DE19622372A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Nockenwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle sowie eine Vorrichtung zum Durch­ führen dieses Verfahrens.

Es ist eine Vielzahl von Herstellungsverfahren für Nockenwellen bekannt. Dabei kann im wesentlichen in zwei Gruppen unterschieden werden.

Zur ersten Gruppe gehört die konventionell herge­ stellte Nockenwelle, die entweder geschmiedet oder als Rohling gegossen wird, und zwar sowohl als Voll­ körper als auch als Schalenhartguß, wobei beide Halbfabrikate dann weiteren Bearbeitungsschritten zu unterwerfen sind, nämlich zunächst einer mechani­ schen, spanenden, sodann der Oberflächenvergütung mit nachfolgender Wärmebehandlung und schließlich dem Schleifen der Lagersitze und Nocken. Die Nachteile derart hergestellter Nockenwellen bestehen insbeson­ dere in ihrem hohen Gewicht und damit auch hohen Trägheitsmomenten, die sich nachteilig z. B. über die Drehmomentveränderung auf die Lager auswirken, sowie dem erheblichen Aufwand bei den Schritten der Roh­ lingsbearbeitung.

Zur anderen Gruppe gehören gefügte Nockenwellen, bei denen die Nocken als Einzelteile hergestellt und dann in verschiedener Weise mit einer Welle verbunden werden. So können die Nocken beispielsweise auf­ geschweißt werden, speziell auf eine Hohlwelle, oder auch auf ein Rohr aufgeschoben und auf dieses aufge­ schrumpft werden. Für die letztgenannte Herstellungs­ weise ist es bekannt, das Rohr bzw. die Hohlwelle mit den aufgeschobenen Nocken in ein entsprechend ausge­ formtes Werkzeug zu legen und das Rohr nach dem In­ nenhochdruck-Umformverfahren (IHU-Verfahren) aufzu­ weiten, wobei sich die Nocken elastisch und das Rohr plastisch aufweiten, so daß ein fester Sitz der Nocken auf dem Rohr bzw. der Hohlwelle durch Preßpas­ sung geschaffen wird.

Bei dem IHU-Verfahren wird der umzuformende, rohr­ förmige Hohlkörper gleichzeitig durch einen Innen­ druck und eine an seinen Enden wirkende Axialkraft belastet. Als Druckmedium sind Flüssigkeiten oder Elastomere geeignet. Die Axialkraft wird in aller Re­ gel mit starren Werkzeugen übertragen, wie Kolben, Stempel und dgl., die direkt oder indirekt auf die Werkstückenden einwirken.

Beispiele für im obigen Sinne gefügte Wellen sind aus der DE 34 09 541 A1 und der DE 35 21 206 A1 bekannt. Beiden bekannten Vorschlägen ist die aufwendige Son­ derherstellung der auf der Welle zu befestigenden Funktionsteile gemeinsam, deren Einzelherstellung, insbesondere im Falle von Nocken erhebliche Kosten verursacht, ganz davon abgesehen, daß das gesamte Handling im Zusammenhang mit den für die Fügeopera­ tion erforderlichen Schritten aufwendig ist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu schaffen, mit denen eine kostensenkende Herstellung von Nockenwellen nicht nur unter Einsparung von Werk­ zeugen und Arbeitsschritten, sondern auch unter Stei­ gerung des Wirkungsgrades (höhere Ausbringung) er­ reicht werden.

Gelöst wird das Problem mit den Merkmalen des Haupt­ anspruchs, d. h. das IHU-Verfahren wird nunmehr im grundsätzlichen Unterschied zum Stand der Technik nicht zum Aufweiten einer Hohlwelle zur Schaffung ei­ nes Preßsitzes oder, wie im Falle der DE 35 21 206 A1, einer zusätzlichen axialen Befestigung, sondern für die einstückige Ausformung der Nocken selbst aus Rohr- bzw.- Profilmaterial - nachfolgend vereinfachend und nicht beschränkend als "Hohlwelle" bezeichnet - angewandt, wodurch sich überraschend bei vorzugsweise sukzessivem Verformen der Nocken verschiedene sowohl äußerst kostengünstige als auch vom Verfahrensablauf zeitsparende Möglichkeiten zur Herstellung einer einstückigen Nockenwelle ergeben.

Dabei ist in Weiterbildung der Erfindung den ver­ schiedenen Ausführungsmöglichkeiten gemeinsam, daß die Hohlwelle in mehreren Schritten verformt wird, wobei die Nocken hinsichtlich ihrer Gestalt und/oder ihrer Position auf der Welle sukzessiv ausgeformt werden. Damit ist gemeint, daß, wie auch die nach­ folgenden Ausführungen im einzelnen noch zeigen wer­ den, einerseits die Nocken stufenweise in ihre End­ form gebracht werden können und andererseits aber auch in einer gewünschten Reihenfolge ihrer Anordnung auf der Welle nacheinander ausgeformt werden können.

Selbstverständlich können diese beiden Möglichkeiten auch überlagert werden.

