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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Umformen eines hohlzylindrischen, metallischen Endabschnitts eines Werkstücks zu einem nach radial innen umgestülpten Kragen, umfassend
- - eine Einspannvorrichtung zum Einspannen des Werkstücks entlang einer Einspannachse, die im eingespannten Zustand des Werkstücks mit einer Werkstückachse, nämlich der Zylinderachse dessen hohlzylindrischen Endabschnitts, identisch ist,
- - ein um eine Symmetrieachse rotationssymmetrisches Formwerkzeug mit einer der Einspannvorrichtung zugewandten, konkav gewölbten Formfläche, aus deren Zentrum ein koaxialer Zapfen aufragt, der einen Schaft und eine sich vom Schaft zur Formfläche hin verbreiternde und stetig einerseits in deren Wölbung und andererseits in den Schaft übergehende Basis aufweist,
- - eine Vorschubeinrichtung, mittels derer die Einspannvorrichtung und das Formwerkzeug entlang der Einspannachse aufeinander zu verschiebbar sind, und
- - eine Rotationseinrichtung, mittels derer die Einspannvorrichtung und das Formwerkzeug relativ zueinander rotierbar sind,
wobei die Vorschubeinrichtung und die Rotationseinrichtung zu einem kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs ansteuerbar sind, bei dem die Vorschubeinrichtung die Einspannvorrichtung und das Formwerkzeug entlang der Einspannachse aufeinander zu verschiebt und zugleich die Rotationseinrichtung die Einspannvorrichtung und das Formwerkzeug relativ zueinander rotiert.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Umformen eines hohlzylindrischen, metallischen Endabschnitts eines Werkstücks zu einem nach radial innen umgestülpten Kragen, umfassend die Schritte:
- - Einspannen des Werkstücks entlang einer Werkstückachse, nämlich der Zylinderachse seines hohlzylindrischen Endabschnitts, sodass der hohlzylindrischen Endabschnitt einer konkav gewölbten Formfläche eines um eine Symmetrieachse rotationssymmetrischen Formwerkzeugs zugewandt ist, aus deren Zentrum ein koaxialer Zapfen aufragt, der einen Schaft und eine sich vom Schaft zur Formfläche hin verbreiternde und stetig einerseits in deren Wölbung und andererseits in den Schaft übergehende Basis aufweist,
- - Durchführen eines kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs, bei dem das Werkstück und das Formwerkzeug entlang der Werkstückachse aufeinander zu verschoben und zugleich das Werkstück und das Formwerkzeug relativ zueinander rotiert werden,
wobei während des kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs Material des hohlzylindrischen Endabschnitts zur Ausbildung des Kragens sukzessive entlang der gewölbten Formfläche, der Basis und des Schaftes fließt
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren sind bekannt aus der
US 2,791,674 A .
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Auf verschiedenen technischen Gebieten stellt sich die Aufgabe, die hohlzylindrischen Endabschnitt eines metallischen Werkstücks nach radial innen umzustülpen, um zum einen den Öffnungsdurchmesser des Hohlzylinders zu reduzieren und zum anderen die durch das Umstülpen entstehende Innenfläche, die vor dem Umformvorgang ein Teil der Außenfläche war, als Fügefläche für weitere Komponenten nutzen zu können. Die vorgenannte Druckschrift offenbart den Einsatz dieser Technik im Kontext der Herstellung von Druckgasflaschen. Ein anderes, im Fokus der vorliegenden Erfindung stehendes Anwendungsbeispiel ist die Fertigung von hohlen Rotorwellen für Elektromotoren, insbesondere von elektrischen Traktionsmotoren für Kraftfahrzeuge.
