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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Nockenwellen
aus einem hohlkörperförmigen Werkstück unter
axial erfolgendem Nachschieben von Werkstoff mit Hilfe des Innenhochdruck-Umformverfahrens
(IHU-Verfahren), sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses
Verfahrens.
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Es
ist eine Vielzahl von Herstellungsverfahren für Nockenwellen bekannt. Dabei
kann im wesentlichen in zwei Gruppen unterschieden werden.
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Zur
ersten Gruppe gehört
die konventionell hergestellte Nockenwelle, die entweder geschmiedet oder
als Rohling gegossen wird, und zwar sowohl als Vollkörper als
auch als Schalenhartguß,
wobei beide Halbfabrikate dann weiteren Bearbeitungsschritten zu
unterwerfen sind, nämlich
zunächst
einer mechanischen, spanenden, sodann der Oberflächenvergütung mit nachfolgender Wärmebehandlung
und schließlich
dem Schleifen der Lagersitze und Nocken. Die Nachteile derart hergestellter
Nockenwellen bestehen insbesondere 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 Rohlingsbearbeitung.
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Zur
anderen Gruppe gehören
gefügte
Nockenwellen, bei denen die Nocken als Einzelteile hergestellt und
dann in ver schiedener Weise mit einer Welle verbunden werden. So
können
die Nocken beispielsweise aufgeschweißt werden, speziell auf eine Hohlwelle,
oder auch auf ein Rohr aufgeschoben und auf dieses aufgeschrumpft
werden. Für
die letztgenannten Herstellungsweise ist es bekannt, das Rohr bzw.
die Hohlwelle mit den aufgeschobenen Nocken in ein entsprechend
ausgeformtes Werkzeug zu legen und das Rohr nach dem Innenhochdruck-Umformverfahren
(IHU-Verfahren) aufzuweiten, wobei sich die Nocken elastisch und
das Rohr plastisch aufweiten, so daß ein fester Sitz der Nocken
auf dem Rohr bzw. der Hohlwelle durch Presspassung geschaffen wird.
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Bei
dem IHU-Verfahren wird der umzuformende, rohrförmige Hohlkörper gleichzeitig durch einen
Innendruck und eine an seinen Enden wirkende Axialkraft belastet.
Als Druckmedium sind Flüssigkeiten
oder Elastomere geeignet. Die Axialkraft wird in aller Regel mit
starren Werkzeugen übertragen,
wie Kolben, Stempel und dgl., die direkt oder indirekt auf die Werkstückenden
einwirken.
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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 Sonderherstellung 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 Fügeoperation erforderlichen
Schritten aufwendig ist.
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Die
DE 44 27 201 A1 offenbart
hohle Nockenwellen und Verfahren zu ihrer Herstellung, die beispielsweise
aus einem kaltumformbaren, wärmebehandelten
Metal bestehen und einen zu den Außenkonturen der Nockenwelle
parallelen Faserverlauf aufweisen. In dem Verfahren werden Zwischenprodukt-Vorformen
mittels des Innenhochdruckumformverfahrens in die endgültige Nockenwellenform ausgeformt.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu seiner Durchführung
zu schaffen, mit denen eine kostensenkende Herstellung von Nockenwellen
nicht nur unter Einsparung von Werkzeugen und Arbeitsschritten,
sondern auch unter Steigerung des Wirkungsgrades (höhere Ausbringung)
erreicht werden.
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Gelöst wird
das Problem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Das erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen von Nockenwellen geht aus von einem hohlkörperförmigen Werkstück, das
unter axial erfolgendem Nachschieben von Werkstoff mit Hilfe des
Innenhochdruck-Umformverfahrens (IHU-Verfahren) ausgeformt wird,
wobei die Nockenwellen einzeln oder paarweise von der Wellenmitte zu
den Wellenenden hin nach einander ausgeformt werden. Das IHU-Verfahren wird 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.
