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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit mindestens einem Vorsprung, insbesondere einem Zahn, sowie ein damit hergestelltes Bauteil.
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Technischer Hintergrund
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In vielen technischen Bereichen kommen Bauteile mit mindestens einem Vorsprung zum Einsatz. Ohne jegliche Beschränkung darauf, kann es sich bei dem Vorsprung um einen Zahn bzw. eine Verzahnung, d.h. eine Anordnung mehrere Zähne, handeln.
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Verzahnungen werden zumeist spanend hergestellt. Für Hochleistungszahnräder wird oft mittels einer Warm/Halbwarmumformoperation das Material vorverteilt. So werden Laufverzahnungen fast immer zerspanend hergestellt, Steckverzahnungen können auch zu vollständig umformend hergestellt werden. Kegelräder werden dahingegen allerdings oft auch nur mittels einer Umformung ohne große Nachbereitung hergestellt.
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Die
JP 2009 101 387 A offenbart ein Werkzeug zum Formen eines Zahnrads und eine Extrusionsformvorrichtung mit dem Werkzeug zum Formen eines Zahnrads.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Herstellen Bauteilen mit mindestens einem Vorsprung beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So führt ein reiner Kaltumformprozess zumeist zu unzureichend ausgeformten Verzahnungen und einer hohen Matrizenbelastung. Bei einem kalten, aber auch bei einem warmen Prägeprozess wird keine ausreichende Formfüllung erzielt bzw. es sind enorme Presskräfte notwendig, um die Formfüllung zu erhöhen, was wiederum in einer sehr hohen Werkzeugbeanspruchung und Werkzeugversagen resultiert. Auch wird die umformtechnische Herstellung vieler Bauteile verhindert. Die spanende Nacharbeit ist aus wirtschaftlicher Sicht nicht erwünscht. Ein warmer Umformprozess bringt ggf. höhere Formfüllungen und damit etwas besser ausgeprägte Verzahnungen mit sich, ist jedoch bis auf wenige Ausnahmen nicht wirtschaftlich. Außerdem bilden sich hier Zunder und die Maßhaltigkeit ist bedeutend schlechter. An der Presse muss eine kostenintensive Anlage zur Bauteilerwärmung vorgesehen werden, was einen flexiblen Einsatz des Werkzeugs erschwert. Weiterhin entsteht durch die Wärmeeinbringung ein Verzug, wodurch sich der Toleranzbereich der Bauteilabmessungen vergrößert. Herkömmliche Umformverfahren haben eine erheblich höhere Matrizenbelastung was die Lebensdauer deutlich reduziert. Da die Belastung höher ist, wird die Qualität der Bauteile negativ beeinflusst. Mit steigender Verzahnungshöhe steigt bei herkömmlichen Umformverfahren auch der Prozesskraftbedarf. Unter anderem werden daher mit herkömmlichen Verfahren eher kleine Verzahnungen in Umformprozessen gefertigt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit mindestens einem Vorsprung und ein dadurch herstellbares Bauteil bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll ein Bauteil mit mindestens einem Vorsprung, wie beispielsweise einer Verzahnung, mit hoher Maßhaltigkeit bzw. Maßgenauigkeit, geringen Prozesskräften und hoher Formfüllung mittels eines Verfahrens der Kaltmassivumformung bereitgestellt werden. Insbesondere sollen auch sehr hohe Vorsprünge bzw. Verzahnungen an dem Bauteil hergestellt werden können.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird adressiert durch ein Verfahren und ein Bauteil mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
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Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
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Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
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Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit mindestens einem Vorsprung umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:
- - Bereitstellen eines umformbaren Halbzeugs, wobei das Halbzeug aus mindestens einem Material hergestellt ist, das Metall aufweist,
- - Ausbilden eines Werkstücks mit mindestens einer Erhebung aus dem Halbzeug,
- - Bereitstellen eines Umformwerkzeugs, wobei das Umformwerkzeug mindestens einen Stempel, eine Matrize und mindestens eine Kavität mit einer Form zum Ausbilden einer Außengeometrie mindestens eines Vorsprungs aufweist,
- - Anordnen des Werkstücks in dem Umformwerkzeug, wobei die Erhebung des Werkstücks in einer vorbestimmten Position relativ zu der Kavität des Umformwerkzeugs angeordnet wird,
- - Umformen des Werkstücks mittels des Umformwerkzeugs derart, dass die Erhebung die Kavität ausfüllt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit zwei Stufen. In der ersten Stufe wird zunächst eine Erhebung an dem Halbzeug vorgeformt. Die Vorform in Form der Erhebung muss nicht zwingend umformtechnisch hergestellt werden. Die Erhebung kann für einen zu bildenden hohen Vorsprung beispielsweise in Form von einem Zapfen oder Pin ausgebildet werden. Diese hat optional an der Spitze eine Orientierung, mit welcher das Werkstück in der zweiten Stufe am Stempel orientiert werden kann. Hierdurch kann ein Winkelversatz vermieden werden. In der nachfolgenden zweiten Stufe wird die Erhebung mit dem Stempel angestaucht. Hierbei werden die Spitze oder Flanken des herzustellenden Vorsprungs in der Kavität zunächst aus der Erhebung ausgeformt bzw. ausgebildet und gleichzeitig die Erhebung breiter. Der Stempel legt sich dabei an die Erhebung an, um diese umzuformen und so den Vorsprung auszuformen. Somit können insbesondere lange Vorsprünge, wie beispielsweise Zapfen oder Zähne, ohne sehr hohe Prozesskräfte erzeugt werden. Ein bedeutender Unterschied zu herkömmlichen Herstellungsverfahren ist entsprechend, dass in einem nachfolgenden Schritt diese Erhebung umgeformt und ggf. dabei gestaucht wird. Damit der Übertrag zwischen den beiden Umformstufen ohne einen Winkelversatz gewährleistet werden kann, können optional die Flanken der Vorsprungsspitze mit der auszubildenden Kontur in der zweiten Stufe des Verfahrens angeformt werden. Hierdurch kann das Werkstück in der zweiten Stufe ohne besondere Vorkehrungen orientiert werden. Allerdings sind hier auch weitere Ausführungen denkbar. Nachdem das Werkstück in die zweite Umformstufe eingelegt wurde, wird die Erhebung umgeformt und ggf. gestaucht, was bei Stirnverzahnungen durch eine Stempelbewegung und beim Querfließpressen durch ein Nachfließen des Werkstoffes vom Fuß der Erhebung realisiert wird. Hierdurch wird insbesondere bei hohen Ausführungen die Erhebung breiter und kürzer. Dabei werden die Spitze oder Flanken in der Kavität zunächst aus der Erhebung ausgeformt. Der Werkstoff legt sich während dieses Umformprozesses an die herzustellen Geometrie des Vorsprungs in der Matrize an. Der Fuß des Vorsprungs wird erst bei Prozessende ausgeformt. Hierdurch können sehr hohe Vorsprünge wie beispielsweise Zähne mit deutlich geringeren Prozesskräften hergestellt werden. Mit dem neuen Verfahren können somit insbesondere hohe Verzahnungen ohne zusätzliche Erwärmung hergestellt werden. Die Matrizenbelastung wird erheblich reduziert, was die Qualität der Bauteile erhöht und die Werkzeugstandzeit steigert. Das Verfahren kann neben Verzahnung auch für weitere schwer ausfüllbare Geometrien verwendet werden.
