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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung
von Zahnrädem
aus scheibenförmigen
Rohlingen.
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Die
DE 30 06 201 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen einer Ausgleichscheibe mit einer Verzahnung.
Die Ausgleichscheibe soll als Zahnrad verwendbar sein, über das
ein Anlasser eine Brennkraftmaschine anwerfen kann. Die Druckschrift
zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung der als Zahnrad ausgebildeten
Ausgleichscheibe aus einem scheibenförmigen Rohling mit einer Werkstückaufnahme
für den Rohling,
einer auf einem Umkreis um die Werkstückaufnahme herum angeordneten
Heizeinrichtung, die den Rohling auf eine Temperatur von 704° bis 760°C erwärmt, einer
Bearbeitungseinrichtung zur Grob- und Fertigbearbeitung, die eine
Anzahl von Stationen umfaßt,
die in Revolverform angeordnet sind und nacheinander in eine Position
gegenüber
der Werkstückaufnahme
gebracht werden können,
wobei die Bearbeitungseinrichtung vier Drückwerkzeuge I, II, III, IV
aufweist.
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Die
Anmelderin der vorliegenden Anmeldung hat bereits ein Verfahren
zur Herstellung einer Antriebsplatte gemäss der Japan-Offenlegungsschrift Nr.
JP 04-279 239 A
vorgeschlagen.
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Das
in dieser Vorveröffentlichung
beschriebene Antriebsplatten-Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass der äussere
Umfangsbereich eines scheibenförmigen
Rohlings mittels eines Drückwerkzeugs
zur Verdickung dieses Bereichs in axialer Richtung verformt, ein
innerer Seitenabschnitt des so verformten Bereichs in axialer Richtung
zu einem tellerförmigen
Rohling verpresst, ein Gegenwerkzeug auf den äusseren oder inneren Umfangsbereich
sowie ein mit Zähnen
versehenes Werkzeug auf den jeweils anderen Um fangsbereich aufgepresst
werden, um so die Verzahnung entweder auf dem äusseren oder dem inneren Umfang
des Rohlings auszubilden, und die Zähne der Verzahnung auf einem
dieser Umfangsbereiche durch Abwalzen oder zerspanende Bearbeitung
hergestellt werden.
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Im
allgemeinen besteht das im Rahmen des Antriebsplatten-Herstellungsverfahrens
nach dem Stand der Technik eingesetzte scheibenförmige Material aus hartem Stahlblech
aus Kohlenstoffstahl, doch kann auch Weichstahlblech in solchen
Fällen verwendet
werden, in denen eine relativ hohe Festigkeit nicht gefordert ist
bzw. die etwa erforderliche Festigkeit durch Härten im Wege einer Drückhandlung
beigestellt werden kann.
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Da
ausserdem die Drückbearbeitung
nach dem Stand der Technik bei Raumtemperatur durchgeführt wird,
ergibt sich der Fall, dass durch das Drücken das Material rissig und
die Standzeit der Werkzeuge verkürzt
wird.