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So
werden bei der erfindungsgemäßen Ausführung die
Nocken von der Wellenmitte zu den Wellenenden hin nacheinander ausgeformt,
was in besonders ökonomischer
Weise paarweise geschehen kann. Der erhebliche Vorteil dieses Vorgehens
liegt in der kostengünstigeren
Herstellung, insbesondere beim Wegfall 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 Rohrenden durch die axiale Kraftbeaufschlagung und Vorschubbewegung
wird erfindungsgemäß nicht
durch vorangelagerte Nockenpaare behindert, d.h., Rohrmaterial kann
ungehindert in die jeweilige Umformzone nachgeschoben 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 Wandstärkenreduzierung
in der Umformzone (auszuformender Nocken wesentlich geringer, d.h.
es ergibt sich gleichmäßigerer
Wandstärkenverlauf,
d.h. es wird höhere
Bauteilstabilität
erreicht. Für
die praktische Anwendung kommen mehrere Möglichkeiten in Frage.
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So
können
die Nocken positionsmäßig gezielt
gegen den Druck mehrerer, hinsichtlich ihres Rückzugs steuerba rer Schieber
od.dgl. einzeln oder gruppenweise nacheinander ausgeformt werden.
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Für diese
und die nachfolgenden Ausführungsmöglichkeiten
gilt im Zusammenhang mit der zuvor angegebenen Möglichkeit, die Nocken von der Wellenmitte
zu den Wellenenden hin nacheinander auszuformen, der besondere Vorteil,
daß durch
die Steuerung des Werkstoffflusses in die innenliegenden Bereiche,
d.h. in der Wellenmitte keine hohe Werkstoffabstreckung eintritt,
da während
des Ausformens der innenliegenden Nocken der Werkstofffluß beim axialen
Werkstoffnachschub durch davor gelagerte Nocken nicht behindert
wird. Darüber
hinaus ist es dadurch möglich,
Nockenwellen aus Werkstoffen mit einem geringeren Dehnvermögen, 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.
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Bei
der zuvor angesprochenen Variante können die Schieber zum gewünschten
Zeitpunkt druckbeaufschlagt sein, und zwar einzeln oder paarweise, je
nach Anwendungsfall. Sie sind bei einer bevorzugten Ausführungsmöglichkeit
durch jedem Schieber zugeordnete Hydraulikzylinder 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 übrigen
Ausfräsungen
die Schieber bis gegen die Außenwand
der Hohlwelle gedrückt werden,
so daß an
diesen Stellen keine Wellenverformung stattfindet; dort werden die
Nocken erst zu einem späteren
Zeitpunkt ausgebildet.
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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.
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Dabei
ist in Weiterbildung der Erfindung den verschiedenen 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 nachfolgenden Ausführungen
im einzelnen noch zeigen werden, einerseits die Nocken stufenweise
in ihre Endform gebracht werden können und andererseits aber
auch in einer gewünschten
Reihenfolge ihrer Anordnung auf der Welle nacheinander ausgeformt
werden können.
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Selbstverständlich können diese
beiden Möglichkeiten
auch überlagert
werden.
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Die
von innen nach außen
erfolgende Nockenausformung kann nach einer weiteren Ausführungsmöglichkeit
der Erfindung auch dadurch geschehen, daß die einzelnen Herstellungsschritte
in unterschiedlichen Werkzeugbereichen 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 Platzprobleme
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.
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Alternativ
kann die örtlich
gezielte Ausformung der Nocken auch durch in die Hohlwelle einzuführende Innendorne
geschehen, die dann in wirkungsmäßig gleicher
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 Innendruck (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 Innenwandung
der Hohlwelle im Bereich der Ausfräsungen, in die noch nicht hineinverformt
werden soll, vom Innendruck beaufschlagt wird. Somit bewirkt der
mechanisch aufgebrachte Axialdruck zusammen mit dem Innendruck nur
dort Stauchungen und schließlich
die gewünschten
Ausformungen, wo kein Innendorn die Hohlwelleninnenwand gegen Innendruck
abdeckt und sich ein oder mehrere Ausfräsungen befinden.