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Bei dem Umformen des Werkstücks kann eine äußere Form der Erhebung einer Form der Kavität angepasst werden. Mit anderen Worten kann eine Außenform der Erhebung einer Innenform der Kavität angepasst werden, so dass der auf diese Weise mittels Umformen ausgebildete Vorsprung eine der Kavität entsprechende Form aufweist. Dabei kann die Erhebung mit vergleichsweise geringen Prozesskräften derart umgeformt werden, dass der ausgebildete Vorsprung die Kavität im Wesentlichen vollständig füllt. Unter „im Wesentlichen ausfüllen“ ist dabei ein nahezu vollständiges Ausfüllen der Kavität zu verstehen, d.h. ein Ausfüllen von mindestens 85 %, bevorzugt mindestens 90% und noch bevorzugter mindestens 95 % eines Volumens der Kavität.
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Das Umformen des Werkstücks mittels des Umformwerkzeugs kann Stauchen, Voll-Fließpressen, Quer-Fließpressen, Hohl-Fließpressen, Napfen, und/oder Schmieden der Erhebung umfassen. Es versteht sich, dass grundsätzlich auch weitere Umformverfahren denkbar sind. Entsprechend eignen sich in Abhängigkeit von der Art bzw. Form des auszubildenden Vorsprungs verschiedene Umformverfahren bzw. Kombinationen an Umformverfahren.
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Bei dem Umformen des Werkstücks kann eine Flanke und/oder eine Spitze des Vorsprungs vor einem Fuß des Vorsprungs ausgebildet werden. Entsprechend wird der Übergang des Vorsprungs zum Werkstück erst nach den Seitenflächen des Vorsprungs ausgebildet, was die Prozesskräfte weiter reduziert. Dabei kann die Spitze vor der Flanke des Vorsprungs ausgebildet werden.
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Bei dem Ausbilden der Erhebung kann ein Abschnitt einer Außenfläche der Erhebung als Orientierungsfläche ausgebildet werden, wobei die Orientierungsfläche zum Orientieren des Werkstücks in dem Umformwerkzeug ausgebildet sein kann. Somit wird in der ersten Stufe an der Spitze der Erhebung eine Orientierung ausgebildet, mit welcher das Werkstück in der zweiten Stufe am Stempel orientiert werden kann. Hierdurch kann ein Winkelversatz vermieden werden.
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Ein Volumen der Erhebung kann mindestens so groß wie ein Volumen des Vorsprungs sein. Eine Höhe der Erhebung kann bei speziellen Ausführungen auch geringer ausfallen als bei dem zu bildenden Vorsprung. Die Breite der Erhebung ist hierbei nicht so entscheidend. Beispielsweise ist die Erhebung am Anfang in der ersten Stufe des Verfahrens höher und wird dann durch das Umformen in der zweiten Stufe in die Breite gestaucht.
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Die Kavität kann eine Form zum Ausbilden einer geraden oder gekrümmten Flanke des Vorsprungs aufweisen. Entsprechend lassen sich verschiedene Formen für den Vorsprung realisieren.
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Die Erhebung und/oder die Kavität können eine symmetrische oder asymmetrische Form aufweisen. Entsprechend lassen sich nicht nur symmetrische Formen für den Vorsprung realisieren, sondern im Wesentlichen auch beliebige Formen.
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Das Verfahren umfasst weiterhin Bereitstellen eines Vorformwerkzeugs, wobei das Vorformwerkzeug mindestens einen Vorformstempel, eine Vorformmatrize und mindestens eine Vorformkavität mit einer Form zum Ausbilden mindestens einer Erhebung aufweist, und Anordnen des Halbzeugs in dem Vorformwerkzeug. Dabei umfasst das Ausbilden des Werkstücks mit der mindestens einen Erhebung Umformen des Halbzeugs mittels des Vorformwerkzeugs. Entsprechend wird in der ersten Stufe des Verfahrens die Erhebung mittels eines Umformverfahrens ausgebildet. Alternativ wird das Werkstück mit der mindestens einen Erhebung mittels Schmieden oder Scherschneiden ausgebildet.
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Der Vorformstempel kann einen Freistich und/oder einen Fließbund im Bereich der Vorformkavität aufweisen. Da hierbei durch einen Freistich und Fließbund der Kontakt zwischen Stempel und Werkstück während des Umformprozess ungefähr gleichbleibt, bleibt die Prozesskraft annähernd identisch nach Erreichen des Maximums.
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Der Vorsprung kann ein Zahn, insbesondere ein Evolventenzahn, Hirt-Zahn oder Zykloidzahn, sein. Entsprechend lassen sich verschiedene Arten von Verzahnungen realisieren. Es wird explizit betont, dass der Zahn bzw. die Verzahnung nicht an der Stirnseite des herzustellenden Bauteils angebracht werden muss.
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Das Umformwerkzeug kann mehrere Kavitäten mit einer Form zum Ausbilden einer Au-ßengeometrie mehrere Vorsprünge aufweisen. Damit lassen sich mehrere Vorsprünge gleichzeitig in einem einzigen Verfahrensschritt ausbilden.
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Das Bauteil kann ein Zahnrad, insbesondere Stirnrad, Kegelrad, Zahnstange, Kronenrad, Schneckenrad, ein Befestigungselement, eine Unterlagscheibe, ein Schraubenkopf mit Verzahnung einer Unterseite, oder eine Sicherungsscheibe sein. Damit lassen sich verschiedene Arten von Bauteilen mit Verzahnung realisieren.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Bauteil erhalten oder erhältlich durch ein Verfahren nach einem der vorstehend oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen. Ein solches Bauteil weist auch bei größeren oder höheren Vorsprüngen eine gute Ausprägung bzw. Formgenauigkeit oder Maßgenauigkeit auf.
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Ein solches Bauteil kann ein Zahnrad, insbesondere Stirnrad, Kegelrad, Zahnstange, Kronenrad, Schneckenrad, ein Befestigungselement, eine Unterlagscheibe, ein Schraubenkopf mit Verzahnung einer Unterseite, oder eine Sicherungsscheibe sein.
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Der Begriff „Umformen“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein Fertigungsverfahren gemäß DIN8580 beziehen. In einem engeren Sinn kann sich der Begriff auf Massivumformen beziehen, bei dem ein dreidimensionaler Körper umgeformt wird. Es handelt sich also um Verfahren, bei denen Rohteile aus plastischen Werkstoffen, wie beispielsweise Metalle und thermoplastische Kunststoffe, gezielt in eine andere Form gebracht werden, ohne dabei Material von den Rohteilen zu entfernen wie beim Trennen oder hinzuzugeben wie beim Fügen. Der Werkstoff behält seine Masse und seinen Zusammenhalt bei. Beim Trennen und Fügen wird die Masse und der Zusammenhalt dagegen vermindert beziehungsweise vermehrt. Umformen unterscheidet sich von Verformen dadurch, dass die Formänderung gezielt eingebracht wird. Verformung dagegen ist eine ungezielte plastische Formänderung.