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Die in der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift offenbarte Vorrichtung umfasst ein Spannfutter, in welches ein Werkstück mit einem hohlzylindrischen Endabschnitt entlang der Zylinderachse dieses Endabschnitts eingespannt werden kann. Diese Achse soll nachfolgend, je nach konkretem Kontext und konkreter Bezugnahme als Zylinderachse, Werkstückachse oder Einspannachse bezeichnet werden. Das Spannfutter ist über ein Getriebe mit einem Motor verbunden, mittels dessen es um die Werkstückachse rotiert werden kann. Zugleich ist ein Vortrieb vorgesehen, mittels dessen das Spannfutter samt Getriebe und Motor linear entlang der Werkstückachse verfahrbar ist. Dem Spannfutter gegenüber und koaxial zu diesem ausgerichtet ist ein Formwerkzeug angeordnet, welches eine zum Spannfutter bzw. zum eingespannten Werkstück hin offene, kreisförmige, konkave Formfläche aufweist, Im Zentrum dieser Formfläche erhebt sich ein konzentrischer Zapfen, der sich entlang der Werkstückachse erstreckt und dessen freies Ende dem Werkstück zugewandt ist. Im Bereich seines freien Endes ist der Zapfen als ein zylindrischer Schaft geformt. Dieser geht zur Formfläche hin in eine sich verbreiternde Basis über. Diese Basis bildet einen geschmeidigen Übergang zwischen der konkaven Wölbung der Formfläche und dem zylindrischen Schaft. Zum Umformen des hohlzylindrischen Endabschnitts in einen nach radial innen umgestülpten Kragen wird ein kombinierter Vorschub- und Rotationsvorgang durchgeführt, bei dem das Werkstück um seine Werkstückachse rotiert und zugleich entlang dieser Werkstückachse auf das Formwerkzeug zu verfahren wird. Bei Kontakt der Stirnseite des Werkstücks mit der konkaven Formfläche beginnt der eigentliche Umformprozess, bei dem das Material des Werkstücks sukzessive entlang der Formfläche nach radial innen zu fließen beginnt. Die Fließrichtung wird dabei mit zunehmendem Vorschub immer weiter nach radial innen umgelenkt, bis das Werkstückmaterial die Basis des Zapfens kontaktiert, wo sich die Richtungsänderung in eine tatsächliche Richtungsumkehr auswächst und das Werkstückmaterial entlang des Zapfens entgegen der Vorschubrichtung fließt. Hierdurch bildet sich ein Kragen um den Zapfen aus, der, abhängig von der Form des Zapfens und insbesondere den Dimensionen des Schaftes, einen vergleichsweise langen Kanal mit zylindrischer Innenfläche umgreift. Nach dem Lösen des umgeformten Werkstücks aus der Vorrichtung kann diese Innenfläche als Fügefläche genutzt werden. Die genannte Druckschrift schlägt das Einschneiden eines Innengewindes vor, um Druckarmaturen einschrauben zu können. Nachteilig bei dieser Vorrichtung und diesem Verfahren sind die erheblichen Reibungskräfte, die durch den vollflächigen Kontakt zwischen Werkstück und Formwerkzeug entstehen und motorisch überwunden werden müssen. Der Fokus der genannten Druckschrift liegt daher auf der Konstruktion zusätzlicher Heizeinrichtungen für das Werkstück und das Formwerkzeug, die insbesondere ein Einbrennen von Schmierstoffen auf der Oberfläche des Werkstücks erlauben.
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Aus der
DE 106 07 010 C1 ist aus dem gleichen Kontext der Herstellung von Druckgasflaschen ein partielles Umformverfahren bekannt. Hier liegen die Einspannachse bzw. die Werkstückachse des eingespannten Werkstücks einerseits und die Symmetrieachse des Formwerkzeugs nicht koaxial sondern achsparallel zueinander versetzt. Während des kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs wird das Werkstück daher nur in einem vergleichsweise kleinen Winkelbereich von der Formfläche kontaktiert. Bei gleicher Vorschubkraft ergibt sich also ein höherer Druck, der bei geringerer Reibung auf das Werkstück wirkt. Ebenso erfolgt der Kontakt zwischen dem Werkstück-Material und dem Zapfen nur partiell, und zwar auf der der Kontaktlinie zwischen Werkstück und Formfläche gegenüberliegenden Seite des Zapfens. Werkstückdurchmesser, Formflächendurchmesser und Zapfendurchmesser müssen also extrem genau aufeinander abgestimmt werden, um einen Kragen mit vorbestimmtem Durchmesser zu erzeugen. Geringe Fertigungstoleranzen des Werkstücks oder Verschleiß an Formfläche und/oder Zapfen führen zu deutlichen Maßhaltigkeitsproblemen beim resultierenden Erzeugnis.