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In
praktischer Ausführung
werden vorzugsweise zwei Innendorne verwendet, die beidseitig in die
Hohlwelle einzuschieben sind und einen Außendurchmesser besitzen, 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 Kanälen versehen sein, damit das
Druckmedium in das Welleninnere gelangen kann.
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Diese
Ausgestaltung der Erfindung erlaubt es, bei vergleichsweise niedrigen
Werkzeugkosten eine vergleichsweise hohe Zahl von Ausfräsungen im Werkzeug
zu integrieren.
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Im
Rahmen der erfindungsgemäßen Möglichkeit
der stufenweisen Ausformung nicht nur hinsichtlich der Nockenposition
auf der Welle, sondern, wie eingangs erwähnt, auch hinsichtlich des
Erreichens der Nockenendform, 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 verschiebbaren
Formteilen besteht.
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Bei
dieser Ausführung
ist es möglich,
die Hohlwelle bei auf Abstand gesetzten Formteilen, in welchem Zustand
die die Verformung gestattenden Ausnehmungen eine größere axiale
Erstreckung haben als letztendlich 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.
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Da
die Verformung stufenlos unter kontinuierlicher Annäherung der
Formteile aneinander durchgeführt
werden kann, ist das Bauteil in einem Arbeitsschritt herzustellen,
was eine Verfahrenserleichterung bedeutet, wobei auch hier eine
relativ große
Anzahl von Nocken mit hoher Nockenhöhe sowie relativ vielen Lagersitzen
möglich
ist.
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Es
sei erwähnt,
daß es
im Rahmen der Erfindung auch möglich
ist, von einem Halbzeug auszugehen, das durch konventionelle Verfahren,
beispielsweise durch Stauchen 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 Wanddickenreduzierung und einem möglicherweise
nicht ausreichenden Dehnvermögen des
Werkstoffes entgegenzuwirken.
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Anhand
der beigefügten
Zeichnungen, in denen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
dargestellt sind, werden nachfolgend weitere Einzelheiten und Vorteile
dargelegt. Es zeigen:
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1 Ein
Werkzeug mit eingelegtem Werkstück
im Ausgangs- und Endzustand, schematisch in geschnittener Seitenansicht;
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2 ein
Werkzeug ähnlich
dem in 1 dargestellten, jedoch mit individuell über Hydraulikzylinder
weg- und kraftsteuerbaren Schiebern in einigen Formnestern;
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3 eine
Keilleiste zur Steuerung der Stempel der Schieber gemäß 2,
schematisch dargestellt;
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4 eine
Werkzeughälfte
mit mehreren Aufnahmen zur stufenweisen Fertigstellung des Werkstücks mit
dem sich im jeweiligen Ausformzustand befindenden Werkstück, schematisch
in Draufsicht, geschnitten;
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5 eine
Werkzeughälfte
in einer weiteren Anwendungsvariation mit eingelegtem, partiell
fertiggestellten Werkstück
(Hohlwelle) und die Innenwand der Hohlwelle teilweise abdeckenden
Innendornen, schematisch in Draufsicht, geschnitten;
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6 eine
weitere Ausführungsmöglichkeit des
Werkzeugs mit beweglichen Formteilen, schematisch in Seitenansicht,
geschnitten, wobei die Hohlwelle unten im vorgeformten Zustand und
oben fertiggeformt bei zusammengefahrenen Formteilen gezeigt ist;
und
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7 eine
vorgeformte Hohlwelle als Ausgangshalbzeug zum Einsatz beispielsweise
in ein Werkzeug gemäß 1.
