DE19617826A1 - Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelementes mit Außenverzahnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelementes mit Außenverzahnung aus einer Metall­ ronde. Maschinenelemente mit Außenverzahnung werden insbe­ sondere in der Antriebstechnik und Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise als Getriebeteil oder Starterkranz, ver­ wendet.

Aus der DE-43 14 558 A1 ist ein Verfahren zum spanlosen Herstellen einer Außenverzahnung an einem hohlzylindrischen Körper aus einem plastisch umformbaren Werkstoff bekannt, bei dem als Ausgangswerkstück ein Ring mit einem rechtecki­ gen Querschnitt verwendet wird. Der Ring wird im Inneren einer hohlzylindrischen Vorrichtung mit einer Innenverzah­ nung angeordnet und durch einen Gegenhalter gesichert. Zur Umformung des Rings wird eine Innenrolle radial verschoben, und der Ring in die Innenverzahnung unter Aufweitung und Ausbildung einer Außenverzahnung am Außenumfang gedrückt. Nach Fertigstellung der Außenverzahnung erfolgt eine Härtung dieser Außenverzahnung. Nach einer nochmaligen Be­ arbeitung wird der verzahnte Ring durch Schweißen mit einer Platte, welche den Nabenbereich eines Getriebeteils oder Starterkranzes bildet, verbunden.

Nachteile dieses Verfahrens sind lange Bearbeitungszeiten, ein hoher Handhabungsaufwand, der Anfall von Spänen und eine aufgrund der Schweißnaht beim geschweißten Teil not­ wendige Qualitätskontrolle. Außerdem genügt die Lebensdauer bei dem geschweißten Maschinenelement nicht den Anforderun­ gen, welches darüber hinaus ein relativ hohes Gewicht auf­ weist.

Zur Herstellung eines Maschinenelementes mit Außenverzah­ nung wurde in der deutschen Patentanmeldung 196 05 645.4 vorgeschlagen, eine Blechronde zwischen ein Werkzeug und einen Vorsetzer einzuspannen und an ihrem Umfang mit Hilfe einer ersten und zweiten Umformrolle zunächst zu verdicken und danach abzuflachen. Anschließend wird mit einer Verzah­ nungsrolle an dem verdickten, abgeflachten Bereich eine Außenverzahnung angebracht. Danach erfolgt außerhalb der Drückmaschine eine mechanische Bearbeitung, insbesondere eine Beschneidung des Randes und eine Härtung der Verzah­ nung.

Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß eine de­ finierte Zähnezahl über einen vorgebbaren Durchmesser der Blechronde erreichbar ist und eine komplizierte Synchroni­ sierungsmechanik zur Drehzahlabstimmung von Werkstück und Verzahnungsrolle nicht erforderlich ist. Da eine kalte Ver­ formung durchgeführt wird, erfordert das Verfahren jedoch relativ hohe Kräfte und den Einsatz kostenaufwendigen Mate­ rials für die verwendeten Werkzeuge, um eine vertretbare Lebensdauer dieser Werkzeuge zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Drückverfahren zu schaffen, bei welchem unter Vermeidung besonders ausgebildeter Werkzeuge qualitativ be­ sonders hochwertige rotationssymmetrische Körper mit Außen­ verzahnung ausgebildet werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige und vorteil­ hafte Ausgestaltungen sind Merkmale der Unteransprüche und in der Figurenbeschreibung enthalten.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, in einer Auf­ spannung und in einer einzigen Umformbewegung eine Außen­ verzahnung an einem rotationssymmetrischen Körper auszu­ bilden und ein Maschinenelement, insbesondere einen Star­ terkranz, mit einer besonders vorteilhaften Gefügestruktur herzustellen, wobei in der einen Aufspannung und zumindest vor der Umformbewegung eine Erwärmung eines Werkstücks, zu­ mindest in dem Bereich, welcher umgeformt und mit einer Verzahnung versehen werden soll, durchgeführt wird.