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Der Begriff „Umformwerkzeug“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine Maschine zum Umformen eines Werkstoffs oder Halbzeugs beziehen. Umformwerkzeuge bestehen in aller Regel aus einer Matrize, einem Stempel und einer Kavität. In Abhängigkeit von dem jeweiligen Umformwerkzeug kann dieses zusätzlich einen Gegenstempel als Gegenlager für den Stempel oder einen Auswerfer aufweisen. In den meisten Fällen führt der Stempel die zur Umformung benötigte Bewegung aus und die Matrize ist ortsfest. Dabei wird das eingebrachte Halbzeug verformt und in die Kavität gepresst. Die Kavität ist dabei in Abhängigkeit von dem jeweiligen Umformwerkzeug in dem Stempel oder in der Matrize angeordnet. Beispielsweise befindet sich die Kavität bei einem Umformwerkzeug für Voll-Vorwärtsfließpressen im Stempel und befindet sich bei einem Umformwerkzeug für Quer-Fließpressen in der Matrize. Bei den meisten Matrizen ist es aufgrund der hohen Innendrücke, hervorgerufen durch den Umformprozess, notwendig, die Matrize zu verstärken. Dieses Verstärken wird als Armieren bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird mindestens ein sogenannter Armierungsring um die Matrize gelegt. Hierbei ist der Innendurchmesser des Armierungsrings geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Matrize. Es liegt folglich ein Übermaß vor. Werden beide Teile gefügt, so wird der Armierungsring vorwiegend auf Zug beansprucht, wohingegen die Matrize überwiegend auf Druck beansprucht wird. Zu Beginn des Umformprozesses liegt folglich ein Druckspannungszustand in der Matrize vor. Bevor nun die Matrize überhaupt auf Zug beansprucht werden kann muss dieser Druckspannungszustand überwunden werden. Idealerweise ist die Übermaßpassung so bemessen, dass zu keinem Zeitpunkt des Prozesses positive Dehnungsanteile in der Matrize auftreten. Durch das Armieren der Matrizen kann deren Beanspruchbarkeit gesteigert werden.
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Der Begriff „Halbzeug“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein Vormaterial beziehen, also vorgefertigtes Rohmaterial und Werkstücke oder Halbfabrikate der einfachsten Form. Sie bestehen in der Regel aus einem einzelnen Material, welches lediglich in eine grundlegende geometrische Form gebracht wurde. Als Halbzeuge werden beispielsweise einfache Profile (Profilstahl, Konstruktionsprofile), Stangen, Rohre und Platten aus Metall bezeichnet. Werkstücke, die bereits in einem vorbereitenden Fertigungsschritt eine individuelle Form erhalten haben, aber noch für weitere Fertigungsschritte vorgesehen sind, werden auch als Rohling bezeichnet. Der Ausdruck Halbzeug kann sich somit auf ein Material im ungeformten Zustand sowie in einem Zustand während einer Umformung und somit im teilweisen umgeformten Zustand beziehen. Nach Abschluss der Umformung und somit im fertig umgeformten Zustand wird das Halbzeug als Pressteil oder Bauteil bezeichnet.
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Der Begriff „Werkstück“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein einzelnes abgegrenztes Teil weitgehend festen Materials beziehen, das in irgendeiner Form bearbeitet wurde. Mit anderen Worten, kann sich der Begriff Werkstück auf ein Halbzeug beziehen, das in der Verarbeitungskette bereits mindestens einen Verarbeitungsschritt durchlaufen hat und das für einen weiteren Verarbeitungsschritt vorgesehen ist.
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Der Begriff „Bauteil“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein fertig bearbeitetes Werkstück beziehen. Mit anderen Worten, kann sich der Begriff Bauteil auf ein Werkstück beziehen, das in der Verarbeitungskette bereits sämtliche Verarbeitungsschritte durchlaufen hat.
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Der Begriff „Fließpressen“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein Fertigungsverfahren gemäß DIN8583 beziehen. Hierbei handelt es sich um ein Massivumformungsverfahren, das durch einen einstufigen oder mehrstufigen Fertigungsvorgang sowohl Hohl- als auch Vollkörper erstellt. Beim Fließpressen handelt es sich um ein Umformverfahren, bei dem vorwiegend eine Druckbeanspruchung zum umzuformenden Werkstück vorliegt. Die Fließpressverfahren sind in der DIN 8583-6 näher beschrieben und werden dort zusätzlich anhand der Querschnittsform vor Beginn der Umformung näher unterteilt. Wird der Querschnitt des Rohteils nicht durch Aussparungen vermindert, so wird vom Voll-Fließpressen, bei vermindertem Querschnitt vom Hohl-Fließpressen gesprochen. Weiterhin ist eine Unterscheidung nach der Fließrichtung des Werkstoffs relativ zur Stempelbewegungsrichtung möglich. Hierbei haben sich folgende Unterscheidungen herauskristallisiert. Beim Vorwärtsfließpressen sind Werkstofffluss und Stempelbewegungsrichtung gleich. Beim Rückwärtsfließpressen sind Werkstofffluss und Stempelbewegungsrichtung entgegengesetzt. Beim Querfließpressen ist der Werkstofffluss quer zur Stempelbewegungsrichtung. Eine Kombination dieser drei Fließpressverfahren ist möglich. Fließpresswerkzeuge bestehen in aller Regel aus einer Matrize und einem Stempel. In den meisten Fällen führt der Stempel die zur Umformung benötigte Bewegung aus und die Matrize ist ortsfest. Der Gegenstempel kann auch als sogenannter Auswerfer ausgebildet oder verbunden sein. Ein solcher Auswerfer dient zum Auswerfen des durch Umformen hergestellten Pressteils aus der Matrize.
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Der Begriff „Fuß“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf einen Rumpf oder Übergang eines Werkstücks oder Bauteils von dessen Grundkörper in eine Erhebung oder einen Vorsprung beziehen. Mit anderen Worten kann sich der Begriff Fuß einer Erhebung oder eines Vorsprungs auf denjenigen Bereich beziehen, der den Beginn der Erhebung oder des Vorsprungs vom Werkstück oder Bauteil kommen und in Richtung spitze gehend darstellt.
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Der Begriff „Flanke“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf einen seitlichen Bereich einer Erhebung oder eines Vorsprungs beziehen, der sich zwischen einem Fuß und einer Spitze der Erhebung oder des Vorsprungs befindet.
