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Werkzeug zum Walzen einer Verzahnung an einer zylindrischen Außenfläche
eines Werkstückes Die Erfin:dun:g betrifft ein Werkzeug zum Walzen einer Verzahnung
an einer zylindrischen Außenfläche eines vorschublos umlaufenden Werkstückes, z.
B. eines dünnwandigen Rohrteils, durch Abwälzen einer an einem oder mehreren Werkzeugen
angebrachten Gegenprofilierung, deren gesamte Breite der herzustellenden Profilbreite
entspricht und die für eine allinähliche Zahnformung im spitzen Winkel zur Walzrichtung
abgegrenzte, bandförmige Streifen einer einander unterschiedlichen Zahnhöhe aufweist.
Es soll mit dem Werkzeug möglich sein, schnell und genau die Verzahnung zu formen,
ohne daß dabei die Gefahr der Deformierung des Werkstücks besteht, insbesondere
daß die Verzahnung auch bei verhältnismäßig dünnwanidigen Rohrstücken und bei Raumtemperatur
unter Aufwendung eines geringen Walzdrucks angeformt werden kann und so auch die
Nachteile, die mit einer Wärmebehandlung von Metallteilen zusammenhängen, in Wegfall
kommen.
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Bekannt sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von
gezahnten Schmiedestücken, bei welchen man das Arbeitsstück zwischen geraden Backen
auswalzt, welche den Zähnen entsprechend profilierte Arbeitsflächen haben, sich
in entgegengesetzten Richtungen zueinander bewegen und derartig auf das Arbeitsstück
einwirken, daß durch dieselben eine Drehung des Arbeitsstückes um seine Längsachse
hervorgerufen wird und während dieser Umdrehung in demselben nach und nach Zähne
an verschiedenen Punkten rund um dasselbe herum hergestellt werden, indem die Zähne
allmählich erweitert werden und das verdrängte ':Metall .in der Richtung der Längsachse
oder quer zu derselben auf dem Umfang-des Arbeitsstückes verteilt wird. An den Walzbacken
nehmen die Zähne von dem vorderen nach dem hinteren Ende des Backens an Größe zu,
so daß sie die Einzahnungen im Rohrstück allmählich erweitern, wobei die Backen
auch noch mit erhöht angebrachten Flächen zum Ausbreiten des überschüssigen oder
verdrängten Metalls in der Längsrichtung des Rohrstückes versehen sind. Diese Flächen
weisen beispielsweise Zähne oder Rillen auf, welche das Werkstück fassen und dessen
Drehung sichern. Es ist vorgesehen, das Werkstück in durch Hitze dehnbar gemachtem
Zustand zwischen die Enden der Formbacken einzuführen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist im wesentlichen dadurch
gelöst, daß am Werkzeug die Zahnköpfe der einzelnen bandförmigen Streifen auf der
dem Werkstück zugewandten Seite durch Ebenen begrenzt sind, die parallel zur Wälzrichtung
und rechtwinklig zur Achsrichtung .des Werkstücks verlaufen.
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Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung besitzt das Werkzeug einen
Werkzeugstreifen mit voller Zahnhöhe und einer Zahnbreite von etwa einem Drittel
der zu walzenden Zahnbreite, der sich, von einer Außenseite der Gegenprofilierung
beginnend, im zur Walzrichtung spitzwinkligen Verlauf diagonal bis an die andere
Außenseite erstreckt, wodurch beiderseits von ihm Seitenstreifen einander ähnlicher
Dreieckform erzeugt sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs
weist längs einer verhältnismäßig kurzen Anfangsstrecke des diagonal verlaufenden
Werkzeugstreifens seine Verzahnung eine Profilmittellinie auf, die allmählich zur
Höhe der Profilmittellinieder Zähne des übrigen diagonalen Werkzeugstreifens ansteigt.
In :der dargestellten Ausführungsform der Erfindung kommt ein Paar stangenförmiger
Werkzeuge zur Verwendung, die an gegenüberliegenden Seiten des Werkstückes angeordnet
sind und gleichzeitig tangential zum Werkstück in einander entgegengesetzten Richtungen
bewegt werden. Das Werkstück ist dabei drehbar gelagert.