Indem vor der Umformung und Verzahnung, welche erfindungs­ gemäß in einem Schritt durchgeführt werden, die Ausgangs­ form bzw. das Werkstück in einem definierten Bereich auf­ gewärmt bzw. aufgeheizt und in einen plastischen Zustand überführt wird, kann im Zusammenwirken mit definiert ausge­ bildeten Werkzeugen radial eine Verzahnungsrolle zugestellt werden, welche die Umformung und Verzahnung in einem einzi­ gen Verfahrensschritt vornimmt.

Erfindungsgemäß wird als Ausgangsform bzw. Werkstück eine Metallronde eingesetzt. Die Ronde wird in ihrem zentralen Bereich zwischen zwei Spannbacken in eine Drückmaschine bzw. Drückeinrichtung aufgespannt. Ein radialer Endbereich der Ronde wird mit Hilfe einer Induktionseinrichtung, wel­ che zweckmäßigerweise nahezu komplementär zu dem radialen Endbereich der Ronde ausgebildet ist und beispielsweise ei­ nen Induktionsschuh darstellt, auf eine vorgebbare Tempe­ ratur erhitzt. Die Induktionseinrichtung bzw. der Induk­ tionsschuh wird über eine separate Einrichtung zugestellt.

Mit der Induktionseinrichtung wird im radialen Bereich des Werkstücks ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, wer­ den Wirbelströme und eine damit verbundene Temperatur­ erhöhung und plastische Verformung des Bereiches erreicht.

Es ist zweckmäßig, das elektromagnetische Feld als ein sta­ tisches Feld anzulegen. Durch die Rotation der Ronde in dem statischen Feld werden Wirbelströme gebildet und eine Temperaturerhöhung erreicht.

Grundsätzlich ist es möglich, eine Induktionseinrichtung radial zuzustellen und auf den Umfangsbereich einer Ronde zu richten. Es kann zweckmäßig sein, mehrere Induktionsein­ richtungen vorzusehen, welche dann in weitgehend gleichen Abständen voneinander angeordnet werden sollten.

Es ist vorteilhaft, die Erwärmung des radialen Bereichs der Ronde über das elektromagnetische Feld zu steuern und dem Material der Ronde, deren Abmessungen, der Zahnkranzgeome­ trie etc. anzupassen.

Erfindungsgemäß wird nach Erreichen einer vorgebbaren Tem­ peratur des umzuformenden radialen Endbereiches der Ronde die Induktionseinrichtung zurückgestellt oder zurückgezogen und Werkzeuge beidseitig des zentralen Bereichs der Ronde zugestellt. Diese sind mit Ausnehmungen versehen, welche die spätere Form der Verzahnungsbereiche vorgeben. Alterna­ tiv kann der Verzahnungsbereich auch von einer entsprechend ausgebildeten Verzahnungsrolle bestimmt werden, welche bei­ spielsweise eine von Stützscheiben links und rechts einer Verzahnung gebildete Ausnehmung aufweist. Ausnehmungen in den Werkzeugen sind dann nicht erforderlich. Des weiteren ist es möglich, sowohl in den Werkzeugen als auch in der Verzahnungsrolle jeweils eine Ausnehmung vorzusehen, welche im Zusammenwirken zur Ausbildung des zylindrischen Berei­ ches führen.

Die Verzahnungsbereiche oder auch Verzahnungsteile des her­ zustellenden Maschinenelementes, beispielsweise eines Star­ terkranzes, werden prinzipiell rechtwinklig zum zentralen Bereich der Ronde verlaufen und bilden einen zylindrischen Bereich. Der zylindrische Bereich kann z. B. beidseitig eines Nabenbereiches und symmetrisch, einseitig oder beidseitig und asymmetrisch ausgebildet sein.