So werden bei einer bevorzugten Ausführung der Erfin­ dung die Nocken von der Wellenmitte zu den Wel­ lenenden hin nacheinander ausgeformt, was in beson­ ders ökonomischer Weise paarweise geschehen kann. Der erhebliche Vorteil dieses Vorgehens liegt in der kostengünstigeren Herstellung, insbesondere beim Weg­ fall der Einzelherstellung von Nocken sowie in dem mit der Eichung geschaffenen Umstand, daß der axiale Materialfluß ungehindert in die jeweilige Umformzone erfolgen kann. Der Materialnachschub von den Rohren­ den durch die axiale Kraftbeaufschlagung und Vor­ schubbewegung wird erfindungsgemäß nicht durch voran­ gelagerte Nockenpaare behindert, d. h., Rohrmaterial kann ungehindert in die jeweilige Umformzone nachge­ schoben werden. Wenn diese ausgeformt ist, erfolgt die Ausformung des nächsten Nockenpaares. Daraus folgt der Vorteil, daß durch die axial erzeugten Druckspannungen größere Umformgrade des Rohrmaterials erreicht werden können, die über der Bruchdehnung des Werkstoffs liegen. Außerdem ist die Wandstärkenredu­ zierung in der Umformzone (auszuformender Nocken) we­ sentlich geringer, d. h. es ergibt sich gleichmäßige­ rer Wandstärkenverlauf, d. h. es wird höhere Bauteil­ stabilität erreicht. Für die praktische Anwendung kommen mehrere Möglichkeiten in Frage.

So können die Nocken positionsmäßig gezielt gegen den Druck mehrerer, hinsichtlich ihres Rückzugs steuerba­ rer Schieber od. dgl. einzeln oder gruppenweise nach­ einander ausgeformt werden.

Für diese und die nachfolgenden Ausführungsmöglich­ keiten gilt im Zusammenhang mit der zuvor angegebenen Möglichkeit, die Nocken von der Wellenmitte zu den Wellenenden hin nacheinander auszuformen, der be­ sondere Vorteil, daß durch die Steuerung des Werk­ stoffflusses in die innenliegenden Bereiche, d. h. in der Wellenmitte keine hohe Werkstoffabstreckung ein­ tritt, da während des Ausformens der innenliegenden Nocken der Werkstofffluß beim axialen Werkstoffnach­ schub durch davor gelagerte Nocken nicht behindert wird. Darüber hinaus ist es dadurch möglich, Nocken­ wellen aus Werkstoffen mit einem geringeren Dehnver­ mögen, mit hoher Nockenhöhe sowie mit vergleichsweise zahlreichen Nockenpaaren und Lagersitzen, wie sie beispielsweise für 12-Zylindermotoren benötigt werden, herzustellen. Außerdem ergeben sich geringere Werkstoffanstauchungen an den Bauteilenden sowie ein gleichmäßigerer Wandstärkenverlauf, mit der weiteren vorteilhaften Möglichkeit, gegebenenfalls die Wandstärke insgesamt zu reduzieren.

Bei der zuvor angesprochenen Variante können die Schieber zum gewünschten Zeitpunkt druckbeaufschlagt sein, und zwar einzeln oder paarweise, je nach An­ wendungsfall. Sie sind bei einer bevorzugten Ausfüh­ rungsmöglichkeit durch jedem Schieber zugeordnete Hy­ draulikzylinder weg- und kraftsteuerbar, wobei im Sinne des von der Wellenmitte her fortschreitenden Ausformens für die innenliegenden Nocken bzw. die diesen zugehörigen Ausfräsungen im Werkzeug keine Schieber erforderlich sind, da dort die Ausformung der Nocken beginnt, während welcher Zeit in den übri­ gen Ausfräsungen die Schieber bis gegen die Außenwand der Hohlwelle gedrückt werden, so daß an diesen Stellen keine Wellenverformung stattfindet; dort wer­ den die Nocken erst zu einem späteren Zeitpunkt aus­ gebildet.

Alternativ zur hydraulischen Druckbeaufschlagung der Schieber bzw. ihrer Kolben oder Stempel, kann die Wegsteuerung auch mechanisch erfolgen, und zwar über eine sich im wesentlichen parallel zur Längsachse der Hohlwelle bewegende Keilleiste, die mit auf die Stempel direkt einwirkenden Keilnocken versehen ist, so daß durch entsprechendes Bewegen der Keilleiste eine Wegverstellung der Schieber erfolgt, d. h. auch mit dieser Ausführung können gezielt die jeweils nicht zu beaufschlagenden Ausfräsungen abgedeckt bzw. die Stellen freigegeben werden, an denen kein bzw. gerade ein Nocken ausgeformt werden soll.

Die von innen nach außen erfolgende Nockenausformung kann nach einer weiteren Ausführungsmöglichkeit der Erfindung auch dadurch geschehen, daß die einzelnen Herstellungsschritte in unterschiedlichen Werkzeugbe­ reichen durchgeführt werden, d. h. es ist zwischen den einzelnen Verfahrensschritten zwar ein Wechsel des Werkstücks von einer Aufnahme im Werkzeug zur anderen erforderlich, jedoch kann dadurch die Ausführung des Werkzeugs einfacher und kostengünstiger gestaltet werden; außerdem sind in diesem Fall keine Aktivele­ mente, wie Schieber od. dgl. vorzusehen, was insgesamt vor allem dann zum Tragen kommt, wenn es keine Platz­ probleme gibt, da bei beispielsweise sechs Nocken und paarweise von innen nach außen erfolgender Ausformung drei jeweils entsprechend mit Ausfräsungen versehene Werkstückaufnahmen im Werkzeug erforderlich sind.