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An .den spiegelbildartig zueinander ausgebildeten Arbeitsflächen beider
Werkzeuge weist der seine Dreieckspitze der Einlautstelle des Werkstückes auf .dem
Werkzeug zuwendende dreieckige Seitenstreifen Zähne mit einer um ein kleines Maß
geringeren Kopfhöhe als die Zähnedes Diagonalstreifens auf, und es erstreckt sich
dieser Seitenstreifen über das Auslaufende des Diagonalstreifens .hinaus. Zweckmäßig
weist der andere, seine Basisseite dem Werkstück zuwendende dreieckige Seitenstreifen
Zähne einer etwa um
das Kopfhöhenmaß der Diagonalstreifenzähne geringeren
Höhe auf. Die Zähnedes einen Dreseckstreifens vermögen unter anderem Flanken von
am Werkstück bereits geformten Zähnen zu glätten, und die Zähne des arideren Dreieckstreifens
gewährleisten ein schlupffraies gegenseitiges Abwälzen von Werkzeug und Werkstück.
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Die Erfindung wind im folgenden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es zeigt Fig. 1 eine
Vorderansicht einer Maschine mit erfindungsgemäßen Werkzeugen, wobei diese sich
in der Stellung des Arbeitsbeginns befinden, Fig.2 eine Seitenansicht eines Teils
der Maschine nach der Fig. 1, wobei insbesondere die Anordnung eines rohrförmigen
Werkstücks in der Maschine dargestellt .ist, Fig. 3 eine Draufsicht auf das untere
der stangenförmigen Werkzeuge, Fig.4 eine Vorderansicht des Werkzeugs nach Fig.
3, Fi:g.5 eine Vorderansicht eines Teils vom Werkzeug nach Fig. 3, entsprechend
den Pfeilen 5-5 und in größerem Maßstab, Fig.6 ein vergrößertes Schnittbild entsprechend
der Schnittlinie 6-6 der Fig. 3, Fig.7 ein Schnittbild entsprechend einer Schnittlinie
längs der Anfangsstrecke des Diagonalstreifens, Fig.8 ein Schnittbild mehrerer quergeschnittener
Zähne voller Höhe des Diagonalstreifens, Fig. 9 einen Querschnitt des Werkzeugpaares
an der Eingriffsstelle zu Beginn eines Arbeitshubes, Fig.10 einen anderen Querschnitt
des Werkzeugpaares der Fig. 9 an der Eingriffsstelle in einer Mittellage des Arbeitshwbes,
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung für Phasen des Walzvorganges am Rohrwerkstück.
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Die durch Fig. 1 und 2 dargestellte und im ganzen mit 11 bezeichnete
Maschine besitzt den unteren Ständerkörper 12 und den oberen Ständerkörper 13, die
unter anderem durch Träger 14 und 15 miteinander verbunden sind und einen Arbeitsraum
16 frei lassen, der besonders aus Fig.2 erkennbar ist. Im Raum 16 ist ein Dorn 17
angeordnet. Der Dorn ist .drehbar frei tragend gelagert und für die Aufnahme eines
rohrförmigen Werkstückes ausgebildet. Dieses rohrfömige Werkstück ist in Big. 2
mit strichpunktierten Linie 18 angedeutet.
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Der obere Ständer 13 besitzt einen Tragarm 19, an dem unterseitig
eine Reitstockeinrichtung 21 befestigt ist. Diese Reitstockeinrichtung ist im Innern
mit einer in eine Körnerspitze endende Spindel 22 für die Unterstützung des äußeren
Endes des Werkstückes 18 ausgerüstet. Die Spindel 22 ist frei (drehbar in Lagern
23 geführt und mittels der Kolbenkraft eines Druckzylinders 24 in axialer Richtung
verschiebbar, wodurch das Werkstück schnell ein- bzw. -ausspannbar ist.