Besonders vorteilhaft sind Teleskopwerkzeuge anzuwenden, welche zu beiden Seiten des Nabenbereichs der Ronde zuge­ stellt werden. Danach wird eine Verzahnungsrolle einge­ setzt, welche die Ausbildung des Zahnkranzes bestimmt. Die Verzahnungsrolle ist mit einer Außenverzahnung versehen, welche insbesondere über den gesamten stirnseitigen Bereich ausgebildet ist. Die Abmessungen des stirnseitigen Berei­ ches der Verzahnungsrolle entsprechen der umzuformenden Ma­ terialanhäufung in den Ausnehmungen der Werkzeuge und führen mit der durch eine Stauchung hervorgerufenen Mate­ rialanhäufung zu einer Ausbildung der Zähne an einem gleichzeitig umgeformten zylindrischen Bereich.

Es ist besonders vorteilhaft, daß nach der Ausbildung eines zylindrischen Bereiches mit Außenverzahnung das Maschinen­ bauelement entnommen und eingesetzt werden kann. Nachbear­ beitungen sind nicht erforderlich.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß die Umformung des radialen Endbereiches der Nabe zu einem zylindrischen Bereich mit Außenverzahnung durch die Werkzeuge, insbesondere durch Te­ leskopwerkzeuge, vorgegeben werden kann.

Zweckmäßigerweise wird die Ronde in ihrem mittigen bzw. zentralen Bereich von den beidseitig des Spannfutters an­ geordneten Werkzeugen derart geklemmt und gestützt, daß die mit der Verzahnungsrolle erreichten Stauchungen mit Ausbil­ dung eines beidseitigen oder auch einseitigen zylindrischen Bereiches mit integriertem Zahnkranz ohne nachteilige Folgen in einem Verfahrensschritt vorgenommen werden kann. Zu diesem Zweck wurde der radiale Bereich, welcher nach der Zustellung der Werkzeuge weiterhin übersteht, derart er­ hitzt, daß eine plastische Verformung möglich wird.

In einer Verfahrensvariante werden die zusätzlichen Werk­ zeuge, beispielsweise die Teleskopwerkzeuge wieder zurückgefahren und eine Härtung der Verzahnung durch­ geführt.

Vorteilhaft ist eine Induktionshärtung des ausgebildeten Zahnkranzes, wobei es zweckmäßig ist, mit einer Induktions­ einrichtung, welche der Verzahnung weitgehend angepaßt ist, über diese zu fahren und auf eine Temperatur, welche zum Härten geeignet ist, zu bringen. Nach Zurückstellung der Induktionseinrichtung ist es zweckmäßig, die Teleskopwerk­ zeuge wieder zuzustellen und den Starterkranz zu stabili­ sieren. Danach wird eine möglichst rasche Abkühlung, bei­ spielsweise mit Wasser vorgenommen, um eine Härtung zu er­ reichen.

Die Verzahnung kann mit einer synchronisierten oder auch mit einer nichtsynchronisierten Verzahnungsrolle ausge­ bildet werden.

Zum nichtsynchronisierten Verfahren wird auf die deutsche Patentanmeldung P 196 05 645.4 verwiesen, welche dies­ bezüglich zum Bestandteil dieser Anmeldung gemacht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung wei­ ter beschrieben; in dieser zeigen in einer stark schemati­ sierten Darstellung

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Metallronde, welche in einer Drückeinrichtung gehalten wird;

Fig. 2 eine Metallronde gemäß Fig. 1, welche an ih­ rem radialen Endbereich durch eine radial zu­ stellbare Induktionseinrichtung aufgeheizt und plastisch verformt wird;

Fig. 3 eine Metallronde gemäß Fig. 1 und 2 mit auf­ geheiztem radialen Endbereich, welche neben den Werkzeugen zur Einspannung gemäß Fig. 1 durch beidseitig zugestellte Teleskopwerkzeu­ ge mit einer Ausnehmung zur Bildung eines Verzahnungsteils eingeklemmt wird;