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Zur
Vermeidung solcher Rissbildungen wird in der Japan-Offenlegungsschrift
Nr. JP 06-623 399 A ein Verfahren vorgeschlagen, das eine Kugelglühbehandlung
beinhaltet. Bei einem solchen Kugelglühen jedoch werden die Herstellungskosten
erhöht
und ist das zu verwendende Material hinsichtlich seiner Verarbeitbarkeit
Beschränkungen
unterworfen. Darüber hinaus
ist durch Druckbeaufschlagung bedingt für die plastische Verformung
ein hoher Arbeitsaufwand mit einer grösseren Zahl von Arbeitsgängen und
längeren
Bearbeitungszeiten erforderlich, so dass Probleme zu erwarten sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die bei dem vorbeschriebenen
Stand der Technik zu verzeichnenden Mängel bzw. Nachteile im wesentlichen
auszuschalten sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Zahnrädern zu
schaffen, bei der sich Rissbildungen oder Verzundern des hierzu
eingesetzten Werkstoffs beim Drücken
ausschliessen lassen und die Nutzungszeiten der Werkzeuge und Formen
verlängert
werden mit dem Ergebnis einer geringeren Zahl von Arbeitsgängen und
einer kürzeren Bearbeitungszeit
und damit einer verbesserten Produktivität bei der Zahnradfertigung.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung mit den vorbeschriebenen Merkmalen
wird der in der Werkstückaufnahme
befindliche scheibenförmige Rohling
dergestalt bearbeitet, dass der äussere
Umfangsbereich des Rohlings erhitzt und durch Drücken verdickt sowie anschliessend
der verdickte Bereich mittels des Grob- und Fertigwerkzeugs zur
plastischen Formung einer Verzahnung aus dem scheibenförmigen Rohling
einer Drückbehandlung
unterzogen wird. Die Abschreckungshärtebehandlung durch Hochfreqenzerhitzen
erfolgt für
das jeweils hergestellte Zahnrad den jeweiligen Erfordernissen entsprechend.
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Die
Ausbildung des Zahnrads mittels der Grob- und Fertigdrückformen
erfolgt teilweise nach dem Gesenkschmiedeverfahren.
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Die
Beschaffenheit und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich
im einzelnen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen.
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Es
bedeuten:
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1 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Herstellung
von Zahnrädern;
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2 eine
Vorderansicht der in 1 dargestellten Vorrichtung;
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3 eine
Perspektivansicht eines Drückwerkzeugs
zur Ausbildung des Zahnrads aus einem Rohling;
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4 eine
Schnittansicht des Drückwerkzeugs
nach 4;
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5A und 5B Ansichten,
aus denen die Arbeitsabläufe
zur Bearbeitung des Rohlings hervorgehen;
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6 eine
Schnittansicht, welche den scheibenförmigen Rohling in dem für die Schmiedebearbeitung
aufgespannten Zustand zeigt;
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7 eine
Schnittansicht, die den Rohling bei der Erhitzung seines äusseren
Umfangsbereichs darstellt;
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8 eine
Schnittansicht, welche den Rohling bei der Drückbearbeitung seines äusseren
Umfangsbereichs zeigt;
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9 eine
Schnittansicht, in welcher der äussere
Umfangsbereich des Rohlings zur Grobausbildung der Zähne einer
Drückbearbeitung
unterzogen wird;
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10 eine
Schnittansicht, in welcher der äussere
Umfangsbereich des Rohlings zur Fertigausbildung der Zähne einer
Drückbearbeitung
unterzogen wird; und
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11 ein
Kurvenbild, aus welchem die Veränderung
der Dehngrenze des Stahlwerkstoffs mit der Temperaturänderung
hervorgeht.
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Eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemässen
Vorrichtung zur Herstellung von Zahnrädern sei nunmehr beschrieben
mit Bezug auf die 1 bis 5.
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Wie
aus der Draufsicht gemäss 1 und der
Vorderansicht gemäss 2 der
erfindungsgemässen
Vorrichtung zur Herstellung von Zahnrädern hervorgeht, ist eine Werkstückaufnahme
mit 10 bezeichnet. Eine Grobbearbeitungseinrichtung (bzw. Vorformeinrichtung) 11,
eine Fertigbearbeitungseinrichtung 12 sowie eine Hochfrequenzheizeinrichtung 13 sind
um die Werkstückaufnahme 10 herum
angeordnet. Die Grobbearbeitungseinrichtung 11 umfasst eine
Anzahl von Stationen, die revolverartig aufeinanderfolgend gegenüber der
Werkstückaufnahme 10 plaziert
werden können
und mit je einem ersten Drückwerkzeug 6 und
einem zweiten Drückwerkzeug 7 ausgestattet
sind. Das erste Drückwerkzeug 6 und das
zweite Drückwerkzeug 7 dienen,
wie nachfolgend beschrieben, der Ausführung des dritten und vierten
Bearbeitungsschritts des Zahnrad-Herstellungsverfahrens. Beim Einsatz
vieler Stationen sind die Drückwerkzeuge 6 und 7 in
eine Anzahl von Werkzeugen mit verschiedenen Verformungsgraden unterteilt.