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Der untere Ständer 12 ist mit einer Sohiene 25 und der obere Ständer
13 mit einer Schäene26 versehen. Diese Schienen tragen je einen Werkzeughalter 27
bzw. 28. An -dem Halter 27 ist das Werkzeug 29 und am Halter 28 das Werkzeug 31
befestigt. Die Werkzeuge sind in einander entgegengesetzten Richtungen, und zwar
in einem rechten Winkel zur Werkstückachsebewegbar, wie dies aus der Fig. 1 entnommen
-,verden kann. Für die Bewegung der Halter 27 und 28 sind jeweils Druckzylinder
32 und 33 mit Treibkolben vorgesehen. Um den gegenseitigen Abstand der Werkzeuge
29 und 31 in vertikaler Richtung dem jeweiligen Durchmesser des Werkstückes anpassen
zu können, sind Verstelleinrichtungen 34 und 35 vorgesehen.
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Die Werkzeuge 29 und 31 besitzen zueinander eine spdegelbildartige
Ausbildung. Die nachstehende Beschreibung kann daher auf ein Werkzeug beschränkt
bleiben. Das Werkzeug 29 ist in Fig. 3 und 4 dargestellt. Es hat die Gestalt einer
Stange rechteckigen Ouerschnitts. Es besitzt vorzugsweise eine gehärtete Arbeitsoberfläche
aus Stahl. Die Abwälzfläche Lies Werkzeugs weist drei bandförmige Streifen auf,
die mit 36, 37 und 38 bezeichnet sind und am besten aus Fig.3 erkennbar sind. Das
mit 39 bezeichnete Ende des Werkzeugs stellt den Werkzeugteil dar, der zuerst abgewälzt
wird. Das Ende 41 kann als hinteres Ende des Werkzeugs bezeichnet werden. Es ist
erkennibar, daß die im spitzen Winkel zur Walzrichtung abgegrenzten Streifen 36
und 38 .den Hauptteil der Abwälzfläehe des Werkzeugs einnehmen, während der zwischen
Iden beiden Streifen 36, 37 sieh diagonal erstreckende Streifen 37 verhältnismäßig
schmal ist. Der Streifen 37 beginnt am vorderen Ende 39 des Werkzeugs an dessen
einer Seitenfläche und endet an der arideren Seitenfläche 53 in einem mit 54@ bezeichneten
Abstand vom hinteren Werkzeugende 41.
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Die Fertigformlung der Verzahnung an dem rohrförmigen Werkstück 18
erfolgt durch .die Zähne der Streifen 37 :der beiiden Werkzeuge 29 und 31. Die Zähne
jedes Streifens 37 haben dafür eine Profilierung, welche der gewünschten Gegenprofilierung
der in Fig. 11 .dargestellten Zähne 13 .auf dem Werkstück 18 entspricht.
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Wie :aus Fig. 11 erkennbar, besitzt das Werkstück 18 einen Abwälzdurchmesser
D1, ,dermaßen, @daß seine Fläche 42, aus der Metall verdrängt wird, gleich ist der
Fläche 43, die dann von Metall einsgenommen ist. Da während des Kaltwälzvoraarnges
kein Material entfernt wind, kann der Durchmesser des Werkstükkes vor seinem Rollen
bzw. dem Abwälzender Werkzeuge nicht dem fertigen Außendurchmesser und auch nicht
-dem Fußkreisdurehmes-ser gleich sein. Es wäre auch lediglich zufällig, wenn
der ursprüngliche Durchmesser dem Teilkreisdurchmesser entspräche. Im wesentlichen
@bestimmt der Durchmesser D1 die Lage der Teilungs- oder Profilmittellinie der Zähne
des Streifens 37 vom dargestellten Werkzeug. Es ist möglich, das zahnstangenartigeWerkzeug
durch ein stirnradähnliches Werkzeug zu ersetzen. Der .Streifen 37 würde in diesem
Falle einschraubenförmig gewundener Streifen auf einem .derartigen Werkzeug sein,
und der Teilkreisdurchmesser der Zähne dieses Streifens wäre gleichfalls durch das
Durchmessermaß D, bestimmt. Die Zahnhöhe der meisten Zähne des Streifens 37 ist
annähernd gleich iderjenigen,der Zähne auf dem Werkstück, d. --h., diese Werkzeugzähne
konjugieren vollständig mit den Zähnen auf -dem Werkstück, sie .greifen also in
.dieses völlig ein. Die Werkzeuge29 und 31 besitzen einen derartigen Albstand voneinander,