Alternativ kann die örtlich gezielte Ausformung der Nocken auch durch in die Hohlwelle einzuführende In­ nendorne geschehen, die dann in wirkungsmäßig glei­ cher Weise, wie die zuvor erläuterten Schieber, die Ausformung an gewissen Stellen zunächst verhindern, allerdings im Unterschied zu den Schiebern vom Innern der Hohlwelle her. Nur die jeweils auszuformenden Nocken (von innen nach außen) werden mit einem Innen­ druck (partiell) beaufschlagt, so daß nur dort eine Umformung erfolgen kann; die restlichen Bereiche sind ohne Druckbeaufschlagung und damit wirkt dort auch keine Umformkraft. D.h. es wird hier nicht wie bei den Schiebern gegen den Innendruck gehalten, sondern es wird durch den Innendorn verhindert, daß die In­ nenwandung der Hohlwelle im Bereich der Ausfräsungen, in die noch nicht hineinverformt werden soll, vom In­ nendruck beaufschlagt wird. Somit bewirkt der mecha­ nisch aufgebrachte Axialdruck zusammen mit dem Innen­ druck nur dort Stauchungen und schließlich die ge­ wünschten Ausformungen, wo kein Innendorn die Hohlwelleninnenwand gegen Innendruck abdeckt und sich ein oder mehrere Ausfräsungen befinden.

In praktischer Ausführung werden vorzugsweise zwei Innendorne verwendet, die beidseitig in die Hohlwelle einzuschieben sind und einen Außendurchmesser besit­ zen, der es zuläßt, daß sie in die die mechanischen Axialkräfte auf die Rohrenden übertragenden Kolben eingeführt bzw. eingezogen werden können. Dadurch wird wiederum die vorteilhafte, örtlich sukzessive Ausformung der Nocken von der Wellenmitte ausgehend zum Wellenende hin ermöglicht. Selbstverständlich müssen die Innendorne mit koaxialen durchgehenden Ka­ nälen versehen sein, damit das Druckmedium in das Welleninnere gelangen kann.

Diese Ausgestaltung der Erfindung erlaubt es, bei vergleichsweise niedrigen Werkzeugkosten eine ver­ gleichsweise hohe Zahl von Ausfräsungen im Werkzeug zu integrieren.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Möglichkeit der stu­ fenweisen Ausformung nicht nur hinsichtlich der Nockenposition auf der Welle, sondern, wie eingangs erwähnt, auch hinsichtlich des Erreichens der Nocke­ nendform, schlägt die Erfindung weiterhin vor, daß die Nocken in einem Werkzeug ausgeformt werden, das im relevanten Bereich, d. h. im Verformungsbereich aus einzelnen in Längsrichtung der Hohlwelle verschiebba­ ren Formteilen besteht.

Bei dieser Ausführung ist es möglich, die Hohlwelle bei auf Abstand gesetzten Formteilen, in welchem Zu­ stand die die Verformung gestattenden Ausnehmungen eine größere axiale Erstreckung haben als letztend­ lich der in axialer Richtung gemessenen Breite der fertiggestellten Nocken entspricht, vor- oder anzu­ formen und dann in einem oder mehreren weiteren Schritten mit jeweils näher aneinandergerückten Formteilen weiterzuverformen, bis schließlich die Endverformung in dem Zustand geschieht, in dem die Formteile so weit axial zusammengeschoben sind, daß sie sich gegenseitig berühren.

Da die Verformung stufenlos unter kontinuierlicher Annäherung der Formteile aneinander durchgeführt wer­ den kann, ist das Bauteil in einem Arbeitsschritt herzustellen, was eine Verfahrenserleichterung bedeu­ tet, wobei auch hier eine relativ große Anzahl von Nocken mit hoher Nockenhöhe sowie relativ vielen La­ gersitzen möglich ist.

Es sei erwähnt, daß es im Rahmen der Erfindung auch möglich ist, von einem Halbzeug auszugehen, das durch konventionelle Verfahren, beispielsweise durch Stau­ chen und/oder Querwalzen einer Hohlwelle vorgeformt wird. Dies bietet die Möglichkeit, an den Stellen der Hohlwelle, an denen Nocken ausgeformt werden sollen, Materialanhäufungen vorzusehen, um der Wanddickenre­ duzierung und einem möglicherweise nicht aus reichen­ den Dehnvermögen des Werkstoffes entgegenzuwirken.

Anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen vorteil­ hafte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt sind, werden nachfolgend weitere Einzelheiten und Vorteile dargelegt. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Werkzeug mit eingelegtem Werkstück im Ausgangs- und Endzustand, schematisch in ge­ schnittener Seitenansicht;

Fig. 2 ein Werkzeug ähnlich dem in Fig. 1 darge­ stellten, jedoch mit individuell über Hy­ draulikzylinder weg- und kraftsteuerbaren Schiebern in einigen Formnestern;

Fig. 3 eine Keilleiste zur Steuerung der Stempel der Schieber gemäß Fig. 2, schematisch dar­ gestellt;

Fig. 4 eine Werkzeughälfte mit mehreren Aufnahmen zur stufenweisen Fertigstellung des Werk­ stücks mit dem sich im jeweiligen Ausformzu­ stand befindenden Werkstück, schematisch in Draufsicht, geschnitten;

Fig. 5 eine Werkzeughälfte in einer weiteren Anwen­ dungsvariation mit eingelegtem, partiell fertiggestellten Werkstück (Hohlwelle) und die Innenwand der Hohlwelle teilweise ab­ deckenden Innendornen, schematisch in Drauf­ sicht, geschnitten;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsmöglichkeit des Werkzeugs mit beweglichen Formteilen, sche­ matisch in Seitenansicht, geschnitten, wobei die Hohlwelle unten im vorgeformten Zustand und oben fertiggeformt bei zusammengefahre­ nen Formteilen gezeigt ist; und

Fig. 7 eine vorgeformte Hohlwelle als Ausgangshalb­ zeug zum Einsatz beispielsweise in ein Werk­ zeug gemäß Fig. 1.