Ausserdem kann durch entsprechende Kombination einer Mehrzahl von
Werkzeugen der Rohling in die verschiedensten Formen gebracht werden.
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Hinsichtlich
ihrer Stellung relativ zur Werkstückaufnahme 10 werden
die Werkzeuge der einzelnen Stationen durch Kugelspindel und Stellmotor präzisionsgesteuert,
wobei die Stellungen der am festgeklemmten Rohling 1 angreifenden
Werkzeuge von Sensoren überwacht
und die Werkzeuge durch Druckbeaufschlagung bewegt werden. Die Verformungsarbeit
in den einzelnen Stationen erfolgt unter Drehung des Rohlings 1,
wobei die Werkzeuge entsprechend mitlaufen und drehen.
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Nach
erfolgter Grobausbildung des Zahnrads durch die Grobbearbeitungseinrichtung 11 wird das
letzte Werkzeug dieser Einrichtung 11 zurückgezogen
und anschliessend die Fertigbearbeitungseinrichtung 12 vorgeschoben
dergestalt, dass eines ihrer Drückwerkzeuge 9 auf
den Rohling aufgesetzt wird, um die Fertigbearbeitung zur Herstellung
der Verzahnung durchzuführen.
Die Vorschubbewegung der Fertigbearbeitungseinrichtung 12 erfolgt
wie bei den entsprechenden Stationen der Grobbearbeitungseinrichtung 11 durch
Kugelspindel und Stellmotor präzisionsgesteuert.
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Die
Hochfrequenzheizeinrichtung 13 ist so konzipiert, dass
sie in und ausser Kontakt mit der Werkstückaufnahme 10 gebracht
werden kann, und sie wird nach entsprechender Bestätigung,
dass die beiden Bearbeitungseinrichtungen 11 und 12 von
der Werkstückaufnahme
zurückgezogen
sind, vorgeschoben, um den zu bearbeitenden äusseren Umfangsbereich des
Materials 1 auf eine vorgegebene Temperatur von 400-500°C vor der
Bearbeitung, oder eine Abschrekkungshärtetemperatur von ca. 900°C nach der
Bearbeitung zu erhitzen.
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Die
Temperatureinstellung der Heizeinrichtung 13 erfolgt beispielsweise
durch Änderung
einer elektrischen Spannung, der Elektroden, der Frequenz, des Abstands
zwischen der Heizspule und dem zu erwärmendem Material bzw. der Heizdauer.
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3 und 4 zeigen
ein Drückwerkzeug 7 bzw. 9 zur
Grobausbildung bzw. Fertigbearbeitung der Radzähne, wie es in der Zahnradherstellungsvorrichtung
mit den vorbeschriebenen Merkmalen eingesetzt wird. Dieses Drückwerkzeug 7 (9)
weist ein Zahnformungselement 14 auf sowie Flansche 15 und 16 zum
Festklemmen des Zahnformungselements 14 auf beiden axialen
Seiten desselben. Der äussere Durchmesser
dieser Flansche 15 und 16 ist grösser als
der des Zahnformungselements 14. Der Aufbau der Drückwerkzeuge 7 und 9 für die Grob-
und Fertigbearbeitung ist, von ihrer Form abgesehen, im wesentlichen
identisch.
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Die
Ausbildung der Verzahnung durch das Drückwerkzeug 7 (9)
erfolgt im Bereich einer Ausnehmung zwischen dem Zahnformungselement 14 und
den Flanschen 15 und 16 mithilfe des Gesenkschmiedens.