daß die die Hauptprofilierung aufweisenden Zähne der Streifen 37 der Werkzeuge voneinander
um den Fußkreisdurchmesser der Zähne B auf dem Werkstück getrennt sind, abzüglich
einiger tausendstel Millimeter, durch :die die Elastizität -des Werkstükkes und
der Einfluß eines Ölfilms unter dem A:bwälzdruck berücksichtigt werden. Es ist wesentlich,
daß die Breite der Zähne vom Streifen37 beträchtlich geringer- ist als die gesamte
Breite des jeweiligen Werkzeugs 29 bzw. 31. Die Metallmenge, @die zu irgendeinem
Zeitpunkt verformt wird, ist somit wesentlich geringer als bei einer Werkzeugausführung,
bei -der
die formgebenden Zähne sich über die volle Breite des Werkzeugs
erstrecken. Vorzugsweise weist der Streifen 37 eine derartige Breite und Spitzwinkligkeit
zur Walzrichtung auf, daß die sich ergebenden schraubenförmigen Windungen eines
entsprechenden Abwälzungsstreifens auf dem Werkstück sich mit Rändern gegenseitig
etwas überlappen.
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Die Gestaltung von Zähnen des Streifens 37 des unteren Werkzeugs 29
ist im einzelnen in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellt. Die ;dargestellten Zähne besitzen
Evolventenprofil und beispielsweise einen Eingriffswinkel von 141/2°. D,i-e Fig.
8 zeigt Zähne 44 des Hauptprofils, d. h. volle Zahnhöhe. Sie nehmen den größten
Teildes Streifens 37 ein. Die Profilmittellinie ,der Zähne 41 ist mit 45 !bezeichnet.
Die Tiefe der Zähne ist so bemessen, daß eine zur Teilungslinie 45 parallele Tangente
46 eines zwischen zwei benachbarte Zahnflanken eingelegten Meßdornes 47 von der
Teillinie 45 einen Abstand G aufweist. Die Fig. 7 zeigt eine erste Zahngruppe des
Streifens 37, die nahe dessen vorderem Ende innerhalb,der in Fig. 3 durch eine gestrichelte
Markierung 7 angedeutet ist. Es ist erkennbar, daß diese Zähne 48 gegenüber den
voll,ständigen Zähnen 44 nach unten versetzt sind, so daß, obwohl diese Zähne ebenfalls
die volle Größe besitzen, die zugehörige Teilungslinie 49 gegenüber einer Fortsetzung
der Tangente 46 etwas nach unten geneigt ist. Ein Meß,dorn47 jedoch, der zwischen
die Flanken zweier benachbarter Zähne 48 eingelegt ist, wird wiederum die Teilungslinie
49 um das Maß G überragen. Infolge dieser Maßnahme können die Zähne des Streifens
37 in das Material .des Werkstückes 18 nach und nach eingepreßt werden. Dieses Ergebnis
könnte auch erreicht werden, wenn .die Teilungslinie für die Zähne 44 und 48 durchlaufend
geradlinig vorgesehen ist, die Kopfflächen der Zähne48 jedoch so abgeschliffen sind,
daß diese in einer etwas geneigten Ebene liegen.
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Die Zähne des Streifens 36 der Werkzeuge dienen der Übertragung einer
Mitnehmerkraft auf das Werkstück, wenn sich die Werkzeuge in einander entgegengesetzten
Richtungen bewegen. Dadurch wird ein gleichmäßiges Abrollen des Werkstückes auf
doll Werkzeugen gesichert. In aderdargestellten Ausführungsform sind die Zähne 51
der Streifen 36, die bei ,der Fertigung zunächst den Zähnen 44 völlig gleichen,
.bis auf die Teilungslinie 45 abgeschliffen. Das Maß dieser Kopfhöhenminderung ist
in den Fig. 6 und 8 mit F bezeichnet. In dieser Ausbildung werden die Zähne 51,
wenn sie mit unbearbeiteten Teilen der Mantelfläche des Werkstückes 18 in Eingriff
kommen, auf diese unter teilweiser Zahnprägung ein !genügendes Kraftmoment übertragen,
um -das Werkstück in Drehung zu versetzen. Hierbei ist der durch die Zähne 51 ides
Streifens 36 auf das rohrförmige Werkstück abgeübte spezifische Druck wesentlich
geringer als der der voll ausgeformten Zähne44 des Streifens 37.