Bevor auf die Darstellungen im einzelnen eingegangen wird, seien einige grundlegende Bemerkungen vorange­ stellt. So ist zunächst zu beachten, daß in den Fig. 1, 2 und 6 im in der Zeichnung oberen Teil das Werk­ stück in seiner endgültigen Form dargestellt ist, während im unteren Teil der Ausgangszustand bzw. bei Fig. 6 ein anfängliches Zwischenstadium gezeigt sind. Sämtlichen Fig. 1 bis 6 ist im übrigen gemeinsam, daß sie schematisch Werkzeuge zeigen, die grundsätzlich für das Innenhochdruck-Umformverfahren, das soge­ nannte IHU-Verfahren geeignet und vorzugsweise hori­ zontal zweigeteilt sind. Sie weisen eine oder mehrere in ihrer Form nachfolgend noch näher zu beschreibende Ausnehmungen (Werkzeuginnengravur) auf, in die das zu verformende Werkstück, im vorliegenden Fall eine Hohlwelle eingelegt und dann von seitlich außerhalb des Werkzeugs angeordneten, in bekannter Weise be­ tätigbaren Stempel stirnseitig axial wirkenden Kräf­ ten ausgesetzt wird, wobei gleichzeitig ein Druckme­ dium in das Innere der Hohlwelle gedrückt wird, so daß das Werkstück durch einen hohen Innendruck und eine an den Rohrenden wirkende Axialkraft belastet wird. Dadurch erfolgt das gewünschte Ausbauchen im geschlossenen Werkzeug. Die seitlichen Stempel sind in ihrem Durchmesser so bemessen, daß sie in das Werkzeug eingeschoben werden können und die Hohlwelle stauchen, und besitzen koaxial verlaufende Kanäle, durch die das Druckmedium in das Innere der Hohlwelle gelangen kann. Die Stempel sind an ihrem freien Ende mit Dichtköpfen versehen, die zum Abdichten des Halbzeuges (Rohr) an den Rohrenden und zum Einleiten der Axialkräfte in das Werkstück sowie zur Druckzufuhr in das Innere des Werkstücks dienen. Vor­ zugsweise wird der Druck über einen Druckübersetzer aufgebracht (aufgebaut wie ein Hydraulikzylinder) und kann erhöht (Flüssigkeit im Innern des Drucküberset­ zers wird komprimiert) oder verringert (Flüssigkeit wird entlastet) werden.

In Fig. 1 ist ein Werkzeug mit einer oberen Werkzeug­ hälfte 1 und einer unteren Werkzeughälfte 2 darge­ stellt, die in geschlossenem Zustand den Hohlraum 3 als Form für die endgültige Gestalt der Nockenwelle bilden. Dabei ist zu bemerken - und dies gilt auch für die übrigen Darstellungen der anderen bevorzugten Ausführungsbeispiele - daß hier nur zur Verdeutli­ chung die einzelnen Nocken in einer Ebene dargestellt sind; selbstverständlich sind sie in aller Regel ra­ dial winkelversetzt. Der Hohlraum 3 weist an den Stellen, an denen sich letztendlich die Nocken befin­ den sollen, entsprechende Ausfräsungen 4 auf, im vor­ liegenden Fall lediglich wegen der Prinzipdarstellung nur drei, in die die entsprechenden Wandbereiche der Hohlwelle hineingedrückt werden. Die Ausfräsungen sind Teil der gesamten Werkzeuginnengravur (Form­ nest), in die ein Werkstück eingelegt wird.

In der unteren Hälfte der Fig. 1 ist der Anfangszu­ stand der Hohlwelle 5 dargestellt, während die obere Darstellung ihren Endzustand mit den fertiggeformten Nocken 6 zeigt, d. h. die erfindungsgemäß einstückig hergestellte Nockenwelle. Mit 7 sind die seitlichen Druckstempel mit ihren Druckstempelköpfen 8 bezeich­ net, die gemäß der linken Schnittdarstellung einen durchgehenden koaxialen Kanal 9 aufweisen, durch den das Druckmedium in das Innere der Hohlwelle 5 ge­ langt.

Bei dieser Ausführungsform wird das Hohlrohr 5 in das Werkzeug 1/2 mit der zu formenden Nockenwellengeome­ trie eingelegt und durch Innenhochdruck mit axialem Werkstoffnachschub umgeformt. D.h. die Hohlwelle 5 wird von ihrem Ausgangszustand kontinuierlich in ih­ ren Endzustand gebracht, indem die Druckstempel 7 in Anlage an die Stirnflächen der Hohlwelle 5 Axialdruck aufbringen und gleichzeitig das Druckmedium durch die Kanäle 9 zugeführt wird und unter dem Einfluß dieser beiden sich überlagernden Kräfte während des Nachschiebens der Druckstempel in das Innere des Werkzeugs die Verformung bis zum gezeigten Endzustand erfolgt.

