DE19626160C2

DE19626160C2 - Zahnradherstellungsverfahren

Info

Publication number: DE19626160C2
Application number: DE19626160A
Authority: DE
Inventors: Koji Harada; Hisanobu Kanamaru
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2016-06-29
Also published as: US5746085A; JPH0910883A; DE19626160A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanlosen Herstel lung von Zahnrädern, insbesondere von Schrägritzeln für Ge triebe, bei welchem ein zylindrischer Rohling in eine hohlzy lindrische mit Innenverzahnung versehene Matrize eingesetzt und zwischen zwei achszentrierten Preßstempeln mit jeweils kegelstumpfförmigen Enden durch einen nach radial außen ge richteten Materialfluß verformt wird, wobei die Matrize zu sammen mit einer oberen und einer unteren Einspannbuchse wäh rend des Preßvorgangs eine Axialbewegung ausführt. Ferner be trifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, in welcher insbesondere Schrägritzel für Getriebe hergestellt werden können.

Aus der JP 6-98450 B2 ist ein Verfahren zum spanlosen Herstel len von Schrägzahnrädern bekannt, bei dem ein Rohling einsei tig durch nur einen Preßstempel zu dem Zahnrad umgeformt wird, wobei das Material am anderen Rohlingende nur ungenü gend fließen kann. Im Ergebnis werden die beiden Endabschnit te des Zahnrades nicht ausreichend genau ausgebildet, da ihre Zähne endseitige Fehlstellen aufweisen.

Bei einem in der JP 6-31373 A beschriebenen Verfahren zum Formen von Zahnrädern werden ein oberer und ein unterer ring förmiger Preßstempel verwendet, welche auf die beiden Stirn seiten des Rohlings einwirken. Der untere Stempel ist in ei nem Zahnrad-Gesenkkopf fest montiert, so daß das Material des Rohlings in axialer Richtung fließt und im gezahnten Ab schnitt des Gesenkkopfes hohe Beanspruchungen erzeugt, die seine Lebensdauer erheblich verkürzen.

Aus der DE 37 18 884 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur spanlosen Herstellung von Zahnrädern bekannt, bei welchem das Umformen des Werkstücks durch Fließpressen in einer außen ge zahnten Matrize zwischen einem unverzahnten Stempel und einem Gegenstempel erfolgt, der das geformte Werkstück auswirft. Da die Länge des Rohlings die Dicke der Matrize übersteigt, wird durch eine Zustellbewegung des oberen Preßstempels zuminde stens in einer ersten Preßphase der Rohling lediglich axial gestaucht, was zu außerordentlich hohen Beanspruchungen ein mal der aktiven Stempelenden und insbesondere auch der Innen wandungen der Matrize führt. Da ferner das Material zum Ein fließen in die Matrize um die rechtwinkligen Kanten eines oberen und eines unteren Spannringes herumgedrückt werden muß, ergibt sich ein unzureichender Füllungsgrad insbesondere in den axialen Endabschnitten der Zahnlücken in der Matrize. Darüber hinaus sind zur Überwindung der Wandreibung beim axialen Stauchen des Rohlings hohe Preßkräfte erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum spanlosen Herstellen von Zahnrädern aufzuzeigen, das eine erhöhte Form genauigkeit insbesondere bei der Ausbildung der Zähne und ei ne verlängerte Lebensdauer der Preßstempel ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Eine besonders geeignete Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist im Patentanspruch 4 ange geben.

Erfindungsgemäß wird der Rohling zwischen zwei koaxial gegen überliegend angeordneten Preßstempeln ohne axiales Stauchen unter Beibehaltung seiner ursprünglichen Höhe verformt. Er reicht wird dies durch das Einspannen der beiden äußeren stirnseitigen Randflächen des Rohlings zwischen zwei Ein spannbuchsen und durch das Einpressen der beiden Stempel nur mit ihren jeweils kegelstumpfförmigen Endteilen. Die Kegel flächen der Stempel erzeugen beim Eindringen in den Rohling intensive radiale Flußkomponenten, die bei erheblich verrin gerten Preßkräften einen verbesserten Füllungsgrad der Zahn lücken in der Matrize ergeben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt einer Gelenk konstruktion am Ende eines Umform vorganges;

Fig. 2 die Gelenkkonstruktion nach Fig. 1 vor einem Umformvorgang;

Fig. 3 einen Teil einer Gesenkkonstruktion nach einem zweiten Umformschritt;

Fig. 4 einen Rohling für ein Schrägzahnrad im Axialschnitt;

Fig. 5 ein ausgeformtes Schrägzahnrad im Axialschnitt;

Fig. 6 ein fertiges Schrägzahnrad nach dem zweiten Umformschritt;

Fig. 7a, b vertikale Axialschnitte eines nach einer Verfahrensvariante hergestell ten hohlen Schrägzahnrads;

Fig. 8 einen Axialschnitt einer Gelenkkon struktion zum Herstellen des Zahnra des nach Fig. 7a, 7b; und

Fig. 9 den wesentlichen Teil der Gelenkkon struktion nach Fig. 8 während einer dritten Preßphase zum Herstellen des Zahnrades nach Fig. 7a, 7b.