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Aus der
US 2003/0192358 A1 ist ein Taumelwerkzeug zum Umformen sowohl der Außen- als auch der Innenkontur eines hohlzylindrischen Werkstücks bekannt, wobei jedoch lediglich eine Stauchung und keine Umstülpung des hohlzylindrischen Endstücks des Werkstücks beabsichtigt ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass bei verbesserter Verfahrenseffizienz eine große Sicherheit in Bezug auf die Maßhaltigkeit des resultierenden Erzeugnisses gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass ein Azimutwinkel zwischen der Einspannachse und der Symmetrieachse des Formwerkzeugs während des kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs variierbar ist.
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Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 10 dadurch gelöst, dass während des kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs ein Azimutwinkel zwischen der Werkstückachse und der Symmetrieachse des Formwerkzeugs variiert wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Zunächst greift die Erfindung den Gedanken der partiell wirkenden Umformung auf, setzt diesen jedoch in neuartiger Weise um. So wird die partielle Wirkung durch eine Schrägstellung zwischen dem Formwerkzeug und dem Werkstück erreicht. Dieser Ansatz ist dem Fachmann zwar grundsätzlich vom Dreh- oder Taumelschmieden bekannt. Allerdings verträgt er sich zunächst nicht mit dem Ziel, einen Kragen mit einer im Wesentlichen zylindrischen inneren Fügefläche zu schaffen. Dies wird erst dadurch erreicht, dass der Azimutwinkel, unter welchem die Einspann- bzw. Werkstückachse zur Symmetrieachse des Formwerkzeugs, d.h. zur Zapfenachse, schräg steht, während des Umformens variiert werden kann bzw. tatsächlich variiert wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Steuereinrichtung umfasst ist, die eingerichtet ist, die Vorschub- und die Rotationseinrichtung anzusteuern, während des kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs den Azimutwinkel monoton von einem von null verschiedenen Startwinkel zu null zu reduzieren. Im Kontext des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet dies, dass während des kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs der Azimutwinkel monoton von einem von null verschiedenen Startwinkel zu null reduziert wird.
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Dies führt dazu, dass während einer frühen Phase des Umformprozesses die Wechselwirkung zwischen Formwerkzeug und Werkstück in hohem Maße partiell ist. In dieser frühen Phase ist allerdings der Kontakt zwischen Formwerkzeug und Werkstück im Wesentlichen auf die Außenbereiche der Formfläche beschränkt. Das Material des Werkstücks ist in dieser Phase noch nicht bis zum Zapfen geflossen. Insofern ist die Schrägstellung des Zapfens relativ zur Werkstückachse in diesem frühen Stadium unschädlich. Mit zunehmender Umformung hingegen, d.h. wenn das Werkstückmaterial weiter entlang der Formfläche in Richtung des Zapfens fließt, wird der Azimutwinkel reduziert, sodass die Wechselwirkung zwischen Formwerkzeug und Werkstück immer weniger partiell wird. Allerdings geht der Zapfen zugleich immer stärker in eine zur Werkstückachse koaxiale Ausrichtung über. Am Ende des Prozesses, wenn der Materialfluss abgeschlossen ist, stehen das Formwerkzeug und das Werkstück koaxial zueinander. Der koaxiale Zapfen definiert die im Wesentlichen zylindrische „Seele“ des resultierenden Kragens und die Situation entspricht im Wesentlichen der Endsituation eines nicht-partiell wirkenden Umformverfahrens. Gleichwohl profitiert das erfindungsgemäße Verfahren auf dem Weg zu dieser Endsituation von sämtlichen Vorteilen der nur partiellen Wechselwirkung.
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Daher lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Umformungen mit derselben Maßhaltigkeit wie bei nicht-partiellen Verfahren realisieren, wobei jedoch weder der bei nicht-partiellen Verfahren erforderliche Kraft- noch Schmiermittelaufwand erforderlich ist.