Für die nachfolgenden Ausführungsformen werden für entsprechende Teile der Fig. 1 entsprechende Bezugs­ ziffern verwendet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besteht das Werkzeug wiederum aus einer oberen Werkzeughälfte 1 und einer unteren Werkzeughälfte 2, deren Hohlraum 3 in der gewünschten Geometrie für die Nockenwelle aus­ geformt ist. Dabei sind bei diesem Ausführungsbei­ spiel sechs Ausfräsungen 4 für jeweils sechs zu for­ mende Nocken im Werkzeug vorgesehen. Die Kanäle 9 in den Stempeln 7/8 sind der Einfachheit halber nicht gezeigt. In den jeweils äußeren, d. h. zum Wellenende hin gelegenen Ausfräsungen 4a und 4b sind hier nur schematisch dargestellte Schieber 11a bzw. 11b vorge­ sehen, die in den Ausfräsungen entsprechend den dar­ gestellten Doppelpfeilen im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Hohlwelle 5 bewegbar sind, und zwar über mit Hydraulikzylindern 12a bzw. 12b verbun­ dene Stempel 13a bzw. 13b. Dadurch sind die Schieber 11a und 11b weg- und kraftsteuerbar; in der Ausgangs­ position befinden sie sich mit ihrer Stirnfläche in der in der Zeichnung oberen Position, d. h. in Anlage an der Außenwand einer eingelegten Hohlwelle 5. Die beiden inneren Ausfräsungen 4 besitzen keine Schie­ ber.

Der Verfahrensablauf ist folgender: Da sich die vier Schieber 4a und b in ihrer vorgefahrenen Ausgangspo­ sition befinden, werden zunächst die innenliegenden Nocken 6 aus geformt, ohne daß der Werkstofffluß beim axialen Werkstoffnachschub durch Bildung der äußeren Nocken behindert wird. Nach beendeter Ausformung der inneren beiden Nocken 6 werden die nach außen zu­ nächst den fertiggeformten Nocken liegenden Zylinder 12b und damit die Schieber 11b zurückgefahren und die Nocken 6b als nächstes ausgeformt, wobei auch hier wiederum der Werkstofffluß durch die Bildung der Nocken 6a nicht behindert wird. Im letzten Abschnitt der IHU-Verformung werden die Schieber 11a zurückge­ fahren und die entsprechenden Nocken 6a ausgeformt.

Anstelle der hydraulischen Betätigung der Schieber 11a und 11b kann deren Steuerung und Bewegung auch mechanisch erfolgen. Hierfür ist in Fig. 3 eine Keilleiste 14 dargestellt, die eine der Anzahl der Schieber 11a und 11b entsprechende Anzahl von Keil­ nocken 15a bzw. 15b in einer entsprechend den Posi­ tionen der Schieberstempel 13a und 13b vorgesehener Anordnung zeigt. Die Keilleiste 14 wird in diesem Fall im Bereich der Hydraulikzylinder 12a und 12b angeordnet und ist parallel zur Längsachse der Hohl­ welle 5 bewegbar, wobei die Keilnocken 15a und 15b auf die entsprechenden Stempel 13a bzw. 13b direkt einwirken. In diesem Fall ist nur ein einziger nicht dargestellter Hydraulikzylinder erforderlich, der die Keilleiste 14 in Richtung des horizontalen Dop­ pelpfeils in Fig. 3 bewegt. Bei der Position gemäß Fig. 3 sind die Stempel 13a und 13b, auf die die Keilnocken 15a bzw. 15b direkt einwirken, in ihrer eingefahrenen Position, d. h. in der Position darge­ stellt, in der zunächst die innenliegenden Nocken 6 ausgeformt werden.

Durch Verfahren der Keilleiste 14 nach links (in Fig. 3) werden bei gleichzeitiger Innendruckbeaufschlagung der Hohlwelle 5 die Schieber 11a und 11b in Fig. 2 nach unten gedrückt, da deren Stempel 13a bzw. 13b entlang der Schräge der Keilnocken 15a bzw. 15b nach unten ausweichen können.

Mit einer derartigen Keilleiste ist eine direkte Steuerung im Sinne des im Zusammenhang mit der Fig. 2 zuvor erläuterten Verfahrensablaufes möglich, da, wie Fig. 3 ebenfalls zeigt, die innenliegenden Keillei­ sten eine kürzere Stirnfläche besitzen, d. h. bei ei­ ner Linksbewegung gelangen die Stempel 13b vor den Stempeln 13a in den Bereich der Schräge der Keil­ nocken 15b, so daß dann zunächst die Ausformung der Nocken 6b erfolgt, bevor die der Nocken 6a einsetzt, was zu dem Zeitpunkt geschieht, in dem die Stempel 13a in den Bereich der Schräge der Keilnocken 15a ge­ langen.

Um den Werkstofffluß beim Ausformen der inneren Nocken 6 noch zu verbessern, können auch in den Aus­ fräsungen 4 Schieber vorgesehen sein, die in entspre­ chender Weise über Stempel von entsprechend zwischen den Keilnocken 15a und 15b liegenden, hier nicht dar­ gestellten Nocken gesteuert werden.