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Der Begriff „Freistich“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine Abtragung, Aussparung oder Vertiefung an mindestens einer Innenfläche der Kavität des Umformwerkzeugs mit einer bestimmten Form und festgelegten Maßen beziehen, die dem einzubringenden Material des Halbzeugs bei der Fertigung den erforderlichen Freiraum gibt. Ein solcher Freistich kann die Reibungskräfte beim Einbringen des Materials des Halbzeugs bei der Fertigung reduzieren.
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Der Begriff „Fließbund“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine kanalförmige und bevorzugt gerade, d.h. mit konstantem Querschnitt, Einlassstrecke der Kavität des Umformwerkzeugs beziehen. Ein Fließbund bewirkt verhindert eine schiefe oder geneigte Ausbildung des Vorsprungs oder der Erhebung.
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Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
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Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger und/oder einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
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Der Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“, wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Datenspeicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem computer-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random-Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder umfassen.
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Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
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Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
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Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
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Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
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Im Hinblick auf die computer-implementierten Aspekte der Erfindung können einer, mehrere oder sogar alle Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß einer oder mehreren der hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Somit können, allgemein, jegliche der Verfahrensschritte, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Allgemein können diese Schritte jegliche der Verfahrensschritte umfassen, ausgenommen der Schritte, welche manuelle Arbeit erfordern, beispielsweise das Bereitstellen von Proben und/oder bestimmte Aspekte der Durchführung tatsächlicher Messungen.
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Zusammenfassend werden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, folgende Ausführungsformen vorgeschlagen:
- Ausführungsform 1: Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit mindestens einem Vorsprung, insbesondere einem Zahn, umfassend:
- - Bereitstellen eines umformbaren Halbzeugs, wobei das Halbzeug aus mindestens einem Material hergestellt ist, das Metall aufweist,
- - Ausbilden eines Werkstücks mit mindestens einer Erhebung aus dem Halbzeug,
- - Bereitstellen eines Umformwerkzeugs, wobei das Umformwerkzeug mindestens einen Stempel eine Matrize und mindestens eine Kavität mit einer Form zum Ausbilden einer Außengeometrie mindestens eines Vorsprungs aufweist,
- - Anordnen des Werkstücks in dem Umformwerkzeug, wobei die Erhebung des Werkstücks in einer vorbestimmten Position relativ zu der Kavität des Umformwerkzeugs angeordnet wird,
- - Umformen des Werkstücks mittels des Umformwerkzeugs derart, dass die Erhebung die Kavität ausfüllt,
- - wobei das Verfahren weiterhin Bereitstellen eines Vorformwerkzeugs, wobei das Vorformwerkzeug mindestens einen Vorformstempel eine Vorformmatrize und mindestens eine Vorformkavität mit einer Form zum Ausbilden mindestens einer Erhebung aufweist, und Anordnen des Halbzeugs in dem Vorformwerkzeug umfasst, wobei das Ausbilden des Werkstücks mit der mindestens einen Erhebung Umformen des Halbzeugs mittels des Vorformwerkzeugs umfasst, oder
- - wobei das Verfahren weiterhin Ausbilden des Werkstücks mit der mindestens einen Erhebung mittels Schmieden oder Scherschneiden umfasst.
- Ausführungsform 2: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei bei dem Umformen des Werkstücks eine äußere Form der Erhebung einer Form der Kavität angepasst wird.
- Ausführungsform 3: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Umformen des Werkstücks mittels des Umformwerkzeugs Stauchen, Voll-Fließpressen Quer-Fließpressen, Hohl-Fließpressen, Napfen, und/oder Schmieden der Erhebung umfasst.
- Ausführungsform 4: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei bei dem Umformen des Werkstücks eine Flanke und /oder Spitze des Vorsprungs vor einem Fuß des Vorsprungs ausgebildet wird.
- Ausführungsform 5: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei bei dem Ausbilden der Erhebung ein Abschnitt einer Außenfläche der Erhebung als Orientierungsfläche ausgebildet wird, wobei die Orientierungsfläche zum Orientieren des Werkstücks in dem Umformwerkzeug ausgebildet ist.
- Ausführungsform 6: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei ein Volumen der Erhebung mindestens so groß wie ein Volumen des Vorsprungs ist.
- Ausführungsform 7: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Kavität eine Form zum Ausbilden einer geraden oder gekrümmten Flanke des Vorsprungs aufweist.
- Ausführungsform 8: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Erhebung und/oder die Kavität eine symmetrische oder asymmetrische Form aufweisen.
- Ausführungsform 9: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Vorformwerkzeug einen Freistich und/oder einen Fließbund im Bereich der Vorformkavität aufweist.
- Ausführungsform 10: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Vorsprung ein Zahn, insbesondere ein Evolventenzahn, Hirt-Zahn oder Zykloidzahn, ist.
- Ausführungsform 11: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Umformwerkzeug mehrere Kavitäten mit einer Form zum Ausbilden einer Außengeometrie mehrere Vorsprünge aufweist.
- Ausführungsform 12: Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Bauteil ein Zahnrad, insbesondere Stirnrad, Kegelrad, Zahnstange, Kronenrad, Schneckenrad, ein Befestigungselement, eine Unterlagscheibe, ein Schraubenkopf mit Verzahnung einer Unterseite, oder eine Sicherungsscheibe ist.
- Ausführungsform 13: Bauteil erhalten oder erhältlich durch ein Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen.
- Ausführungsform 14: Bauteil nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Bauteil ein Zahnrad, insbesondere Stirnrad, Kegelrad, Zahnstange, Kronenrad, Schneckenrad, ein Befestigungselement, eine Unterlagscheibe, ein Schraubenkopf mit Verzahnung einer Unterseite, oder eine Sicherungsscheibe ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
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Im Einzelnen zeigen:
- 1 bis 6 schematische Darstellungen eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils mit mindestens einem Vorsprung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 7 eine Modifikation des Verfahrens;
- 8 eine weitere Modifikation des Verfahrens;
- 9 bis 12 schematische Darstellungen eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils mit mindestens einem Vorsprung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 13 ein Diagramm zur Darstellung von Stempelspannung gegenüber einem vertikalen Vorform-Stempelkontakt; und
- 14 ein Diagramm zur Darstellung von Stempelspannung gegenüber einem vertikalen Vorform-Stempelkontakt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 bis 6 zeigen schematische Darstellungen eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils mit mindestens einem Vorsprung gemäß einer ersten Ausführungsform. Die 1 bis 6 zeigen dabei die Abfolge des Verfahrens zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder Stadien. Das Verfahren lässt sich grob in zwei Stufen unterteilen, von denen die erste Stufe in den 1 bis 3 dargestellt ist und die zweite Stufe in den 4 bis 6 dargestellt ist.