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5A und 5B zeigen
die Grobverformungsbedingungen beim Einsatz der Grob- bzw. Vorformwerkzeuge 11a und 11b für unterschiedliche Verformungsgrade
sowie die entsprechenden Zahnbereiche des Zahnrads 8, die
aufeinanderfolgend durch die jeweiligen Werkzeuge in ihre genaue
Form gebracht werden.
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Es
folgt eine Beschreibung des Zahnrad-Herstellungsverfahrens unter
Einsatz der Vorrichtung mit den vorbeschriebenen Merkmalen nach einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung gemäß 6 bis 11.
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Das
erfindungsgemässe
Verfahren zur Zahnradherstellung umfasst fünf Bearbeitungsschritte, nämlich:
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(1) Erster Schritt:
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Es
wird ein scheibenförmiger
Rohling 1 mit einem mittigen Loch aus einem Blech mit einer
Dicke von ca. 2-3 mm ausgestanzt, und wie in 6 dargestellt,
in der Mittelachse eines Aufspanntischs 2 unter Verwendung
einer Andrückplatte 3 auf
diesem festgeklemmt, wobei der durch Drücken zu bearbeitende äussere Umfangsbereich 1a frei übersteht.
Ein Fixierstift 4 wird anschliessend als Mittelachse des
Aufspanntischs 2 in die mittlere Öffnung des scheibenförmigen Rohlings 1 eingeführt.
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(2) Zweiter Schritt:
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Im
Rahmen des zweiten Schritts wird, wie aus 7 ersichtlich,
der zu verformende äussere Umfangsbereich 1a durch
eine Hochfrequenzheizvorrichtung 5 auf eine Temperatur
von 400-500°C
erhitzt.
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(3) Dritter Schritt:
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Entsprechend 8 erfolgt
nunmehr eine Drückbearbeitung
des äusseren
Umfangsbereichs 1a in dessen axialer Richtung durch ein
Drückwerkzeug 6.
Hierdurch wird der Rohling 1 in die in 8 gezeigte
Form gebracht, in welcher er radial nach innen verdickt und radial
nach aussen verdünnt
ist.
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(4) Vierter Schritt:
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Es
folgt, wie aus 9 ersichtlich, eine Drückbearbeitung
des durch Drücken
verdickten Bereichs durch ein zweites Drückwerkzeug 7, das
die Radzähne 8 jeweils
mit rechteckigem Querschnitt grob verformt.
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(5) Fünfter Schritt:
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Schliesslich
werden die grob vorgeformten Radzähne 8 entsprechend
der Darstellung in 10 mittels eines dritten Drückwerkzeugs 9 in
ihre endgültige
Form fertigbearbeitet.
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Während der
vorbeschriebenen Zahnradfertigungsschritte wird der zu bearbeitende
Bereich 1a des Rohlings 1 im zweiten Schritt auf
eine Temperatur von 400-500°C erhitzt,
die im dritten Schritt, d.h. während
der Drückbearbeitung,
durch Reibung infolge plastischer Verformung weiter auf eine Temperatur
oberhalb 500°C
erhöht
wird. Diese Temperatur steigt jedoch nicht über 700°C, die Rekristallisationstemperatur.
Dieser Temperaturzustand stellt sich auch bei den Schritten 4 und
5, der Drückbearbeitung,
entsprechend ein. Vorzugsweise sollte bei den vorbeschriebenen Fertigungsschritten
die Temperatur beim Schmieden und Drücken über 400°C und unter 700°C liegen.
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Damit
wird der zu bearbeitende Bereich des Rohlings 1 durch Erhitzen
plastisch und in diesem Zustand einer plastischen Verformung unterzogen. Dies
bedeutet, dass zur plastischen Verformung nur etwa die Hälfte des
beim Kaltumformen erforderlichen Arbeitsdrucks erforderlich ist
und ausserdem, da alle Bearbeitungsschritte bei einer Temperatur
unterhalb 700°C
ablaufen, in dem zu bearbeitenden Bereich keinerlei Zunder- oder
Rissbildungen auftreten.