Fig. 4, in der die seitlichen Stempel 7/8 nicht dar­ gestellt sind, zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der in der in Draufsicht dargestellten unteren Werkzeughälfte 2 drei Formnester unterschiedlicher Geometrie (unterschiedliche Anzahl von Ausfräsungen) für das Werkstück gezeigt sind, wo­ bei in jedem Formnest ein in jeweils dieser Stufe fertiggestelltes Werkstück 5 liegt. Das Ausformen in den einzelnen Formnestern kann gleichzeitig oder nacheinander durchgeführt werden.

Fig. 4 macht deutlich, daß die Fertigstellung einer mit sechs Nocken versehenen Nockenwelle 5 in drei Schritten erfolgt, wobei in einem ersten Verfahrens­ schritt die Hohlwelle 5 in dem in Fig. 4 oberen Form­ nest verformt wird, bis die beiden innenliegenden Nocken 6 ausgeformt sind. Das derart ausgeformte Halbzeug wird dann in das darunter dargestellte Formnest gebracht, das zwei zusätzliche Ausfräsungen 4b aufweist, in die in dieser zweiten Stufe dann die Nocken 6b hineinverformt werden. Schließlich wird die Hohlwelle 5 dann in das in Fig. 4 untere, mit sechs Ausfräsungen 4, 4a, 4b ausgerüstete Formnest ver­ bracht, in dem dann die Verformung in den Endzustand erfolgt.

Fig. 5 zeigt eine untere Werkzeughälfte 2, in der ei­ ne Nockenwelle mit sechs Nocken herzustellen ist, von denen die beiden inneren bereits fertiggestellt sind. Auch mit diesem Werkzeug werden die Nocken sukzessiv von innen nach außen gefertigt, wozu zwei Innendorne 16 eingesetzt werden, die im dargestellten Zustand einer Zwischenfertigungsstufe soweit endseitig in die Hohlwelle 5 eingeschoben sind, daß sie im Innern der Hohlwelle die Bereiche gegen Innendruck schützen, die erst im weiteren Verfahrensablauf in die äußeren Ausfräsungen 4a und 4b verformt werden sollen. Dazu haben die Innendorne einen Außendurchmesser, der ein teleskopartiges Einschieben in die Hohlwelle 5 mit einem entsprechenden Spiel zu deren Innenwand gestattet. An ihrem freien, innenliegenden Ende sind die Innendorne 16 jeweils mit einer Kopfdichtung 17 bzw. Keildichtringen versehen, die das Rohr bzw. die Hohlwelle 5 abdichten, sobald im Innern ein Druck erzeugt wird. Je höher der Druck ist, umso größer wird die Dichtkraft der Keildichtringe; die Kraft zum Abdichten wird somit durch den Innendruck erzeugt.

Die Stempel 7/8 sind in diesem Fall derart gestaltet, daß sie einerseits, wie in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen, einen ihr Einführen in die Werkzeugausnehmung gestattenden Außendurchmesser ha­ ben, also einen solchen, der etwa dem Außendurchmes­ ser der Hohlwelle 5 entspricht, im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen jedoch eine erwei­ terte Durchführung, deren Durchmesser so groß ist, daß darin die Innendorne teleskopartig ein- und aus­ gefahren werden können. Somit können die Stempel 7/8 nach wie vor ihre Axialkraft auf die endseitigen Stirnflächen der Hohlwelle 5 ausüben, gleichzeitig jedoch in ihnen die Innendorne 16 verfahren werden. Der koaxiale Kanal 9 für das Druckmedium befindet sich nunmehr jeweils in den Innendornen 16. Dies geht im einzelnen aus der Schnittdarstellung der linken Bildhälfte hervor.

Mit dieser Konzeption ist folgender Verfahrensablauf zu erreichen: Zunächst werden die Innendorne 16 aus den endseitig an der Hohlwelle anliegenden Stempeln 7/8 in die in Fig. 5 dargestellte Position aus- und in die Hohlwelle 5 eingefahren, was durch geeignete, hier nicht dargestellte, am äußeren Ende der Hohl­ stempel 7/8 vorgesehene Mittel geschehen kann, wozu die Innendorne die Stempel 7/8 beispielsweise bis zu deren äußeren Ende durchragen können. Bei der nun folgenden lokalen Innendruckbeaufschlagung bilden sich die beiden inneren Nocken 6 in der dargestellten Weise aus.

Als nächstes werden die Innendorne 16 so weit nach außen zurückgezogen, daß der Bereich der nächstlie­ genden Ausfräsungen 4b freigegeben wird, so daß der Innendruck nun auf diese Hohlwellenbereiche einwirken kann, die dann in diese Ausfräsungen zur Bildung der Nocken 6b hineinverformt werden, und zwar bei gleichzeitigem axialen Werkstoffnachschub von den Rohrenden her, wobei die Innendorne um den Betrag des Werkstoffnachschubs mit nach innen bewegt werden, um eine Reibung zwischen dem Keildichtring an den Innen­ dornen und der Rohrinnenwand zu vermeiden.

Nach dem Ausformen dieses zweiten Nockenpaares 6b erfolgt jeweils der Abbau des Innendrucks, so daß die Dichtkraft an den Keildichtringen auf ein Minimum (elastischer Eigenanteil der Keildichtringe) redu­ ziert wird. Danach werden die Innendorne noch weiter nach außen gefahren und das nächste Nockenpaar 6a ausgeformt.