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1 zeigt dabei in einer Schnittansicht den Beginn des Verfahrens. Zunächst wird ein umformbares Halbzeug 100 bereitgestellt. Das Halbzeug 100 ist aus mindestens einem Material hergestellt, das Metall aufweist. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird und in den 2 und 3 dargestellt ist, wird aus dem Halbzeug 100 ein Werkstück 102 mit mindestens einer Erhebung 104 ausgebildet. Zu diesem Zweck wird ein Vorformwerkzeug 106 bereitgestellt. Das Vorformwerkzeug 106 umfasst mindestens einen Vorformstempel 108, eine Vorformmatrize 110 und mindestens eine Vorformkavität 112 mit einer Form zum Ausbilden mindestens einer Erhebung. Die Vorformkavität 112 ist bei der gezeigten Ausführungsform an bzw. in dem Vorformstempel 108 angeordnet. Der Vorformstempel 108 weist optional einen Freistich 114 und/oder einen Fließbund 116 im Bereich der Vorformkavität 112 auf. Wie in 1 dargestellt, wird das Halbzeug 100 in dem Vorformwerkzeug 106 angeordnet. Wie in 1 zu erkennen, ist nach dem Anordnen des Halbzeugs 100 in dem Vorformwerkzeug 106 und genauer in der Vorformmatrize 110 die Vorformkavität 112 noch leer oder noch nicht teilweise mit Halbzeug 100 gefüllt.
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2 zeigt dabei in einer Schnittansicht den Beginn des Umformens zum Ausbilden der Erhebung 104. Durch Umformen des Halbzeugs 100 mittels des Vorformwerkzeugs 106 wird das Werkstück 102 mit der mindestens einen Erhebung 104 ausgebildet. Beim Umformen werden der Vorformstempel 108 und die Vorformmatrize 110 derart relativ zueinander bewegt, dass das Halbzeug 100 teilweise in die Vorformkavität 112 hineingepresst wird. Alternativ könnte anstelle der Vorformmatrize 110 auch ein Vorformgegenstempel vorgesehen sein, der sich relativ zu dem Vorformstempel 108 bewegt. Das Umformen in dem Vorformwerkzeug 106 erfolgt somit mittels Prägens.
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3 zeigt dabei in einer Schnittansicht den Abschluss des Umformens zum Ausbilden der Erhebung 104. Genauer zeigt 3 das Vorformwerkzeug 106 mit dem darin angeordneten Halbzeug 100 nach Abschluss des Umformens zum Ausbilden der Erhebung 104. Auf die zuvor beschriebene Weise wird die Erhebung 104 an dem Werkstück 102 ausgebildet. Wie in 3 gezeigt, füllt die Erhebung 104 die Vorformkavität 112 teilweise aus. Die Erhebung 104 kann grundsätzlich eine symmetrische oder asymmetrische Form aufweisen. Hierzu wird die Form der Vorformkavität 112 entsprechend gewählt. Optional wird bei dem Ausbilden der Erhebung 104 ein Abschnitt 118 einer Außenfläche 120 der Erhebung 104 als Orientierungsfläche 122 ausgebildet. Die Orientierungsfläche 122 ist beispielsweise ein schräger Abschnitt 118 der Außenfläche 120. Die Funktion der optionale Orientierungsfläche 122 wird nachstehend noch ausführlicher erläutert. Es wird explizit betont, dass die Erhebung 104 nicht zwingend mittels eines Umformverfahrens hergestellt werden muss. Die Erhebung 104 kann grundsätzlich mittels jedes geeigneten Verfahrens hergestellt werden, wie beispielsweise Schmieden, Scherschneiden, oder dergleichen.
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Wie in den 4 bis 6 dargestellt, wird nachfolgend ein Umformwerkzeug 124 bereitgestellt. 4 zeigt dabei in einer Schnittansicht das Verfahren zu Beginn eines nachfolgenden Umformens des Werkstücks 102 mit der ausgebildeten Erhebung 104. Das Umformwerkzeug 124 umfasst mindestens einen Stempel 126, eine Matrize 128 und mindestens eine Kavität 130 mit einer Form zum Ausbilden einer Außengeometrie mindestens eines Vorsprungs 132. Bei der gezeigten Ausführungsform befindet sich die Kavität 130 in dem Stempel 126. Dabei weist der Stempel 126 keinen Freistich im Bereich der Kavität 130 auf. Die Form der Kavität 130 definiert dabei die herzustellende Form des Vorsprungs132. Die Form der Kavität 130 unterscheidet sich somit von der Form der Vorformkavität 112. Wie in 4 gezeigt, wird das Werkstück 102 mit der ausgebildeten Erhebung 104 in dem Umformwerkzeug 124 angeordnet. Genauer wird das Werkstück 102 in der Matrize 128 derart angeordnet, dass die Erhebung 104 dem Stempel 126 zugewandt ist. Dabei wird die Erhebung 104 des Werkstücks 102 in einer vorbestimmten Position relativ zu der Kavität 130 des Stempels 126 angeordnet. Zu diesem Zweck ist die optionale Orientierungsfläche 122 zum Orientieren des Werkstücks 102 in dem Umformwerkzeug 124 und insbesondere zum Definieren einer vorbestimmten Position relativ zu der Kavität 130 ausgebildet. So liegt die Erhebung 104 mit der Orientierungsfläche 122 zunächst an einem Teil einer Innenfläche der Kavität 130 an. Hierdurch kann ein Winkelversatz vermieden werden. Die Kavität 130 kann grundsätzlich eine symmetrische oder asymmetrische Form aufweisen.
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5 zeigt dabei in einer Schnittansicht einen Verfahrensschritt während des Umformens zum Ausbilden des Vorsprungs 132. Genauer zeigt 5 eine teilweise perspektivische Ansicht des Umformwerkzeugs 124 mit dem darin angeordneten Werkstück 102 während des Umformens zum Ausbilden des Vorsprungs 132. Anschließend erfolgt ein Umformen des Werkstücks 102 mittels des Umformwerkzeugs 124 derart, dass die Erhebung 104 die Kavität 130 ausfüllt. Dabei wird die Erhebung 104 zu dem Vorsprung 132 umgeformt. Das Umformen des Werkstücks 102 mittels des Umformwerkzeugs 124 umfasst grundsätzlich Stauchen, Voll-Fließpressen, Quer-Fließpressen, Hohl-Fließpressen, Napfen, und/oder Schmieden der Erhebung 104. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst das Umformen des Werkstücks 102 mittels des Umformwerkzeugs 124 zumindest Stauchen der Erhebung 104. Bei dem Umformen des Werkstücks 102 wird eine äußere Form der Erhebung 104 einer Form der Kavität 130 angepasst. Wie insbesondere in 5 zu erkennen ist, wird bei dem Umformen des Werkstücks 102 eine Flanke 134 des Vorsprungs 132 vor einem Fuß 136 des Vorsprungs 132 ausgebildet, da der Stempel 126 zunächst an der Flanke 134 anliegt.