Bei der Gesenkkonstruktion nach Fig. 1, 2 weist eine obere Baueinheit einen säulenförmigen Preßstempel 1, eine Führungs buchse 2 für den Preßstempel 1, eine obere Hydraulikzylinder einheit 3 und eine Stempelhalterung 4 auf. Der Preßstempel 1 hat die Form eines Kegelstumpfes und weist eine flache Stirn fläche 1A sowie eine daran anschließende Kegelfläche 1B auf. Der Preßstempel 1 ist in einer Gleitbohrung 2A der Führungs buchse 2 gleitend geführt und an der Stempelhalterung 4 zu sammen mit einem Gegenhalter 5 festgelegt. Der Durchmesser d des Preßstempels ist kleiner als der kleine Durchmesser D (der dem Fußkreis des Zahnrades entspricht) eines Gelenkkop fes 6. Die Stempelhalterung 4 ist an einer mit einem Radial flansch versehenen hohlzylindrischen Halterung 7 montiert, die an einem nicht gezeigten Pressenstempel befestigt ist. Die Führungsbuchse 2 hat eine Stirnfläche 2B und einen zylin drischen Führungsabschnitt 2C und ist durch einen Gewindering 8 im Hydraulikzylinder 3 befestigt.

Eine untere Baueinheit enthält den Gesenkkopf 6, einen unte ren Preßstempel 10 in Flucht zum oberen Preßstempel 1, eine Führungsbuchse 12 und eine untere hydraulische Zylinderein heit 13. Der Gesenkkopf 6 wird von Federn 16 schwebend in Ringhalterungen 14 und 15 gehalten, die auf einer Grundplatte befestigt sind. Die Führungsbuchse 12 wird synchron von der unteren Zylindereinheit 13 betätigt.

Der Gesenkkopf 6 hat eine Innenzahnung 17 sowie erweiterte Aufnahmebohrungen 6A und 6B an seinem oberen und seinem unte ren Ende. In der Regel besteht der Gesenkkopf 10 aus mehreren Segmenten. Der untere Preßstempel 10 hat an seinem Ende die Form eines Kegelstumpfs aus einer flachen Stirnfläche 10A und einer Kegelfläche 10B. Der Preßstempel 10 hat im wesentlichen die gleiche Form und die gleichen Abmessungen wie der Preß stempel 1, ist in einer Gleitbohrung 12A der Führungsbuchse 12 geführt und wird von einer Stempelhalterung 18 und einem Gegendruckelement 19 gleitend gehalten. Die Stempelhalterung 18 ist an der Halterung 14 befestigt. Ferner besitzt auch die Führungsbuchse 12 eine Stirnfläche 12B am oberen Ende eines Führungsabschnitts 20 und ist durch einen Gewindering 21 an einem Ringkolben 30 der unteren Hydraulikzylinderanordnung befestigt.

Zur Formung eines Zahnrades wird bei angehobener oberer Bau einheit der Abschnitt der Führungsbuchse 12 in die Aufnahme bohrung 6B des Gesenkkopfes 6 von der unteren Zylindereinheit 13 eingeführt, so daß die Einspannstirnfläche 12B an der Stirnfläche 6C des Gesenkkopfes 6 anschlägt. Dabei wird der Gesenkkopf 6 bis zur Anlage an der Halterung 15 nach aufwärts bewegt.

Die Halterung 15 hält den Gesenkkopf 10 in einer Position, in welcher die mit der Innenverzahnung versehene Stirnfläche 6C des Gesenkkopfes 6 und die ebene Stirnfläche 10A des Stempels 10 in derselben Ebene positioniert sind. Daraufhin wird ein Rohling 30 auf dem Preßstempel 10 angeordnet, woraufhin der - nicht dargestellte - Pressenstößel abgesenkt wird, wodurch der Führungsabschnitt 2C der Führungsbuchse 2 in die Aufnah mebohrung 6A des Gelenkkopfes 6 eindringt und die Stirnfläche 2B an der mit Innenverzahnung versehenen Stirnfläche 6C des Gesenkkopfes 6 anschlägt. Dabei befindet sich der Gesenkkopf in einem Schwebezustand, so daß der Rohling 30 eine Axialbe wegung ausführt. Dies ist der Zustand unmittelbar vor Beginn des plastischen Fließens.