Fig. 4 einen vertikalen Teilschnitt mit einer einge­ spannten Ronde und einem zugestellten Teles­ kopwerkzeug mit Ausnehmung und einer stirn­ seitig zugestellten Verzahnungsrolle;

Fig. 5 einen Starterkranz mit einem symmetrischen zylindrischen Bereich mit Außenverzahnung;

Fig. 6 einen vertikalen Teilschnitt eines Starter­ kranzes mit einem einseitigen zylindrischen Bereich mit Außenverzahnung;

Fig. 7 einen vertikalen Teilschnitt durch einen Starterkranz mit einem asymmetrischen zylin­ drischen Bereich und Außenverzahnung und

Fig. 8 einen vertikalen Teilschnitt durch eine ein­ gespannte Metallronde mit aufgeschlitztem radialen Endbereich und mit einer Verzah­ nungsrolle mit Ausnehmung.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Ma­ schinenelementes mit Außenverzahnung, insbesondere eines Starterkranzes mit Querverzahnung, geht gemäß Fig. 1 von einer Metallronde 2 aus. Diese Metallronde wird in einer Drückmaschine oder Drückeinrichtung zwischen zwei Werk­ stücken bzw. Spannbacken 4 eingespannt und rotiert um ei­ ne Achse 3.

Die Metallronde 2 und die Spannbacken 4 sind derart dimen­ sioniert, daß die Metallronde wenigstens mit einem radialen Endbereich 5 radial über die Spannbacken 4 übersteht. Die­ ser radiale Endbereich 5 wird, wie insbesondere aus Fig. 4 hervorgeht, gestaucht und gleichzeitig mit einer Außenver­ zahnung versehen.

Um die bei dieser Umformung und Außenverzahnung erforderli­ chen hohen Kräfte zu minimieren, wird gemäß Fig. 2 wenig­ stens eine Induktionseinrichtung 6 auf den radialen Endbe­ reich 5 der Ronde 2 gerichtet und eine induktive Erwärmung bzw. Aufheizung der Ronde 2 in einem definierten äußeren Be­ reich durchgeführt.

Die Induktionseinrichtung 6 weist eine dem umzuformenden Endbereich 5 der Metallronde 2 angepaßte Formgebung auf und ist etwa U-förmig und den radialen Endbereich 5 der Metall­ ronde 2 weitgehend umgreifend ausgebildet. Die Induktions­ einrichtung 6, beispielsweise ein Induktionsschuh oder eine Induktionsschleife, auch als Induktor bezeichnet, kann aus einem Kupferrohr bestehen, welches einen Abstand von etwa 1-2 mm zum Endbereich 5 der Metallronde 2 aufweist. Mit der Induktionseinrichtung 6 werden Wechselströme im radialen Endbereich der Metallronde 2 induziert, welche zu einer Verlustwärme führen. Die Wechsel- bzw. Wirbelströme und die damit verbundene Temperaturerhöhung sind im wesentlichen proportional zur Stärke des elektromagnetischen Feldes.

Das für eine bestimmte Temperatur erforderliche Feld kann ermittelt und/oder experimentell bestimmt werden. Das elek­ tromagnetische Feld kann als Wechselfeld oder aber als sta­ tisches Feld ausgelegt werden, bei welchem sich die Wir­ belströme aufgrund der Rotation des Werkstückes innerhalb des Feldes ergeben.

In Abhängigkeit vom eingesetzten Material wird durch die definiert ausgebildete Induktionseinrichtung 6 an dem ra­ dialen Endbereich 5 eine Zone 25 mit einem plastischen und verformbaren Zustand erreicht (Fig. 3). Danach wird die In­ duktionseinrichtung 6 zurückgezogen und Werkzeuge 8, 9, insbesondere Teleskopwerkzeuge, beidseitig der mittig ange­ ordneten Spannbacken 4 zugestellt. Die Teleskopwerkzeuge 8,9 liegen an den Spannbacken 4 im wesentlichen an und klemmen die Ronde 2 in einem Nabenbereich 12 ein. Nach ra­ dial außen und zu den vorgeheizten Endbereichen 5 gerichtet weisen die Teleskopwerkzeuge 8,9 Ausnehmungen 18, 19 auf, welche die Form des zu bildenden zylindrischen Bereich 15 (siehe Fig. 5 bis 7) vorgeben.