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Bevor
auf die Darstellungen im einzelnen eingegangen wird, seien einige
grundlegende Bemerkungen vorangestellt. So ist zunächst zu
beachten, daß in
den 1, 2 und 6 im in
der Zeichnung oberen Teil das Werkstück in seiner endgültigen Form
dargestellt ist, während
im unteren Teil der Ausgangszustand bzw. bei 6 ein anfängliches
Zwischenstadium gezeigt sind. Sämtlichen 1 bis 6 ist
im übrigen
gemeinsam, daß sie schematisch
Werkzeuge zeigen, die grundsätzlich
für das
Innenhochdruck-Umformverfahren, das sogenannte IHU-Verfahren geeignet
und vorzugsweise horizontal 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 betätigbaren
Stempel stirnseitig axial wirkenden Kräften ausgesetzt wird, wobei gleichzeitig
ein Druckmedium 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. Vorzugsweise wird
der Druck über
einen Druckübersetzer
aufgebracht (aufgebaut wie ein Hydraulikzylinder) und kann erhöht (Flüssigkeit
im Innern des Druckübersetzers
wird komprimiert) oder verringert (Flüssigkeit wird entlastet) werden.
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In 1 ist
ein Werkzeug mit einer oberen Werkzeughälfte 1 und einer unteren
Werkzeughälfte 2 dargestellt,
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
Verdeutlichung die einzelnen Nocken in einer Ebene dargestellt sind;
selbstverständlich
sind sie in aller Regel radial winkelversetzt. Der Hohlraum 3 weist
an den Stellen, an denen sich letztendlich die Nocken befinden sollen,
entsprechende Ausfräsungen 4 auf,
im vorliegenden Fall lediglich wegen der Prinzipdarstellung nur
drei, in die die entsprechenden Wandbereiche der Hohlwelle hineingedrückt werden. Die
Ausfräsungen
sind Teil der gesamten Werkzeuginnengravur (Formnest), in die ein
Werkstück
eingelegt wird.
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In
der unteren Hälfte
der 1 ist der Anfangszustand 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 bezeichnet,
die gemäß der linken
Schnittdarstellung einen durchgehenden koaxialen Kanal 9 aufweisen,
durch den das Druckmedium in das Innere der Hohlwelle 5 gelangt.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird das Hohlrohr 5 in das Werkzeug 1/2 mit
der zu formenden Nockenwellengeometrie eingelegt und durch Innenhochdruck
mit axialem Werkstoffnachschub umgeformt. D.h. die Hohlwelle 5 wird
von ihrem Ausgangszustand kontinuierlich in ihren 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.
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Für die nachfolgenden
Ausführungsformen werden
für entsprechende
Teile der 1 entsprechende Bezugsziffern
verwendet.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 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
ausgeformt ist. Dabei sind bei diesem Ausführungsbei spiel sechs Ausfräsungen 4 für jeweils
sechs zu formende 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 vorgesehen,
die in den Ausfräsungen
entsprechend den dargestellten Doppelpfeilen im wesentlichen senkrecht
zur Längsachse
der Hohlwelle 5 bewegbar sind, und zwar über mit
Hydraulikzylindern 12a bzw. 12b verbundene Stempel 13a bzw. 13b.
Dadurch sind die Schieber 11a und 11b weg- und
kraftsteuerbar; in der Ausgangsposition 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 Schieber.
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Der
Verfahrensablauf ist folgender: Da sich die vier Schieber 4a und
b in ihrer vorgefahrenen Ausgangsposition befinden, werden zunächst die
innenliegenden Nocken 6 ausgeformt, 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
zunächst
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 zurückgefahren
und die entsprechenden Nocken 6a ausgeformt.
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Anstelle
der hydraulischen Betätigung
der Schieber 11a und 11b kann deren Steuerung
und Bewegung auch mechanisch erfolgen. Hierfür ist in 3 eine
Keilleiste 14 dargestellt, die eine der Anzahl der Schieber 11a und 11b entsprechende
Anzahl von Keilnocken 15a bzw. 15b in einer entsprechend
den Positionen 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 Hohlwelle 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 Doppelpfeils in 3 bewegt.