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Selbstverständlich ist es jedoch auch im Kontext des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht ausgeschlossen und in vielen Fällen sogar vorteilhaft, Schmiermittel einzusetzen. Hier wird der Fachmann jeweils in Ansehung der Erfordernisse des Einzelfalls zu entscheiden haben. Allerdings steht ihm aufgrund der oben erläuterten Wirkung des erfindungsgemäßen Ansatzes ein breiteres Spektrum an Optionen für seine Entscheidung zur Verfügung.
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Zur Konkretisierung der Rotationsbewegung zwischen Werkstück und Formwerkzeug haben sich zwei Ansätze als besonders vorteilhaft erwiesen. Im Rahmen eines ersten Ansatzes ist vorgesehen, dass mittels der Rotationseinrichtung eine Taumelbewegung des Formwerkzeugs um die Einspannachse erzeugt wird. Dabei kann die Einspannvorrichtung während dieser Taumelbewegung rotativ fixiert sein. Denkbar ist jedoch auch eine geringfügige Eigenrotation der Einspannvorrichtung um ihre Einspannachse. Im Kontext des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet dies, dass während des kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs das Formwerkzeug eine Taumelbewegung um die Werkstückachse durchführt. Dabei kann das Werkstück während der Taumelbewegung rotativ fixiert sein. Denkbar ist jedoch auch eine geringfügige Rotation des Werkstücks um seine Werkstückachse. In einer Beschreibung mit sphärischen Polarkoordinaten bedeutet dieser Ansatz also, dass bei gegebenen Azimutwinkel der Polarwinkel des Formwerkzeugs verändert, vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit verändert wird. Die Symmetrieachse des Formwerkzeugs bewegt sich also auf einem Kegelmantel um die Einspann- bzw. Werkstückachse, wobei jedoch zu beachten ist, dass sich dieser Kegelmantel aufgrund der erfindungsgemäßen Reduzierung des Azimutwinkels spiralig verjüngt.
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Bei einem alternativen, zweiten Ansatz ist hingegen vorgesehen, dass mittels der Rotationseinrichtung eine gemeinsame, vorzugsweise synchrone Drehbewegung der Einspannvorrichtung um die Einspannachse einerseits und des Formwerkzeugs um dessen Symmetrieachse andererseits erzeugbar ist. Im Kontext des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet dies, dass während des kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs das Werkstück und das Formwerkzeug gemeinsam, vorzugsweise synchron, und zwar das Werkstück um seine Werkstückachse und das Formwerkzeug um seine Symmetrieachse, rotiert werden. Anders als beim Taumel-Ansatz stehen bei diesem Dreh-Ansatz sowohl die Einspann- bzw. Werkstückachse als auch die Symmetrieachse des Formwerkzeugs - abgesehen von der erfindungsgemäßen Variation des Azimutwinkels - raumfest zueinander. Die beiden Teilrotationen von Formwerkzeug und Werkstück erfolgen vorzugsweise in derselben Rotationsrichtung. Die Rotationsgeschwindigkeiten sind ebenfalls bevorzugt gleich, und zwar in dem Sinne, dass sich am jeweils ersten Kontaktpunkt zwischen dem Material des Werkstücks und der Formfläche keine oder höchstens eine sehr geringe Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Formwerkzeug ergibt.
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Für beide vorgenannten Ansätze haben sich zwei Varianten als besonders vorteilhaft herausgestellt. Gemäß einer ersten Variante ist vorgesehen, dass der Zapfen insgesamt starr mit der Formfläche verbunden ist. Das Material des Werkstücks fließt bei dieser Variante entlang der Länge des Zapfens entgegen der Vorschubrichtung.