In diesem Zustand stützen sich die Führungsbuchsen 2 und 12 am Gesenkkopf 6 ab. Durch weiteres Absenken des Pressenstö ßels wird der Preßstempel 1 in den Rohling gepreßt und gleichzeitig wird auch der Gesenkkopf 6 abgesenkt, so daß der untere Preßstempel 10 in den Rohling 30 eindringt. Durch Be wegen der beiden Preßstempel in den Rohling wird das Material des Rohlings in den Mittelabschnitten komprimiert. Gleichzei tig erfolgt eine Umformung längs der Kegelflächen 1B und 10B in radialer Richtung, so daß das Material in Richtung der In nenzahnung 17 plastisch fließt und in die Zahnlücken ein dringt. Dieser plastische Fließvorgang bewirkt ein Füllen der Räume mit Material längs der kegelförmigen Stirnflächen der Führungsbuchsen 2 und 12 zur Bildung des gezahnten Abschnitts bei langsamer Entlastung. Während der Zahnradherstellung ist ferner das Rohlingmaterial längs der Umfangsabschnitte seiner axialen Enden durch die Einspann-Stirnflächen 2B, 12B der Führungsbuchsen 2, 12 auf ein plastisches Fließen einge schränkt, wobei die Einspannbuchsen 2, 12 durch etwa gleiche obere und untere Kräfte durch die obere bzw. die untere Hy draulikzylindereinheit 3 bzw. 13 gepreßt werden.

Ein zu einem Zahnrad 40, z. B. einem Schrägritzel, geformter Rohling arbeitet in einem einfachen Getriebe zufriedenstel lend, wenn keine hohen Genauigkeitsanforderungen erfüllt wer den müssen. Wenn jedoch eine höhere Präzision verlangt wird, muß eine in Fig. 3 gezeigte Endbearbeitung durchgeführt wer den. Dabei wird das Zahnrad 56 in einen Gesenkkopf 50 mit In nenzahnung 51 eingesetzt und von zwei Formstempeln 52, 53 mit Schrägzahnung 54, 55, die in axialer Richtung mit der Schräg- Innenzahnung 51 in gleitendem Eingriff sind, zu einem präzi sen Zahnrad gepreßt, dessen obere und untere Stirnflächen und dessen Zahnradabschnitt fein ausgeformt sind (Preßkalibrie rung mittels einer Presse). Die beiden Stempel haben eine ke gelstumpfförmige oder kegelförmige Spitze, die beim Formvor gang jedoch nicht aufeinandertreffen sollen.

Bei der vorliegenden Ausführung wird ein plastisches Fließen in axialer Richtung verhindert, weil die beiden Stirnflächen 41, 42 des geformten Zahnrads zwischen den Führungsbuchsen 2, 12 eingespannt sind und die beiden Stempel 1, 10 mit ihren kegelstumpfförmigen Enden, deren Durchmesser kleiner als der kleine Durchmesser des Gesenkkopfes ist, den Rohling konzen trisch pressen, so daß der plastische Materialfluß des Roh lings in radialer Richtung in einem ausgeglichenen Zustand ausgeführt wird. Da die axiale Beanspruchung nicht auf den Innenzahnungs-Abschnitt 17 wirkt, wird die Lebensdauer des Gesenkkopfes 6 erheblich vergrößert und der Füllungsgrad der Zahnung im Gesenkkopf 6 wird erhöht, wodurch sich ein verbes serter Herstellungsprozeß bei geringeren Herstellungskosten ergibt.

Ferner erfolgt eine Nachprägung der im ersten Formungsschritt nicht gefüllten Teile 41, 42, wodurch die Füllrate des Zahn ritzels deutlich erhöht wird. Ein Rohling und ein ausgeform tes Schrägritzel sind in den Fig. 4 bis 6 dargestellt, wobei die Höhe H des Rohlings 30 und des Schrägritzels 40 in etwa gleich sind und die Höhe h des Schrägritzels 56 etwa 5% ge ringer als die Höhe H wird. Die Lebensdauer des Stempels wird jedoch dadurch nicht beeinflußt, da der in Axialrichtung ver drängte Teil nicht ausgehärtet ist.

Die Ausführung nach Fig. 7 bis 9 bezieht sich auf ein Zahn ritzel mit einer zentralen Wellenbohrung bzw. einem Montage loch, das aus einem Zwischenrohling 40 nach Fig. 5 über die Formgebungsschritte nach Fig. 7a, 7b hergestellt wird.

Der im ersten Formungsschritt erhaltene Zwischenrohling 40 nach Fig. 5 wird in der Vorrichtung nach Fig. 8 zu einem Hohlrohling 67 geformt. Danach erfolgt eine Stauchformung zu einem Schrägzahnrad 71, einem Loch 72, Endflächen 73, 74 etc. durch einen in Fig. 9 dargestellten Werkzeugsatz, wodurch ein Schraubenkeil 70 von hoher Präzision erhalten wird.