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6 zeigt dabei in einer Schnittansicht den Abschluss des Umformens zum Ausbilden des Vorsprungs 132. Genauer zeigt 6 das Umformwerkzeug 124 mit dem darin angeordneten Werkstück 102 nach Abschluss des Umformens zum Ausbilden des Vorsprungs 132. Dabei ist nur ein Teil des Stempels 126 aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt. Die Kavität 130 weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Form zum Ausbilden einer gekrümmten Flanke 134 des Vorsprungs 132 auf. Mit anderen Worten weist die Innenform der Kavität 130 gekrümmte Seitenflächen auf. Zu diesem Zweck weist die Kavität 130 des Stempels 126 des Umformwerkzeugs 124 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine gekrümmt verlaufende, seitliche Innenfläche 138 auf. Die Form der Kavität 130 weist außerdem einen ebenen oder geraden Boden 140 auf, so dass diese eine flache oder ebene Spitze 142 des Vorsprungs 132 ausformt. Die Spitze 142 des Vorsprungs 132 kann alternativ oder zusätzlich vor einem Fuß 136 des Vorsprungs 132 ausgebildet werden.
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Insgesamt weit der Vorsprung einen konisch zu der Spitze 142 hin verjüngenden Querschnitt auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird in der zweiten Stufe des Verfahrens zunächst die Erhebung 104 mittels des Stempels 126 angestaucht. Hierbei wird zunächst die Spitze der Erhebung 104 ausgeformt und gleichzeitig die Erhebung 104 breiter. Der Stempel 126 legt sich dabei an die Erhebung 104 an, um diese auszuformen und den Vorsprung 132 auszubilden. Zuletzt wird der Fuß 136 des Vorsprungs 132 ausgeformt, wie sich insbesondere bei einer Zusammenschau und einem Vergleich der 5 und 6 zu erkennen ist. Wie sich aus einer Zusammenschau bzw. einem Vergleich der 4 und 6 erkennbar ist, ist ein Volumen der Erhebung 104 mindestens so groß wie ein Volumen des Vorsprungs 132. Durch das zweistufige Verfahren werden die Prozesskräfte signifikant reduziert. Das Verfahren eignet sich besonders gut, um sehr hohe oder sehr spitze Vorsprünge 132 oder Vorsprünge 132 mit einer hohen Formfüllung auszuformen. Zum Abschluss des Verfahrens ist das Werkstück 102 zu einem Bauteil 144 mit einem Vorsprung 132 umgeformt worden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Vorsprung 132 ein Zahn. Bei dem Zahn kann es sich insbesondere um einen Evolventenzahn, Hirt-Zahn oder Zykloidzahn handeln.
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7 zeigt eine Modifikation des Verfahrens. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsform des Verfahrens beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile oder Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Kavität 130 des Stempels 126 des Umformwerkzeugs weist bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel eine gerade verlaufende, seitliche Innenfläche 146 auf. Dadurch ist die Form der Kavität 130 bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel zum Ausbilden einer geraden Flanke 134 des Vorsprungs 132 ausgebildet.
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8 zeigt eine weitere Modifikation des Verfahrens. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der in den 1 bis 6 gezeigten Ausführungsform des Verfahrens beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile oder Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Kavität 130 des Stempels 126 des Umformwerkzeugs weist bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel einen konkav gekrümmten Boden 148 auf. Dadurch ist die Form der Kavität 130 bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel zum Ausbilden einer gekrümmten Flanke 134 und einer gekrümmten Spitze 142 des Vorsprungs 132 ausgebildet.
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Das Verfahren kann derart modifiziert werden, dass der Stempel 126 mehrere Kavitäten 130 mit einer Form zum Ausbilden einer Außengeometrie mehrere Vorsprünge 132 aufweist. Damit lässt sich das Bauteil 144 in Form von einem Zahnrad, insbesondere Stirnrad, Kegelrad, Zahnstange, Kronenrad, Schneckenrad, ein Befestigungselement, eine Unterlagscheibe, ein Schraubenkopf mit Verzahnung einer Unterseite, oder eine Sicherungsscheibe herstellen.
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Die 9 bis 12 zeigen schematische Darstellungen eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils mit mindestens einem Vorsprung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die 9 bis 12 zeigen dabei die Abfolge des Verfahrens zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder Stadien. Das Verfahren lässt sich grob in zwei Stufen unterteilen, von denen die erste Stufe in den 9 und 10 dargestellt ist und die zweite Stufe in den 11 und 12 dargestellt ist. Nachstehend werden dabei lediglich die Unterschiede zu dem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile bzw. Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. 9 zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht des Vorformwerkzeugs 106 mit dem darin angeordneten Halbzeug 100. Dabei ist in 9 nur ein Teil der Vorformmatrize 110 aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt. Wie in 9 zu erkennen, ist die Vorformkavität 112 nicht wie bei der ersten Ausführungsform in dem Vorformstempel 108 ausgebildet, sondern in der Vorformmatrize 110. Die Vorformmatrize 110 weist optional einen Freistich 114 und/oder einen Fließbund 116 im Bereich der Vorformkavität 112 auf. Wie in 9 zu erkennen, ist nach dem Anordnen des Halbzeugs 100 in dem Vorformwerkzeug 100 und genauer in der Vorformmatrize 110 die Vorformkavität 112 noch leer oder noch nicht teilweise mit Halbzeug 100 gefüllt. Das Verfahrensstadium der 9 entsprecht somit dem Verfahrensstadium der 1.
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Anschließend erfolgt ein Umformen zum Ausbilden der Erhebung 104. Durch Umformen des Halbzeugs 100 mittels des Vorformwerkzeugs 106 wird das Werkstück 102 mit der mindestens einen Erhebung 104 ausgebildet. Beim Umformen wird der Vorformstempel 108 relativ zu der Vorformmatrize 110 derart relativ zueinander bewegt, dass das Halbzeug 100 teilweise in die Vorformkavität 112 hineingepresst wird. Das Umformen mittels des dem Vorformwerkzeugs 106 erfolgt bei der zweiten Ausführungsform mittels Querfließpressens.
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10 zeigt dabei in einer Schnittansicht den Abschluss des Umformens zum Ausbilden der Erhebung 104. 10 zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht des Vorformwerkzeugs 106 mit dem darin angeordneten Halbzeug 100 nach Abschluss des Umformens zum Ausbilden der Erhebung 104. Dabei ist in 10 nur ein Teil der Vorformmatrize 110 aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt. Auf die zuvor beschriebene Weise wird die Erhebung 104 an dem Werkstück 102 ausgebildet. Wie in 10 gezeigt, füllt die Erhebung 104 die Vorformkavität 112 teilweise aus. Das Verfahrensstadium der 10 entsprecht somit dem Verfahrensstadium der 3.
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Wie in den 11 und 12 dargestellt, wird nachfolgend ein Umformwerkzeug 124 bereitgestellt. 11 zeigt dabei in einer Schnittansicht das Verfahren zu Beginn eines nachfolgenden Umformens des Werkstücks 102 mit der ausgebildeten Erhebung 104. Das Umformwerkzeug 124 umfasst mindestens einen Stempel 126, eine Matrize 128 und mindestens eine Kavität 130 mit einer Form zum Ausbilden einer Außengeometrie mindestens eines Vorsprungs 132. Bei der gezeigten Ausführungsform befindet sich die Kavität 130 in der Matrize 128. Dabei wird das Werkstück 102 mit der ausgebildeten Erhebung 104 in dem Umformwerkzeug 124 angeordnet. Genauer wird das Werkstück 102 in der Matrize 128 derart angeordnet, dass die Erhebung 104 der Matrize 128 zugewandt ist. Dabei weist der Stempel 126 keinen Freistich im Bereich der Kavität 130 auf. Die Form der Kavität 130 unterscheidet sich somit von der Form der Vorformkavität 112.