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Da
weiterhin durch die plastische Verformung infolge der Drückbearbeitung
im bearbeiteten Bereich eine Kaltverfestigung eintritt, ist die
Härte dieses
bearbeiteten Abschnitts höher
als die essentielle Härte
des Materials. Aus diesem Grunde fällt in der Praxis das mit dem
fünften
Schritt erzielte Endprodukt an, so dass als Ausgangsmaterial statt
Hart- auch Weichstahlblech eingesetzt werden kann, beispielsweise
Blech aus SPC-Material.
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Andererseits
wird in den Fällen,
in denen das Produkt entsprechend seinem Verwendungszweck eine bestimmte
Festigkeit aufweisen muss, Hartstahlblech als Ausgangsmaterial verwendet,
wobei dann nach dem fünften
Schritt noch eine sechste und eine siebte Bearbeitungsphase wie
folgt erforderlich sind.
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Im
Zuge des sechsten Schritts wird der plastisch verformte Bereich
durch die Heizvorrichtung, beispielsweise die im zweiten Schritt
eingesetzte Hochfrequenz-Heizeinrichtung 5,
auf Abschrecktemperatur erhitzt, während im siebten Schritt dieser
Bereich einer Abschreckhärtung
unterzogen wird. Die Wärme-
und Abschreckbehandlungen werden durchgeführt unter der Voraussetzung,
dass der Rohling 1 mittels der Andrückplatte 3 und des
Aufspanntischs 2 geklemmt ist, damit er sich beim Erhitzen
und Abschrecken nicht verformen kann.
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Der
Grund für
das Erhitzen des zu bearbeitenden Bereichs auf eine Temperatur von
400-500°C vor
dem Drücken,
wie beispielsweise im zweiten Schritt, ist folgendes:
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Wie
aus 11 ersichtlich, stellen sich im Falle von Stahlwerkstoffen
bei einer Temperatur zwischen 400 und 500°C schnell günstige Dehngrenzenverhältnisse
ein, weil der durch das Erhitzen gebildete kohlenstoffarme Martensit
in Ferrit und zweidimensionalen Zementit zerfällt sowie anschliessend der
Karbidanteil verschwindet und der zweidimensionale Zementit ausgefällt wird,
wobei eine Erweichung des Zementits stattfindet.
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Andererseits
ist die bevorzugte obere Grenztemperatur von 500°C deswegen festgelegt, weil, wenn
der zu bearbeitende Bereich beim Erhitzen eine Temperatur oberhalb
500°C erreicht,
die Temperatur des der plastischen Bearbeitung unterworfenen Bereichs
infolge Reibung durch plastische Verformung beim Schmieden 700°C übersteigen
kann, so dass der bearbeitete Abschnitt eventuell verzundert.
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Wie
vorstehend beschrieben, lässt
sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung diese Zunderbildung beim
Drücken
des äusseren
Umfangsbereichs des scheibenförmigen
Rohlings verhindern.
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Da
erfindungsgemäss
der beim Drücken
anstehende Druck etwa um die Hälfte
niedriger liegt als beim Kaltformen, können die Vorrichtungen zur Durchführung dieser
Arbeiten kompakt gehalten werden und weisen die Vorrichtungen und
Werkzeuge eine längere
Nutzungszeit bzw. Lebensdauer auf. Die Zahl der Arbeitsgänge ist
reduziert mit dem Ergebnis, dass die Dauer der Gesamtbearbeitung
verkürzt
und die Produktivität
verbessert wird.
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Da
weiterhin die Bearbeitungstemperatur nicht über 700°C als Kristallisationstemperatur
liegt, werden Zunderbildungen verhindert.