Bei der Position gemäß 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
dargestellt, in der zunächst
die innenliegenden Nocken 6 ausgeformt werden.
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Durch
Verfahren der Keilleiste 14 nach links (in 3)
werden bei gleichzeitiger Innendruckbeaufschlagung der Hohlwelle 5 die
Schieber 11a und 11b in 2 nach unten
gedrückt,
da deren Stempel 13a bzw. 13b entlang der Schräge der Keilnocken 15a bzw. 15b nach
unten ausweichen können.
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Mit
einer derartigen Keilleiste ist eine direkte Steuerung im Sinne
des im Zusammenhang mit der 2 zuvor
erläuterten
Verfahrensablaufes möglich, da,
wie 3 ebenfalls zeigt, die innenliegenden Keilleisten
eine kürzere
Stirnfläche
besitzen, d.h, bei einer Linksbewegung gelangen die Stempel 13b vor den
Stempeln 13a in den Bereich der Schräge der Keilnocken 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 gelangen.
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Um
den Werkstofffluß beim
Ausformen der inneren Nocken 6 noch zu verbessern, können auch in
den Ausfräsungen 4 Schieber
vorgesehen sein, die in entsprechender Weise über Stempel von entsprechend
zwischen den Keilnocken 15a und 15b liegenden,
hier nicht dargestellten Nocken gesteuert werden.
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4,
in der die seitlichen Stempel 7/8 nicht dargestellt
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, wobei in jedem Formnest ein in jeweils dieser Stufe
fertiggestelltes Werkstück 5 liegt.
Das Ausformen in den einzelnen Formnestern kann gleichzeitig oder
nacheinander durchgeführt
werden.
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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 4 oberen Formnest 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 4 untere, mit
sechs Ausfräsungen 4, 4a, 4b ausgerüstete Formnest
verbracht, in dem dann die Verformung in den Endzustand erfolgt.
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5 zeigt
eine untere Werkzeughälfte 2,
in der eine 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.
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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 haben, also
einen solchen, der etwa dem Außendurchmesser
der Hohlwelle 5 entspricht, im Unterschied zu den bisherigen
Ausführungsbeispielen
jedoch eine erweiterte Durchführung,
deren Durchmesser so groß ist,
daß darin
die Innendorne teleskopartig ein- und ausgefahren 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.
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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 5 dargestellte
Position aus- und in die Hohlwelle 5 eingefahren, was durch
geeignete, hier nicht dargestellte, am äußeren Ende der Hohlstempel 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.
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Als
nächstes
werden die Innendorne 16 so weit nach außen zurückgezogen,
daß der
Bereich der nächstliegenden
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 Innendornen und der Rohrinnenwand zu vermeiden.
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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) reduziert
wird. Danach werden die Innendorne noch weiter nach außen gefahren
und das nächste
Nockenpaar 6a ausgeformt.
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Auch
bei dieser Version kann ein optimaler Werkstoffnachschub erreicht
werden, da bei jeder Verfahrensstufe – die Nockenausformung erfolgt,
wie bereits mehrfach auch im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispielen
erwähnt,
schrittweise von innen nach außen – der Werkstoff
ungehindert von außen
nachgeschoben werden kann, da in den nicht druckbeaufschlagten Bereichen
die Verformung noch nicht erfolgt.
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6 zeigt
schließlich
ein Werkzeug, mit dem wiederum schrittweise eine einstückige Hohlnockenwelle
herzustellen ist, wobei im Unterschied zu den Ausführungen
nach den 2, 4 und 5 die
schrittweise Herstellung 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 Werkstoffflusses über ein Zwischenstadium,
das einen möglichst
geringen axialen Werkstofffluß benötigt. Dieses
Zwischenstadium ist in 6 für die untere Werkzeughälfte 2 dargestellt.