Auch bei dieser Version kann ein optimaler Werkstoff­ nachschub erreicht werden, da bei jeder Verfahrens­ stufe - die Nockenausformung erfolgt, wie bereits mehrfach auch im Zusammenhang mit den zuvor be­ schriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt, schritt­ weise von innen nach außen - der Werkstoff ungehin­ dert von außen nachgeschoben werden kann, da in den nicht druckbeaufschlagten Bereichen die Verformung noch nicht erfolgt.

Fig. 6 zeigt schließlich ein Werkzeug, mit dem wie­ derum schrittweise eine einstückige Hohlnockenwelle herzustellen ist, wobei im Unterschied zu den Ausfüh­ rungen nach den Fig. 2, 4 und 5 die schrittweise Her­ stellung nicht von den innenliegenden Dornen bis zu den außenliegenden erfolgt, sondern sich auf die gleichzeitige Ausformung der Nocken bezieht, d. h. hier werden die sechs Nocken 6 gemeinsam ausgeformt, und zwar im Interesse wiederum eines optimalen Werk­ stoffflusses über ein Zwischenstadium, das einen mög­ lichst geringen axialen Werkstofffluß benötigt. Die­ ses Zwischenstadium ist in Fig. 6 für die untere Werkzeughälfte 2 dargestellt.

Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist das Werkzeug derart aufgebaut, daß seine "Aktivteile" aus mehre­ ren, im dargestellten Ausführungsbeispiel aus sieben Schiebern oder Formteilen 18a, 18b, 18c und 18d be­ stehen, wobei die jeweils beiden spiegelbildlich an­ geordneten hier dieselbe Bezugsziffer tragen, also 18a, 18b und 18c und in axialer Richtung der Hohl­ welle 5 jeweils verschiebbar sind, während das innen­ liegende Formteil 18d vorzugsweise nicht verschiebbar ist.

Für die untere Werkzeughälfte 2 sind die Schieber 18a bis 18c in auseinandergefahrener Position dar­ gestellt, d. h. sie stehen auf Abstand zueinander, während sie sich in der oberen Werkzeughälfte 1 in gegenseitiger Anlage befinden.

Die vier zwischenliegenden Formteile 18b und 18c sind auf ihrer der Hohlwelle 5 zugekehrten Seite derart abgestuft ausgebildet, daß sie im dargestellten Quer­ schnitt im wesentlichen L-Form besitzen, wobei die zurückspringende Abstufung eine axiale Erstreckung besitzt, die der axialen Länge der herauszuformenden Nocke entspricht. Im zusammengeschobenen Zustand bil­ den diese Abstufungen im Zusammenwirken mit dem je­ weils benachbarten Formteil die Ausfräsung 4. Dazu weist des weiteren das feststehende, zentrale Form­ teil 18d einen im wesentlichen T-förmigen Querschnitt auf, d. h. es besitzt zwei Abstufungen, während die endseitigen Formteile 18a rechteckigen Querschnitt besitzen.

Ausgegangen wird bei dieser Verfahrensversion vom Zu­ stand, wie er für die untere Werkzeughälfte darge­ stellt ist, d. h. die Ausnehmungen sind aufgrund der auseinandergefahrenen Position der Formteile 18a bis 18d quasi axial verlängert. Wird nun das IHU-Verfah­ ren eingeleitet, bauchen sich die in den erweiterten Ausformbereichen liegenden Wandteile der Hohlwelle 5 in der dargestellten Weise aus, also zunächst wel­ lenförmig in freier Umformung, ohne daß sich das Werkstück in den Umformzonen an die Werkzeuginnengra­ vur anlegt. Nunmehr werden die Formteile 18a bis 18c gemäß den Pfeilen axial sukzessiv bei Aufrechterhal­ tung eines gesteuerten Innendrucks und der Axialkraft zusammengeschoben, bis zu der für die obere Werkzeug­ hälfte 1 dargestellten, aneinanderliegenden Position, in der dann die Ausfräsungen 4 die für die gewünschte Nockenbreite erforderliche axiale Erstreckung haben und nunmehr die Nocken in ihre Endform gebracht wer­ den können.

Während der axialen Bewegung der Formteile zur Mitte hin wird nicht der volle Innendruck in der Hohlwelle aufgebracht, sondern nur der erforderliche Stütz­ druck, damit vermieden wird, daß die Hohlwelle in diesem Zustand bereits zu weit in die erweiterten Ausformbereiche verformt wird; erst als letzter Schritt wird bei zusammengefahrenen Formteilen der maximale Innendruck aufgebracht, um das Werkstück in seinen Außenradienbereichen sauber zu kalibrieren.

Es wird deutlich, daß bei diesem Verfahren aufgrund des quasi "Mitgehens" der sechs Formteile 18a bis 18c während des Stauchens der Hohlwelle 5 der in axialer Richtung erfolgende Werkstofffluß relativ zu den die Hohlwelle berührenden Stirnflächen der Formteile 18a bis 18d - wenn überhaupt gegeben - allenfalls minimal ist.