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Bei einer zweiten Variante ist hingegen vorgesehen, dass der Schaft mittels einer Schaftverfahreinrichtung relativ zur Basis entlang der Symmetrieachse des Formwerkzeugs verfahrbar ist. Dabei ist bevorzugt die Steuereinrichtung weiter eingerichtet, die Schaftverfahreinrichtung anzusteuern, den Schaft während und/oder nach dem kombinierten Vorschuss- und Rotationsvorgang auf die Einspannvorrichtung zu zu verschieben. Im Kontext des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet dies, dass während und/oder nach dem kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgang der Schaft auf das Werkstück zu verschoben wird. Im Fall, dass der Schaft während des kombinierten Vorschub- und Rotationsvorgangs, wie vorzugsweise vorgesehen, synchronisiert mit dem Fließen des Werkstückmaterials verfahren wird, minimiert sich die Reibung zwischen dem fließenden Werkstückmaterial und dem Schaft. Denkbar ist hingegen auch, dass der eigentliche Umstülpprozess mit (weitgehend) eingezogenem Schaft vollzogen wird. Dies führt dann zunächst zu einer unpräzisen, insbesondere zu eng dimensionierten Kragenöffnung. Erst im Nachgang wird bei dieser Ausführungsform der Schaft entgegen der Vorschubrichtung, d.h. aus der Basis heraus verfahren und weitet dabei die vorläufige Kragenöffnung zu einem korrekt dimensionierten Kanal.
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Die Dimensionierung dieses Kanals war bislang vereinfachend als „im Wesentlichen zylindrisch“ angesprochen worden. Diese Formulierung umfasst jedoch auch Varianten mit einer gezielt konturierten Oberfläche der Kanalwände. So ist bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass der Schaft eine zu einer Innensteckverzahnung komplementäre Außenkontur trägt. Dies führt dann dazu, dass der den resultierenden Kragen durchsetzende Kanal eine Innensteckverzahnung darstellt, in die beim fertigen Erzeugnis eine korrespondierende Außensteckverzahnung eines weiteren Bauteils eingesteckt werden kann. Diese Konfiguration ist insbesondere im Kontext der bevorzugten Anwendung der Erfindung besonders vorteilhaft. Bei dieser bevorzugten Anwendung handelt es sich bei dem durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Bauteil nämlich um die hohle Rotorwelle einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Traktionsantriebs. Bauraum ist im Motorraum von Kraftfahrzeugen ein notorisch knappes Gut. Es ist daher besonders vorteilhaft, die Ansatzpunkte für mit der eigentlichen Rotorwelle verbundene Wellen, die der Lagerung und/oder der Weiterleitung des Motormomentes an ein Getriebe dienen können, nach axial innerhalb der hohlen, eigentlichen Rotorwelle zu verlegen. Die Innenwand des durch das erfindungsgemäße Verfahren gebildeten Kanals kann als Fügefläche für derartige Ansatzpunkte genutzt werden. Insbesondere kann hier, wie oben erläutert, eine Steckverzahnung ausgebildet werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Zapfen, sein Schaft und/oder seine Basis austauschbar sind. Mit anderen Worten wird also ein modulares Formwerkzeug vorgeschlagen, bei welchem durch Austausch des Zapfens oder seiner Bestandteile die Dimensionen und Formen der resultierenden Fügeflächen im Kanal des umgeformten Kragens durch einfachen Austausch dieser Elemente variiert werden können.
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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 erfindungsgemäße Umformvorrichtung in einer ersten Ausführungsform während der Durchführung eines in den drei 1a, 1b und 1c illustrierten Umformverfahrens,
- 2: eine erfindungsgemäße Umformvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform während der Durchführung eines in den drei 2a, 2b und 2c illustrierten Umformverfahrens sowie
- 3: eine Variante einer erfindungsgemäßen Umformvorrichtung gemäß jeder der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen während der Durchführung der letzten beiden Teilschritte einer in den 3a, 3b dargestellten Variante des erfindungsgemäßen Umformverfahrens.