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11 zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht des Umformwerkzeugs 124 mit dem darin angeordneten Werkstück 102 zu Beginn des Umformens zum Ausbilden des Vorsprungs 132. Dabei ist nur ein Teil der Matrize 128 aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt. Anschließend erfolgt ein Umformen des Werkstücks 102 mittels des Umformwerkzeugs 124 derart, dass die Erhebung 104 die Kavität 130 ausfüllt. Dabei wird die Erhebung 104 zu dem Vorsprung 132 umgeformt. Das Umformen des Werkstücks 102 mittels des Umformwerkzeugs 124 erfolgt bei der zweiten Ausführungsform mittels Quer-Fließpressen der Erhebung 104. Bei dem Umformen des Werkstücks 102 wird eine äußere Form der Erhebung 104 einer Form der Kavität 130 angepasst. Wie insbesondere in 11 zu erkennen ist, wird bei dem Umformen des Werkstücks 102 eine Flanke 134 des Vorsprungs 132 vor einem Fuß 136 des Vorsprungs 132 ausgebildet, da die Matrize 128 zunächst an der Flanke 134 anliegt. Das Verfahrensstadium der 11 entsprecht somit dem Verfahrensstadium der 5.
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12 zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht des Umformwerkzeugs 124 mit dem darin angeordneten Werkstück 102 nach Abschluss des Umformens zum Ausbilden des Vorsprungs 132. Dabei ist nur ein Teil der Matrize 128 aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt. Die Kavität 130 weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Form zum Ausbilden einer gekrümmten Flanke 134 des Vorsprungs 132 auf. Mit anderen Worten weist die Innenform der Kavität 130 gekrümmte Seitenflächen auf. Zu diesem Zweck weist die Kavität 130 der Matrize 128 des Umformwerkzeugs 124 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine gekrümmt verlaufende, seitliche Innenfläche 138 auf. Die Form der Kavität 130 weist außerdem einen ebenen oder geraden Boden 140 auf, so dass diese eine flache oder ebene Spitze 142 des Vorsprungs 132 ausformt. Der Boden 140 kann jedoch grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen, wie beispielsweise gekrümmt oder spitz zulaufend. Die Spitze 142 des Vorsprungs 132 kann alternativ oder zusätzlich vor einem Fuß 136 des Vorsprungs 132 ausgebildet werden.
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Insgesamt weit der Vorsprung einen konisch zu der Spitze 142 hin verjüngenden Querschnitt auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird in der zweiten Stufe des Verfahrens zunächst die Erhebung 104 mittels der Matrize 128 angestaucht. Hierbei wird zunächst die Spitze der Erhebung 104 ausgeformt und gleichzeitig die Erhebung 104 breiter. Die Matrize 128 legt sich dabei an die Erhebung 104 an, um diese auszuformen und den Vorsprung 132 auszubilden. Zuletzt wird der Fuß 136 des Vorsprungs 132 ausgeformt. Zum Abschluss des Verfahrens ist das Werkstück 102 zu einem Bauteil 144 mit einem Vorsprung 132 umgeformt worden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Vorsprung 132 ein Zahn. Bei dem Zahn kann es sich insbesondere um einen Evolventenzahn, Hirt-Zahn oder Zykloidzahn handeln. Das Verfahrensstadium der 12 entsprecht somit dem Verfahrensstadium der 6.
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13 zeigt ein Diagramm zur Darstellung von Stempelspannung gegenüber einem vertikalen Vorform-Stempelkontakt bzw. einer Schattenfläche bei der Herstellung einer Vorform eines Vorsprungs bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und zwei herkömmlichen Verfahren. Mit anderen Worten zeigt das Diagramm der 13 die Stempelspannung an, welche entsteht, wenn die Vorform des Vorsprungs mittels des erfindungsgemäßen und vergleichbaren, herkömmlichen Verfahrens hergestellt wird. Die zwei herkömmlichen Umformverfahren zum Ausbilden einer Vorform für einen Vorsprung sind dabei das sogenannte Free-Divided-Flow und das einstufige Prägen. Das Diagramm der 13 wurde dabei mittels numerischer Simulation ermittelt. Der Werkstoff was dabei 16MnCr5 und der ausgebildete Zahn 1mm breit und hoch. Der Zahn hat nur 25% der Gesamtfläche bedeckt. Links 1,5mm und rechts 1,5mm vom Zahn war eine Ebene. Dabei ist ein vertikaler Vorform-Stempelkontakt in Prozent auf der X-Achse 150 aufgetragen. Der Vorform-Stempelkontakt gibt dabei das prozentuale Verhältnis der Kontaktfläche von Halbzeug mit einer Vorformkavität eines Vorformstempels eines Vorformwerkzeugs an. Auf der Y-Achse 152 ist die mittlere Stempelspannung des Vorformstempels in MPa aufgetragen. Die Kurve 154 gibt dabei den Verlauf der Stempelspannung des Vorformstempels 108 bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an. Die Kurve 156 gibt den Verlauf der Stempelspannung des Vorformstempels beim Free-Divided-Flow-Verfahren an. Die Kurve 158 gibt den Verlauf der Stempelspannung des Vorformstempels beim Prägen an. Weiterhin sind schematische Bildausschnitte zu verschiedenen Stadien der Verfahren eingezeichnet. Für das erfindungsgemäße Verfahren entsprechen die Bildausschnitte den 1, 2 und 3. Für das Free-Divided-Flow-Verfahren stellen drei Bildausschnitte den Beginn und nachfolgende Verfahrensschritte anhand eines Halbzeugs 200 angeordnet in einem Vorformwerkzeug 202 mit einem Vorformstempel 204 und einer Vorformkavität 206 dar. Für das Prägen stellt ein Bildausschnitt einen mittleren Verfahrensschritt anhand eines Halbzeugs 300 angeordnet in einem Vorformwerkzeug 302 mit einem Vorformstempel 304 und einer Vorformkavität 306 dar. Die Kurve 160 gibt die Trendlinie für den Verlauf der Stempelspannung des Vorformstempels beim Prägen an.
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Wie sich aus 13 ergibt sind bei der Herstellung einer Vorform für einen Vorsprung die Stempelspannungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren etwas höher als im Free-Divided-Flow-Verfahren, aber deutlich geringer als beim Prägen. Die Vorformen beider Verfahren benötigen keine vollständige Formfüllung, weshalb die Stempelspannung bedeutend geringer wie bei einer konventionellen Prägeoperation ist. Allerdings ist für das erfindungsgemäße Verfahren ein bedeutend höherer Stempel-Werkstückkontakt notwendig, weshalb die mittlere Stempelspannung deutlich erhöht ist. Daraus kann das Einsatzgebiet der jeweiligen Verfahren bestimmt werden. Das Free-Divided-Flow-Verfahren ist geeignet für Verzahnungen mit extrem niedriger Dichte. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für hohe bis mittlere Dichten und deutlich ausgeprägte Vorsprünge, wie beispielsweise extreme Verzahnungsgeometrien, aufgrund der geringen Kräfte bei während des Verzahnungspressens.
