier geteilter Innendorne,
9 eine Abwandlung der 8 mit zwei in Axialrichtung formschlüssig miteinander verbundenen Innendornen,
10 eine perspektivische Darstellung der beiden Innendorne nach 9,
11 einen Endbereich einer Vorform mit einer eine radiale und axiale Kraft aufbringenden Umformrolle und
12 eine perspektivische Darstellung der 11.

Eine rohrförmige Vorform ist in 1 allgemein mit 1 bezeichnet. Diese rohrförmige Vorform 1 kann ein gezogenes oder geschweißtes Rohr aus Metall sein. Für die Erfindung wesentlich ist, dass die rohrförmige Vorform einen beliebigen Querschnitt aufweisen kann.
In 2 ist beispielhaft angedeutet, dass sie einen kreisförmigen, quadratischen oder dreieckförmigen Querschnitt aufweisen kann. Generell sind in Anpassung an den jeweiligen Einsatzzweck beliebige Querschnittsformen, vorzugsweise polygonale Querschnittsformen möglich.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der mittlere Rohrbereich 1a der rohrförmigen Vorform 1 nicht umgeformt wird, ist dieser Bereich z.B. ohne weitere Bearbeitung zur Aufnahme von Wicklungspaketen eines Elektromotors od. dgl. geeignet.
Um aus der rohrförmigen Vorform 1 durch Drückwalzen eine Hohlwelle herzustellen, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die rohrförmige Vorform 1 über den gesamten Herstellungsprozess bis zur fertigen Hohlwelle in ihrem mittleren Rohrbereich 1a von einem Werkstückhalter 2 gehalten wird. Dieser geteilte, ringförmige Werkstückhalter 2 weist dementsprechend eine Innenkontur auf, die der Außenkontur der rohrförmigen Vorform 1 entspricht.
Da die Vorform 1 während des gesamten Herstellungsprozesses vom Werkstückhalter 2 in ihrem mittleren Bereich 1a gehalten wird, kann der gesamte Verfahrensablauf kontinuierlich ohne Wechsel in einen anderen Werkstückhalter erfolgen.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die beiden Enden 1b und 1c der Vorform 1 wenigstens teilweise gleichzeitig mittels allgemein mit 3 bezeichneter Umformrollen umgeformt werden. Dabei ist zur Umformung jedes der beiden Enden 1b, 1c mindestens eine Umformrolle 3 vorgesehen. Beim Ausführungsbeispiel nach den 3 und 4 sind für die Umformung des Endes 1b drei Umformrollen 3 und des Endes 1c eine Umformrolle 3 angedeutet.
Die Umformrollen 3 sind, bezogen auf die Längsachse 4 der Vorform 1, radial verfahrbar ausgebildet. Je nach gewünschtem Umformvorgang können sie zusätzlich auch in axialer Richtung verfahrbar sein.
Während der Umformung werden die Drückrollen 3 gegenüber dem Werkstückhalter 2 und der rohrförmigen Vorform 1 in Rotationsbewegung versetzt, so dass entweder die Drückrollen 3 oder der Werkstückhalter 2 mit der Vorform 1 angetrieben werden.
Durch die in den 3 und 4 dargestellte Umformung werden die beiden Enden 1b und 1c der Vorform 1 rotationssymmetrisch umgeformt, d.h. die beiden Enden 1b und 1c weisen dann keine polygonale Querschnittsform mehr auf, wenn die ursprüngliche Vorform 1 einen polygonalen Querschnitt aufgewiesen hat. Der polygonale Querschnitt bleibt selbstverständlich im unbearbeiteten mittleren Bereich 1a erhalten.
Ausgehend von der bereits an beiden Enden 1b und 1c umgeformten rohrförmigen Vorform 1 können die beiden Enden 1b und 1c weiter ohne Wechsel des Werkstückhalters 2 umgeformt werden.
In 5 ist dargestellt, dass die beiden Enden 1b und 1c in radialer Richtung gesehen jeweils zweifach abgestuft ausgebildet sind. Diese abgestuften Bereiche sind in 5 mit 1b', 1b" bzw. 1c', 1c" bezeichnet. Außerdem ist in die beiden Enden 1b und 1c jeweils eine Profilierung eingebracht, nämlich in das Ende 1b eine Innenprofilierung 5 und auf das Ende 1c eine Außenprofilierung 6. Die Innenprofilierung 5 und die Außenprofilierung 6 können eine Verzahnung, eine Rändelung oder eine andere geometrische Form sein.
Zur Erzeugung der Innenprofilierung 5 bzw. der Außenprofilierung 6 werden geeignete Formrollen als Umformrollen sowie Innendorne verwandt.
Ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel ist in 8 dargestellt. Die Vorform 1 ist unverändert in ihrem mittleren Bereich 1a im Werkstückhalter 2 gehalten und in das bereits abgestufte Ende 1b ist ein Innendorn 7 ohne Profilierung axial eingeführt, während in das Ende 1c ein Innendorn 8 mit Außenprofilierung 8a eingeführt ist. Um beim Ausführungsbeispiel nach 8 am Ende 1b der Vorform 1 eine Außenprofilierung 6 einzubringen, ist neben dem Innendorn 7 wenigstens eine Umformrolle 9 mit einer Außenprofilierung 9a vorgesehen. Um andererseits in das Ende 1c der Vorform 1 eine Innenprofilierung 5 einzubringen, ist neben dem Innendorn 8 mit Außenprofilierung 8a wenigstens eine Umformrolle 10 ohne Außenprofilierung vorgesehen, d.h. das Ende 1c wird von der Umformrolle 10 in die Außenprofilierung 8a des Innendornes 8 eingedrückt, so dass die Innenprofilierung 5 entsteht.
Im Unterschied zur Ausführungsform nach 8 werden bei der Ausführungsform nach den 9 und 10 nicht zwei getrennte Innendorne 7 und 8 eingesetzt, sondern die beiden Innendorne 7' und 8' werden stirnseitig und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Dazu weisen die beiden Innendorne 7' und 8' jeweils eine komplementäre Stirnverzahnung 7a, 8a auf. Die Innendorne 7' und 8' werden dann während der Umformung in axialer Richtung durch außenseitige Druckbeaufschlagung zusammengedrückt, wodurch bei der Umformung entstehende seitliche Radialkräfte abgefangen werden.
Es ist auch möglich, an wenigstens einem der beiden Enden 1b, 1c der Vorform 1 während der Umformung (in der Umformzone) Metallmaterial nachzuführen, wenn eine axiale Kraft auf das jeweilige Ende 1b bzw. 1c aufgebracht wird. Dieser Umformvorgang ist in den 11 und 12 dargestellt. Dabei wird wenigstens eine Umformrolle 11 verwendet, die einen stufenförmigen, rohrförmigen äußeren Umfangsbereich mit einer umlaufenden Anlagefläche 11a aufweist. Mit dieser Umformrolle 11 wird auf die Vorform 1 eine axiale Kraft F_axial und eine radiale Kraft F_radial aufgebracht. Diese Materialnachführung kann auch mehrfach, z.B. vor der eigentlichen Umformung der Enden 1b, 1c und danach, durchgeführt werden.
Der gesamte Herstellungsprozess kann allein durch Kaltumformung erfolgen. Ganz oder zeitweise kann aber auch die Umformung unter Wärmebeaufschlagung stattfinden, z.B. durch induktive Wärmeerzeugung. Dadurch kann gleichzeitig eine Härtung der Vorform 1 erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Rohrförmige Vorform
1a: Mittlerer Rohrbereich
1b, 1c: Enden
1b', 1c': Abgestufter Bereich
1b", 1c": Abgestufter Bereich
2: Werkstückhalter
3: Umformrollen
4: Längsachse
5: Innenprofilierung
6: Außenprofilierung
7,7': Innendorn
8,8': Innendorn
8a: Außenprofilierung
8b: Stirnverzahnung
9: Umformrolle
9a: Außenprofilierung
9b: Stirnverzahnung
10: Umformrolle
11: Umformrolle
F_axial: axiale Kraft
F_radial: radiale Kraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10337929 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle aus einer rohrförmigen Vorform durch Drückwalzen, wobei beide Enden der Vorform jeweils mit wenigstens einer Umformrolle umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine rohrförmige Vorform (1) mit beliebigem Querschnitt verwendet und die Vorform (1) während des gesamten Herstellprozesses bis zur fertigen Hohlwelle im mittleren Rohrbereich (1a) von einem Werkstückhalter (2) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine rohrförmige Vorform (1) mit einem polygonalen Querschnitt verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine gezogene oder geschweißte Vorform (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Enden (1b,1c) der Vorform (1) wenigstens teilweise gleichzeitig umgeformt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ende (1b,1c) ein- oder mehrfach abgestuft wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens ein Ende (1b,1c) eine Außen- und/oder Innenprofilierung (5,6) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbringen der Außen- und/oder Innenprofilierung (5,6) in das wenigstens ein Ende (1b,1c) ein ggf. profilierter Innendorn (7,7',8,8') axial eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in beide Enden (1b,1c) jeweils ein Innendorn (7,7',8,8') eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Innendorne stirnseitig kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung wenigstens zeitweise unter Wärmebeaufschlagung erfolgt.