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in ihren 1a, 1b und 1c drei mittels einer ersten, gemäß dem Taumel-Ansatz arbeitenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung 10 durchgeführten Teilschritte eines erfindungsgemäßen Umformverfahrens, bei welchem ein hohlzylindrischer Endabschnitt 122 eines Werkstücks 12 in einen nach radial innen umgestülpten Kragen 123 umgeformt wird. Hierzu ist das Werkstück 12 in eine Einspannvorrichtung 14 eingespannt, die bei der dargestellten Ausführungsform raumfest ist. Die Einspannung erfolgt derart, dass die hier als Werkstückachse 121 bezeichnete Zylinderachse des hohlzylindrischen Endabschnitts 122 des Werkstücks 12 mit einer von der Einspannvorrichtung 14 vorgegebenen Einspannachse 141 zusammenfällt. Dem freien Ende des hohlzylindrischen Endabschnitts 122 gegenüber ist ein Formwerkzeug 16 angeordnet. Das Formwerkzeug 16 umfasst eine Formfläche 162, die um eine Symmetrieachse 161 rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Insbesondere ist die Formfläche in der dargestellten Ausführungsform kreisförmig und konkav gewölbt, wobei ihre offene Seite zur Einspannvorrichtung 14 bzw. zum Werkstück 12 weist. Die Symmetrieachse 161 steht unter einem Azimutwinkel t9 zur Werkstück- bzw. Einspannachse 121, 141. Aus der Formfläche 162 erhebt sich ein konzentrischer Zapfen 163. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst er einen im Wesentlichen zylindrischen Schaft 164, der auf seiner Außenfläche die Kontur einer äußeren Steckverzahnung 165 bzw. die zu einer Innensteckverzahnung komplementäre Außenkontur aufweist. Weiter umfasst der Zapfen 163 eine Basis 166, die einen stetigen, geschmeidigen Übergang zwischen der konkaven Form der Formfläche 162 und der im Wesentlichen zylindrischen Form des Schaftes 164 bildet.
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Das Formwerkzeug 16 ist gegenüber dem Werkstück 12 bzw. der Einspannvorrichtung 14 in mehrfacher Hinsicht beweglich. Zum einen kann es mittels einer nur symbolisch als weißer Pfeil dargestellten Vorschubeinrichtung 18 entlang der Werkstück- bzw. Einspannachse 121, 141 linear auf das Werkstück 12 bzw. die Einspannvorrichtung 14 zu verschoben werden. Zum anderen kann es mittels einer ebenfalls nur symbolisch als Ringpfeil dargestellten Rotationseinrichtung 20 in eine um die Werkstück- bzw. Einspannachse 121, 141 orbitierende Taumelbewegung versetzt werden.
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1a zeigt eine Frühphase des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der das Werkstück 12 und das Formwerkzeug 16 wie oben beschrieben zueinander ausgerichtet sind und in der eine kombinierte Vorschub- und Rotationsbewegung des Formwerkzeugs 16 einsetzt.
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1b zeigt eine etwas spätere Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem bereits ein Kontakt zwischen der Stirnkante des hohlzylindrischen Endabschnitts 122 des Werkstücks 12 und der Formfläche 162 des Formwerkzeugs 16 erfolgt ist. Hierdurch wurde bereits der vordere Bereich des Endabschnitts 121 entsprechend der konkaven Wölbung der Formfläche 162 nach radial innen umgebogen, sodass sich ein nach innen umgestülpter Kragen 123 auszubilden beginnt. Dabei erfolgt der tatsächliche Umformvorgang jeweils nur partiell an definierten Kontaktbereichen zwischen dem Werkstück 12 und dem Formwerkzeug 16. Hierdurch wird der jeweils wirksame Druck bei gleicher Kraft der Vorschubeinrichtung 18 gegenüber nicht-partiellen Umformverfahren erhöht und die auftretenden Reibungskräfte werden reduziert. Man beachte, dass der Azimutwinkel ϑ zwischen den in den 1a und 1b dargestellten Phasen des erfindungsgemäßen Umformverfahrens reduziert wurde.
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1c zeigt die Endphase des erfindungsgemäßen Umformverfahrens, bei dem das Material des ehemaligen Endabschnitts 122 entlang der Formfläche 162 und entlang des Zapfens 163 geflossen ist und den nach innen umgestülpten Kragen 123 vollständig ausgebildet hat. Dieser Kragen 123 definiert einen (noch) von dem Zapfen 163 gefüllten Kanal. Nach dem Entformen bleibt eine sowohl radial als auch axial innerhalb des Werkstücks 12 gelegene und axial zugängliche, konzentrische Innensteckverzahnung zurück. Diese kann zum Ankoppeln weiterer Bauteile an das aus dem Werkstück 12 umgeformte Bauteil genutzt werden.