In Fig. 3 sind die Ausnehmungen 18, 19 derart ausgebildet, daß ein symmetrischer zylindrischer Bereich 15 ausgebildet wird. Fig. 3 verdeutlicht die Wärmebehandlung des radialen Endbereiches 5, welcher in einer Zone 25 in einem plasti­ schen Zustand vorliegt.

Mit einer einzigen Umformbewegung wird dieser in einem pla­ stischen Zustand 25 vorliegende radiale Endbereich gemäß Fig. 4 umgeformt und ein zylindrischer Bereich 15 mit einer Außenverzahnung 10 ausgebildet. Dies erfolgt mit Hilfe ei­ ner Verzahnungsrolle 17, welche um eine Achse 27 rotiert und eine Außenverzahnung 37 aufweist. Die Verzahnungsrolle 17 wird radial zugestellt und weist dabei, wie Fig. 4 zeigt, annähernd die gleiche Breite auf, wie die Ausnehmun­ gen 18 und 19 (in Fig. 4 nicht dargestellt). Auf Grund der aufgeheizten Zone 25 des äußeren radialen Randes 5 der Me­ tallronde 2 bedarf es zur Umformung des in einem plasti­ schen Zustand 25 vorliegenden radialen Endbereiches 5 ge­ ringerer Kräfte. Die einzusetzenden Werkzeuge erfordern deshalb kein besonderes Material.

Besonders vorteilhaft ist es, daß mit der Stauchung des überstehenden radialen Endbereiches zu einer die Ausneh­ mungen 18, 19 ausfüllenden Materialanhäufung (nicht darge­ stellt) und in die Anstauchung integriert eine Ver­ zahnung 10 in einem äußeren Bereich ausgebildet wird (Fig. 5).

In Fig. 6 und Fig. 7 sind weitere Formen des zylindrischen Bereiches 15 eines Starterkranzes, eines Getriebeteiles oder eines weiteren Maschinenelementes dargestellt. Fig. 6 zeigt einen einseitigen zylindrischen Bereich 35 mit Außen­ verzahnung 10 und Fig. 7 zeigt einen asymmetrischen zylin­ drischen Bereich 45 mit einer Außenverzahnung 10. Zur Her­ stellung der verschiedenen Formen des zylindrischen Berei­ ches 15, 35, 45 können Teleskopwerkzeuge mit entsprechend ausgebildeten Ausnehmungen eingesetzt werden. Sofern die Gesamtbreite des zylindrischen Bereiches gleich ist, kann immer die Verzahnungsrolle 17 eingesetzt werden.

Ein alternatives Verfahren sieht vor, eine in einer Anstau­ chung integrierte Verzahnung nach einer definierten induk­ tiven Erhitzung eines äußeren radialen Randes 5 einer Me­ tallronde 2 mit Hilfe von Werkzeugen 8, 9 durchzuführen, welche keine Ausnehmung aufweisen. Dagegen ist eine Ausneh­ mung 32 in einer radial zuzustellenden Verzahnungsrolle 22 ausgebildet.