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14 zeigt ein Diagramm zur Darstellung von Stempelspannung gegenüber einem vertikalen Stempelkontakt bei der Herstellung eines Vorsprungs aus einer Vorform bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und zwei herkömmlichen Verfahren. Mit anderen Worten zeigt das Diagramm der 14 die Stempelspannung an, welche entsteht, wenn der Vorsprung in seiner Endform aus einer Vorform mittels des erfindungsgemäßen und vergleichbaren, herkömmlichen Verfahrens hergestellt wird. Die zwei herkömmlichen Umformverfahren zum Ausbilden des Vorsprungs sind dabei das sogenannte Free-Divided-Flow und das einstufige Prägen. Das Diagramm der 14 wurde dabei mittels numerischer Simulation ermittelt. Der Werkstoff was dabei 16MnCr5 und der ausgebildete Zahn 1mm breit und hoch. Der Zahn hat nur 25% der Gesamtfläche bedeckt. Links 1,5mm und rechts 1,5mm vom Zahn war eine Ebene. Dabei ist ein vertikaler Stempelkontakt in Prozent auf der X-Achse 162 aufgetragen. Der Stempelkontakt gibt dabei das prozentuale Verhältnis der Kontaktfläche von Werkstück inklusive Erhebung mit einer Kavität eines Stempels eines Umformwerkzeugs an. Auf der Y-Achse 164 ist die mittlere Stempelspannung des Stempels in MPa aufgetragen. Die Kurve 166 gibt dabei den Verlauf der Stempelspannung des Stempels 126 bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an. Die Kurve 168 gibt den Verlauf der Stempelspannung des Stempels beim Free-Divided-Flow-Verfahren an. Die Kurve 170 gibt den Verlauf der Stempelspannung des Stempels beim Prägen an. Weiterhin sind schematische Bildausschnitte zu verschiedenen Stadien der Verfahren eingezeichnet. Für das erfindungsgemäße Verfahren entsprechen die Bildausschnitte den Stadien der 4, 5 und 6, wobei sich die Form der Kavität 130 unterscheidet. Für das Free-Divided-Flow-Verfahren stellen drei Bildausschnitte den Verfahrensablauf kurz nach dem Beginn und nachfolgende Verfahrensschritte anhand eines Halbzeugs 400 angeordnet in einem Umformwerkzeug 402 mit einem Stempel 404 und einer Kavität 406 dar. Für das Prägen stellt zwei Bildausschnitte einen Beginn und einen mittleren Verfahrensschritt anhand eines Halbzeugs 500 angeordnet in einem Umformwerkzeug 502 mit einem Stempel 504 und einer Kavität 506 dar.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst an dem Werkstück 102 eine Zone 172 oder ein erster Bereich, die der Kavität 130 zuweist und in der oder in dem sich die Erhebung 104 befindet, zu dem Vorsprung 132 ausgeformt und die Kavität 130 ist bereits vollständig gefüllt bei einem vertikalen Stempelkontakt von 25%. Bei der nachfolgenden Herstellung des Stempelkontaktes in einer seitlich an die Kavität angrenzenden Zone 174, 176 oder Bereich steigt die mittlere Stempelspannung lediglich minimal an. Beim Free-Divided-Flow-Verfahren wird zuerst die rechts seitlich an die Kavität 406 angrenzende Zone 174 an den Stempel 404 angelegt, nachfolgend dann die der Kavität 406 zuweisende Zone 172 und zu Prozessende die links seitlich an die Kavität 406 angrenzende Zone 176. Das Free-Divided-Flow-Verfahren weist eine höhere maximale Stempelspannung auf, jedoch bedeutend geringer als das konventionelle Prägen. 14 zeigt deutlich, dass eine frühe Ausformung kritischer Bereiche in der der Kavität zuweisenden Zone 172 eine erhebliche Reduktion der Stempelspannung ermöglicht. So entstehen im Stempel 126 beim erfindungsgemäßen Verfahren Stempelspannungen bis zum fertig ausgebildeten Vorsprung 132 von beispielsweise lediglich 500MPa, im Free-Divided-Flow-Verfahren 1200MPa und beim Prägen über 3.500MPa, was eine vollständige Formfüllung unmöglich macht. Diese Werte der Stempelspannungen sind als beispielhafte Werte zu verstehen. In jedem Fall sind die entstehenden Stempelspannungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich niedriger als bei anderen vergleichbaren Umformverfahren, wie das beschriebene Prägen oder Free-Divided-Flow-Verfahren.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Halbzeug
- 102
- Werkstück
- 104
- Erhebung
- 106
- Vorformwerkzeug
- 108
- Vorformstempel
- 110
- Vorformmatrize
- 112
- Vorformkavität
- 114
- Freistich
- 116
- Fließbund
- 118
- Abschnitt
- 120
- Außenfläche
- 122
- Orientierungsfläche
- 124
- Umformwerkzeug
- 126
- Stempel
- 128
- Matrize
- 130
- Kavität
- 132
- Vorsprung
- 134
- Flanke
- 136
- Fuß
- 138
- gekrümmt verlaufende, seitliche Innenfläche
- 140
- Boden
- 142
- Spitze
- 144
- Bauteil
- 146
- gerade verlaufende, seitliche Innenfläche
- 148
- Boden
- 150
- X-Achse
- 152
- Y-Achse
- 154
- Verlauf der Stempelspannung des Vorformstempels beim erfindungsgemäßen Verfahren
- 156
- Verlauf der Stempelspannung des Vorformstempels beim Free-Divided-Flow-Verfahren
- 158
- Verlauf der Stempelspannung des Vorformstempels beim Prägen
- 160
- Trendlinie
- 162
- X-Achse
- 164
- Y-Achse
- 166
- Stempelspannung des Stempels beim erfindungsgemäßen Verfahren
- 168
- Verlauf der Stempelspannung des Stempels beim Free-Divided-Flow-Verfahren
- 170
- Verlauf der Stempelspannung des Stempels beim Prägen
- 172
- Zone die Kavität zuweist
- 174
- Zone rechts neben Kavität
- 176
- Zone links neben Kavität
- 200
- Halbzeug
- 202
- Vorformwerkzeug
- 204
- Vorformstempel
- 206
- Vorformkavität
- 300
- Halbzeug
- 302
- Vorformstempel
- 304
- Vorformkavität
- 306
- Vorformwerkzeug
- 400
- Halbzeug
- 402
- Umformwerkzeug
- 404
- Stempel
- 406
- Kavität
- 500
- Halbzeug
- 502
- Umformwerkzeug
- 504
- Stempel
- 506
- Kavität