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Wie
aus dieser Figur hervorgeht, ist das Werkzeug derart aufgebaut,
daß seine "Aktivteile" aus mehreren, im
dargestellten Ausführungsbeispiel aus
sieben Schiebern oder Formteilen 18a, 18b, 18c und 18d bestehen,
wobei die jeweils beiden spiegelbildlich angeordneten hier dieselbe
Bezugsziffer tragen, also 18a, 18b und 18c und
in axialer Richtung der Hohlwelle 5 jeweils verschiebbar
sind, während das
innenliegende Formteil 18d vorzugsweise nicht verschiebbar
ist.
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Für die untere
Werkzeughälfte 2 sind
die Schieber 18a bis 18c in auseinandergefahrener
Position dargestellt, d.h. sie stehen auf Abstand zueinander, während sie
sich in der oberen Werkzeughälfte 1 in
gegenseitiger Anlage befinden.
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Die
vier zwischenliegenden Formteile 18b und 18c sind
auf ihrer der Hohlwelle 5 zugekehrten Seite derart abgestuft
ausgebildet, daß sie
im dargestellten Querschnitt im wesentlichen L-Form besitzen, wobei
die zurückspringende
Abstufung eine axiale Erstreckung besitzt, die der axialen Länge der
herauszuformenden Nocke entspricht. Im zusammengeschobenen Zustand
bilden diese Abstufungen im Zusammenwirken mit dem jeweils benachbarten Formteil
die Auisfräsung 4.
Dazu weist des weiteren das feststehende, zentrale Formteil 18d einen
im wesentlichen T-förmigen
Querschnitt auf, d.h. es besitzt zwei Abstufungen, während die
endseitigen Formteile 18a rechteckigen Querschnitt besitzen.
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Ausgegangen
wird bei dieser Verfahrensversion vom Zustand, wie er für die untere
Werkzeughälfte
dargestellt ist, d.h. die Ausnehmungen sind aufgrund der auseinandergefahrenen
Position der Formteile 18a bis 18d quasi axial
verlängert.
Wird nun das IHU-Verfahren eingeleitet, bauchen sich die in den
erweiterten Ausformbereichen liegenden Wandteile der Hohlwelle 5 in
der dargestellten Weise aus, also zunächst wellenförmig in
freier Umformung, ohne daß sich
das Werkstück
in den Umformzonen an die Werkzeuginnengravur anlegt. Nunmehr werden
die Formteile 18a bis 18c gemäß den Pfeilen axial sukzessiv
bei Aufrechterhaltung eines gesteuerten Innendrucks und der Axialkraft
zusammengeschoben, bis zu der für
die obere Werkzeughälfte 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 werden können.
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Während der
axialen Bewegung der Formteile zur Mitte hin wird nicht der volle
Innendruck in der Hohlwelle aufgebracht, sondern nur der erforderliche Stützdruck,
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.
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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.
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Nur
zur Ergänzung
der vielfältigen
Anwendungsmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in 7 ein Ausgangshalbzeug für eine Hohlwelle 5 dargestellt,
das zu einer Nockenwelle mit sechs Nocken ausgeformt werden soll
und in den in 7 dargestellten Zustand durch
konventionelle Verfahren, wie Stauchen der Hohlwelle, Querwalzen etc.
vorgeformt wird, wobei an den Stellen, an denen die Nocken ausgeformt
werden sollen, Materialanhäufungen 19 erzeugt
worden sind, um der Wanddickenreduzierung und einem möglicherweise
nicht ausreichenden Dehnvermögen
des Werkstoffes entgegenzuwirken. Ein solches Ausgangshalbzeug eignet
sich beispielsweise zur Verarbeitung in einem Werkzeug, wie es in 1,
dort allerdings nur für
drei Nocken, dargestellt ist, und reduziert aufgrund der Materialanhäufungen
auch den axialen Werkstofffluß.