Nur zur Ergänzung der vielfältigen Anwendungsmöglich­ keiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 7 ein Ausgangshalbzeug für eine Hohlwelle 5 darge­ stellt, das zu einer Nockenwelle mit sechs Nocken ausgeformt werden soll und in den in Fig. 7 darge­ stellten Zustand durch konventionelle Verfahren, wie Stauchen der Hohlwelle, Querwalzen etc. vorgeformt wird, wobei an den Stellen, an denen die Nocken aus­ geformt werden sollen, Materialanhäufungen 19 erzeugt worden sind, um der Wanddickenreduzierung und einem möglicherweise nicht ausreichenden Dehnvermögen des Werkstoffes entgegenzuwirken. Ein solches Ausgangs­ halbzeug eignet sich beispielsweise zur Verarbeitung in einem Werkzeug, wie es in Fig. 1, dort allerdings nur für drei Nocken, dargestellt ist, und reduziert aufgrund der Materialanhäufungen auch den axialen Werkstofffluß.

Claims (28)

1. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nocken (6) mit dem Innenhochdruck-Umformverfahren einstückig aus ei­ nem hohlkörperförmigen Halbzeug ausgeformt wer­ den.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Halbzeug rohrförmig ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nocken (6) hinsichtlich ihrer Gestalt und/oder ihrer Position in einem oder mehreren Schritten ausgeformt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nocken (6) von der Wellenmitte zu den Wellenenden hin nacheinander ausgeformt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nocken (6) einzeln oder paarweise ausgeformt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nocken (6) gegen den Druck meh­ rerer druck- und/oder wegsteuerbarer Schieber (11a, b) einzeln oder gruppenweise nacheinander ausgeformt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schieber (11a, b) zumindest zeit­ weise druckbeaufschlagt sind.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schieber (11a, b) über Keilnocken gesteuert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Herstellungs­ schritte in unterschiedlichen Werkzeugbereichen durchgeführt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß eine örtlich gezielte Ausformung der Nocken (6) durch mindestens einen in die Hohlwelle einzuführenden, in dieser längs­ beweglichen, die Positionen der gerade nicht auszuformenden Nocken abdeckenden Innendorn (16) gesteuert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nocken (6) in einem Werkzeug mit mehreren in Richtung der Hohlwellen­ längsachse verschiebbaren Formteilen (18) ausge­ formt werden, wobei die Nocken (6) zunächst bei auf Abstand gesetzten Formteilen (18) angeformt und dann in einem oder mehreren weiteren Schritt(en) bei zusammengeschobenen Formteilen (18) ausgeformt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nocken (6) an einer Hohlwelle (5) angeformt werden, die an den ge­ wünschten Nockenpositionen vorgeformt ist und in den Umformzonen Materialanhäufungen (19) besitzt.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit

• - einem mehrteiligen, die Hohlwelle (5) auf­ nehmenden,
• - einem Ausfräsungen (4) für die auszuformen­ den Nocken (6) aufweisenden Werkzeug (1, 2) und
• - zwei koaxial, jedoch entgegengesetzt je auf ein Hohlwellenende stauchend einwirkende Stempel (7/8),
• - die koaxiale Kanäle (9) für die Zuführung von Druckmedium in das Hohlrohrinnere besit­ zen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ge­ kennzeichnet durch je einen senkrecht zur Hohl­ wellenlängsachse bewegbaren Schieber (11a, b) in zumindest einigen der Ausfräsungen (4).

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schieber (11a, b) druckbe­ aufschlagt sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schieber (11a, b) Teil eines Hydraulikzylinders (12a bzw. 12b) ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch mit den Schiebern (11a, b) verbundene Stempel (13a bzw. 13b), deren Positio­ nen durch Nocken (15a bzw. 15b) einer in Längs­ richtung der Hohlwelle (5) bewegbaren Keilleiste (14) verstellbar sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 13 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 9, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Werk­ zeug(e), mit mehreren Formnestern mit jeweils unterschiedlicher Anzahl an Ausfräsungen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18 dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zweiteiliges Werkzeug (1, 2) mehrere parallel nebeneinander liegende Form­ nester mit von Aufnahme zu Aufnahme steigender Anzahl an Ausfräsungen besitzt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Zahl der Ausfräsungen benachbarter Formnester jeweils um zwei unterscheidet.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Ausfräsungen von der Hohlwellenmitte her in axialer Richtung von Formnest zu Formnest zunimmt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 13 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 10, gekennzeichnet durch mindestens einen in der Hohlwelle (5) längsbeweglichen, hohlen Innendorn (16).

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß je ein Innendorn (16) in jeweils ein Hohlwellenende einzuschieben ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Innendorne (16) zumindest an ihren in die Hohlwelle (5) hineinragenden En­ den mit der Innenwand des Hohlrohrs anliegenden Dichtungen (17) versehen sind.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxialen Kanäle (9) der Stempel (7/8) einen Durchmesser besitzen, der das Einschieben der Innendorne (16) in die Stempel (7/8) gestattet.

26. Vorrichtung nach Anspruch 13 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1, 2) mehrere in Richtung der Längsachse der Hohl­ welle (5) verschiebbare und auf gegenseitigen Ab­ stand zu setzende Formteile (18a bis d) besitzt, die im zusammengeschobenen Zustand die Endform der Hohlwelle bilden.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das der Mitte der Hohlwelle (5) zu­ geordnete Formteil (18d) unverrückbar ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedes innenliegende Formteil (18b bis d) eine dem jeweils zu erzeugenden Nocken (6) entsprechende Abstufung besitzt, die im zusammengeschobenen Zustand jeweils vom be­ nachbarten Formteil zur Bildung je einer Ausfräsung (4) seitlich begrenzt wird.