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2 zeigt in ihren 2a, 2b, 2c analoge Phasen einer anderen, gemäß dem Dreh-Ansatz arbeitenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformverfahrens unter Verwendung einer entsprechend modifizierten Umformvorrichtung 10. Insbesondere ist die Rotationseinrichtung anders als bei der Ausführungsform von 1 ausgestaltet. Sie besteht hier aus zwei Teil-Rotationseinrichtungen 20a, 20b. Die erste Teil-Rotationseinrichtung 20a, in 2 nur symbolisch als Ringpfeil angedeutet, rotiert das Formwerkzeug 16 um seine eigene Symmetrieachse 161. Die zweite Teil-Rotationseinrichtung 20b rotiert das Werkstück 12 bzw. die Einspannvorrichtung 14 um die Werkstück- bzw. Einspannachse 121, 141. Beide Teilrotationen erfolgen vorzugsweise gleichsinnig und insbesondere hinsichtlich ihrer Rotationsgeschwindigkeiten so aufeinander abgestimmt, dass die Relativgeschwindigkeit im Kontaktbereich zwischen dem Werkstück 12 und dem Formwerkzeug 16 minimiert wird, vorzugsweise vollständig verschwindet. Im Übrigen kann analog auf das oben zu 1 gesagte verwiesen werden.
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Bei den Ausführungsformen von 1 und 2 ist der Zapfen 163, insbesondere sein Schaft 164, starr mit der Formfläche 162 verbunden. Bei der Ausführungsform von 3 gilt dies nur für die Basis 166. Der Schaft 164 hingegen ist entlang der Symmetrieachse 161 des Formwerkzeugs 16 linear verschieblich. Unter Verwendung einer solchen Variante der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung 10 werden die in den 1 und 2 illustrierten Verfahrensschritte zunächst mit zurückgezogenem Schaft 164 durchgeführt. Es resultiert eine Situation, wie in 3a dargestellt. Insbesondere kann sich aufgrund des Fehlens des stabilisierenden Schaftes 164 eine von der gewünschten, im wesentlichen zylindrischen Form abweichende Formgebung des von dem Kragen 123 gebildeten Kanals ergeben. Dies ist in (übertriebenem) Maß in 3 dargestellt. Seine endgültige Formgebung erhält der Kanal durch ein lineares Vorschieben des Schaftes 164 mittels einer in 3a nur symbolisches mittels eines schwarzen Pfeils angedeuteten Schaftverfahreinrichtung 22.
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Bei einer noch anderen Variante des erfindungsgemäßen Umformverfahrens ist vorgesehen, dass der Schaft 164 synchron mit dem Fließen des Werkstückmaterials vorgeschoben wird, wobei bevorzugt ein Timing gewählt wird, bei dem die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Schaft 164 und dem sich an ihn anschmiegendem Werkstückmaterial minimiert wird.
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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. Insbesondere ist die Anwendung der Erfindung nicht auf ein spezielles Technikgebiet beschränkt. Gleichwohl findet die Erfindung vorzugsweise Anwendung bei der Fertigung von Rotorwellen für elektrische Maschinen, insbesondere Traktionsmaschinen für elektrifizierte oder teilelektrifizierte Kraftfahrzeuge.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Umformvorrichtung
- 12
- Werkstück
- 121
- Werkstückachse
- 122
- Endabschnitt von 12
- 123
- Kragen
- 14
- Einspannvorrichtung
- 141
- Einspannachse
- 16
- Formwerkzeug
- 161
- Symmetrieachse von 16
- 162
- Formfläche
- 163
- Zapfen
- 164
- Schaft
- 165
- Steckverzahnung
- 166
- Basis
- 18
- Vorschubreinrichtung
- 20
- Rotationseinrichtung
- 20a
- Teil-Rotationseinrichtung
- 20b
- Teil-Rotationseinrichtung
- 22
- Schaftverfahreinrichtung
- ϑ
- Azimutwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2791674 A [0003]
- DE 10607010 C1 [0006]
- US 2003/0192358 A1 [0007]