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Die Zähne 52 des Streifens 38 jedes Werkzeugs, die zunächst volle
Größe besaßen, besitzen eine durch Abschliff etwas geminderte Kopfhöhe, um ein etwas
größeres Kopfspiel am Werkstück zu ermöglichen; z. B. können die Zähne
52 umungefähr 0,15 mm unter die Kopfflächen -der Zähne 44 erniedrigt sein.
Die volle Höhe der Zähne 44 kann z. B. 1,676 mm betragen. Inder Fig. 6 ist dieser
Höhenunterschied mit H bezeichnet. Die Flanken sowohl der Zähne 51 als auch der
Zähne52 fluchten jeweils mit denen der Zähne vom Streifen 37; sie besitzen eine
gerade Flankenlinie und stimmen mit den Zähnen des Werkstückes auch in gleicher
Weise überein wie die der Zähne 44. Die Zähne 52, deren Flanken auf denen der vollständig
geformten Zähne B des Werkstückes 18 sich abwälzen werden, dienen dazu, dessen Zahnflanken
zu glätten.
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Es ist beachtlich, daß bereits dann, wenn erst Teile der Werkstückzähne
B ,durch die Zähne 44 geformt wurden, diese Teile unmittelbar darauf der glättenden
Wirkung der Zähne 52 unterworfen werden, d. h., die Zähne 52 greifen in die
des Werkstückes ein, bevor die volle Breite der Zähne B gestaltet ist. Die Fig.
3 läßt erkennen, daß dies deshalb geschieht, weil der Streifen 38 sich nicht nur
hinter, sondern auch einseitig zu dem diagonalen Streifen 37 erstreckt. Die Zähne
vom Streifen 37 wenden in dessen rückwärtigem Teil 53 (Fig. 3) allmählich
schmäler, und -die äußeren Enden dieser Zähne liegen in einer zur Bewegungsrichtung
des Werkzeugs parallelen Ebene. Der Streifenteil 53 besitzt eine genügende Ausdehnung,
um den ganzen Umfang des Werkstückes 18 während eines Bearbeitungsvorganges zu erfassen,
so daß sich zwischen einem Ende der Zähne B und dem unverformten Teil des Werkstückes
eine Schulter ergibt. Eine ähnliche Ausbildung kann für das vordere Ende des Streifens
37 vorgesehen werden, wenn gewünscht wird, daß beide Enden der Zähne B Schultern
bebtzen sollen, welche die verformten und die unverformten Werkstückteile gegeneinander
abgrenzen. In dem mit 54 bezeichneten Gebiet zwischen dem Ende des Streifens 37
und dem rückwärtigen Ende 41 -des Werkzeugs sind lediglich glättende Zähne 52 vorgesehen.
Diese Zähne erstrecken sich über die ganze Breite,des Werkzeugs. Der Gesamtdruck,
der von den Zähnen 52 im Bereich 54 ausgeübt wird, wird wesentlich geringer sein
als in dem Fall, in dem diese Zähne die volle Größe besitzen würden.
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Die Fig. 6 zeigt, daß Zähne 44 des Streifens 37 an Zähnen 51 des Streifens
36 über eine Rundung oder Schrägfläche 55 Anschluß haben. Desgleichen ist an den
Zähnen 44 und den Zähnen 52 eine Abschrägung 56 oder eine Rundung als Anschluß vorhanden.
Auf diese Weise können keine scharfen Kerbungen während des Verformungsvorganges
gebildet werden, die Anlaß zu einer unzulässigen Beanspruchung der Wandung des Werkstücks
sein könnten.
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Die Erfindung kann auch zur Bildung verschiedener Arten von Vorsprüngen
an rohrförmigen Werkstücken Verwendung finden, einschließlich der Herstellung von
Getriebeverzahnungen, Nuten, Ölrillen und ähnlichen Formen.