Zur Durchführung des vorstehend genannten Drück- bzw. Stanz vorganges wird nach Fig. 8 ein nicht gezeigter Pressenstößel abgesenkt und in einen Gesenkkopf 62 eine mit Hydraulikdruck oder Luftdruck zuvor beaufschlagte Pufferhülse 61 eingesetzt, um eine konzentrische Stellung zwischen der Pufferhülse 61 und dem Gesenkkopf 62 aufrechtzuerhalten. Ein in der Puffer hülse 61 geführter Drückstempel 60 stanzt den Zwischenrohling 40 durch Zusammenwirken mit einem Gegenstempel 65, dessen schräg gezahnter Abschnitt 64 mit einer Innenzahnung 63 des Gesenkkopfes 62 in konzentrischem Eingriff steht, wobei der ausgestanzte Teil aus dem Inneren des Gegenstempels 65 ausge tragen wird, wodurch der Drückvorgang zur Formung des Roh lings 67 abgeschlossen ist.

Auf diese Weise wird durch Ausführung des Stanz- bzw. Drück vorganges im Gesenkkopf 62 die Umfangsfläche der Schrägkeil nut eingespannt, so daß die Umfangsfläche durch die Stanz kraft nicht verformt werden kann.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Stauchvorgang wird der zuvor gestanzte Hohlrohling 67 in einen Gesenkkopf 50 eingesetzt, woraufhin gegenüberliegende Stempel 59, 57, die an ihrer Um fangsfläche ein Zahnprofil aufweisen und von denen einer mit einem Dorn 58 versehen ist, den Hohlrohling 67 aus entgegen gesetzten Richtungen pressen, wodurch der Stauchvorgang abge schlossen wird.

In einer Abfolge der Vorgänge werden die Größen der Innenzah nung des Schrägzahnradstempels so festgelegt, daß sie der Reihe nach im ersten Schritt, im Stanzschritt und auch im Stauchschritt größer werden. Die so schrittweise hergestell ten Ritzel haben ein präzise konzentrisch ausgebildetes Loch, so daß die geformten Zahnräder eine hohe Genauigkeit haben.

Claims

1. Verfahren zur spanlosen Herstellung von Zahnrädern, bei welchem

1. ein zylindrischer Rohling in eine hohlzylindrische mit Innenverzahnung versehene Matrize eingesetzt und zwi schen zwei achszentrierten Preßstempeln mit jeweils ke gelstumpfförmigen Enden durch einen nach radial außen gerichteten Materialfluß verformt wird,
2. wobei die Matrize zusammen mit einer oberen und einer unteren Einspannbuchse während des Preßvorgangs eine Axialbewegung ausführt,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. der obere und der untere stirnseitige Rand des Rohlings zwischen den beiden Einspannbuchsen eingespannt wird und
2. nur die beiden Preßstempel mit ihren kegelstumpfförmi gen Endteilen in den Rohling eingepreßt werden, ohne daß eine axiale Stauchung durch die Einspannbuchsen er folgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines formge nauen Zahnrades, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad nach dem Preßvorgang in einem hohlzylindrischen Formwerk zeug zwischen zwei außen gezahnten Preßstempeln nachge formt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung eines nabenlosen Zahnrads, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Teil aus dem gefertigten Zahnrad ausgestanzt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus

1. einer axial beweglichen hohlzylindrischen Matrize mit Innenzahnung zur Aufnahme und zur Formgebung eines zy lindrischen Rohlings,
2. zwei achszentriert und zur Matrize relativ bewegbaren Preßstempeln mit kegelstumpfförmigen Enden und
3. einer oberen und einer unteren Einspannbuchse, in de nen jeweils der obere und der untere Preßstempel ge führt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. die obere und die untere Einspannbuchse (2; 12) mit tels einer eigenen Antriebseinheit (3; 13) bis zur Druckanlage ihrer Stirnfläche an der jeweiligen stirn seitigen Randfläche des Rohlings (30) und an einer oberen oder unteren Anschlagfläche (6C) der Matrize (6) axial verschiebbar sind und
2. die Matrize (6) in ihrer Halterung gegen Federkraft (16) zwischen Endanschlägen schwimmend beweglich ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einspannbuchse (2; 12) jeweils eine hydraulische Zylindereinheit (3; 13) als Antriebseinheit zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (6) obere und untere zy lindrische Führungsflächen (6B) für die obere und die un tere Einspannbuchse (2; 12) sowie jeweils eine daran an schließende konische Ringfläche (6C) aufweist, die je ei ne Anschlagfläche für den unteren oder oberen konischen Teil der oberen oder unteren Einspannbuchse (2; 12) bil den.