In Fig. 8 ist eine Verzahnungsrolle 22 mit einer Ausnehmung 32 vor der Anstellung auf eine Metallronde 2 bzw. auf eine aufgeheizte Randzone 25 dieser Metallronde 2 gezeigt. In diesem Beispiel sind links und rechts einer Verzahnung 36 der Verzahnungsrolle 22 Stützscheiben 33, 34 angeordnet, welche radial nach außen überragen und durch ihre Anord­ nung, Ausbildung und Dimensionierung zu einem in Fig. 6 ge­ zeigten zylindrischen Bereich 35 mit Außenverzahnung 10 führen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein besonders ef­ fizientes Herstellungsverfahren für einen rotationssymme­ trischen Körper mit Außenverzahnung angegeben. Durch die ge­ zielte induktive Erwärmung und Ausbildung eines plastischen Bereiches am Umfang der eingesetzten Metallronde gelingt es, mit normalen Werkzeugen eine Materialanhäufung und Aus­ bildung eines zylindrischen Bereiches mit Außenverzahnung in einem Umformschritt vorzunehmen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen eines Maschinenelementes mit Außenverzahnung, insbesondere eines Starterkranzes oder Getriebeteiles, durch Drückumformen einer Ronde (2) und unter Anwendung einer induktiven Erwärmung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ronde (2) in einer Drückeinrichtung zwischen zwei Spannbacken (4) aufgespannt wird,
daß ein radialer Endbereich (5) der Ronde (2) mit ei­ ner Induktionseinrichtung (6), welche den radialen Endbereich (5) umgibt, auf eine vorgebbare Tempera­ tur aufgeheizt und in einer Zone (25) in einen pla­ stischen Zustand (25) versetzt wird,
daß danach Werkzeuge (8, 9) zu beiden Seiten der Spannbacken (4) angeordnet werden und eine Verzahnungsrolle (17) unter Bildung einer Aus­ nehmung (18, 19, 32) radial zugestellt und mit einer Stauchung der in einem plastischen Zustand vorliegen­ den Zone (25) des radialen Endbereiches (5) zu einem zylindrischen Bereich (15, 35, 45) eine Außenverzah­ nung (10) an dem zylindrischen Bereich (15, 35, 45) ausgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des zylindrischen Bereiches (15, 35, 45) mit Außenverzahnung (10) von Werkzeugen (8, 9), wel­ che Ausnehmungen (18, 19) aufweisen, und/oder von ei­ ner Verzahnungsrolle (22) mit einer Ausnehmung (32) vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Werkzeuge (8, 9), welche nach außen und angren­ zend an die Metallronde (2) Ausnehmungen (18, 19) aufweisen, angeordnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Anordnung von Werkzeugen (8, 9) zu beiden Seiten der Spannbacken (4) eine Verzahnungsrolle (22) mit einer Ausnehmung (32) zur Ausbildung des zylin­ drischen Bereiches (15, 35, 45) mit Verzahnung (10) zugestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verzahnungsrolle (22) mit Stützscheiben (33, 34) beidseitig einer Verzahnung (36) zugestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkzeuge (8, 9) Teleskopwerkzeuge zugestellt werden, welche an den Spannbacken (4) anliegen und durch welche die Metallronde (2) in einem Nabenbe­ reich (12) eingeklemmt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Induktionseinrichtungen angeordnet wer­ den, welche insbesondere U-förmig und/oder komplemen­ tär zum radialen Endbereich (5) der Metallronde (2) ausgebildet sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (18, 19) der Werkzeuge (8, 9) bzw. die Ausnehmung (32) der Verzahnungsrolle (22) dem umzuformenden zylindrischen Bereich (15, 35, 45) entsprechen, so daß symmetrische, einseitige und/oder asymmetrische zylindrische Bereiche (15, 35, 45) aus­ gebildet werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Ausbildung des zylindrischen Bereiches (15, 35, 45) die Teleskopwerkzeuge (8, 9) zurückge­ zogen werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Induktionseinrichtung mit einer der Verzahnung (10) entsprechenden Ausbildung auf die Verzahnung (10) gerichtet und diese auf eine Tempera­ tur zum Härten der Verzahnung erhitzt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge (8, 9) zum Abschrecken der zum Induktionshärten aufgeheizten Verzahnung (10) wieder zugestellt werden.