DE19650350A1 - Werkzeugdorn und Verfahren zum Drückwalzen eines Werkstücks mit Verzahnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkzeugdorn zum Drückwalzen eines Werkstücks mit einer Verzahnung, welcher eine profil­ gebende Kontur mit Werkzeugzähnen aufweist, deren Zahnhöhe sich von einem Werkzeug-Fußkreis bis zu einem Werkzeug-Kopf­ kreis erstreckt, zwischen denen Werkzeug-Zahnflanken ange­ ordnet sind, welche als ein Negativ zu den kraftübertragen­ den Zahnflankenbereichen des Werkstücks ausgebildet sind.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Drückwalzen eines Werkstücks mit Verzahnung, bei dem das Werkstück mit mindestens einer Drückrolle in einen mit dem Werkstück ro­ tierenden Werkzeugdorn eingeformt wird, welcher eine pro­ filgebende Kontur mit Werkzeugzähnen aufweist, wobei an dem Werkstück Werkstückzähne ausgebildet werden, deren Zahnhöhe sich von einem Werkstück-Fußkreis bis zu einem Werkstück- Kopfkreis erstreckt, zwischen denen kraftübertragende Zahn­ flankenbereiche des Werkstücks geformt werden.

Werkstücke mit einer Außen- oder Innenverzahnung werden in immer stärkerem Maße durch Drückwalzen hergestellt. Das Drückwalzen derartiger Teile ist aufgrund des spanlosen Fertigungsprozesses und der erreichten Kaltverfestigung ge­ genüber herkömmlichen spanabhebenden Verfahren vorteilhaft. Ein gattungsgemäßer Werkzeugdorn und ein gattungsgemäßes Verfahren gehen beispielsweise aus der WO 96/01160 hervor, in der die Herstellung eines außenverzahnten Getriebeteiles geschildert ist.

Beim Drückwalzen von Werkstücken mit Verzahnung besteht das Problem, die Zahnlücken in dem Verzahnungsprofil des Werk­ zeugdorns vollständig auszufüllen. Insbesondere an den Kopfbereichen der angeformten Werkstückzähne treten verstärkt Fehlstellen aufgrund eines nicht vollständigen Ausfüllens des Verzahnungsprofils auf. Um eine befriedigen­ de Anformung der Werkstückzähne zu erreichen, werden rela­ tiv hohe Druckkräfte aufgebracht. Diese hohen Druckkräfte führen jedoch zu Ausbiegungen an den Werkzeugzähnen und häufig zu Zahnbruch. Dies hat bei Werkzeugdornen für Drückwalzverfahren relativ kurze Standzeiten zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ei­ nen Werkzeugdorn und ein Verfahren zum Drückwalzen von Werkstücken mit Verzahnung anzugeben, bei denen die Gefahr eines Werkzeugzahnbruchs reduziert und gleichzeitig eine gute Anformung der Werkstückzähne gewährleistet sind.

Ausgehend von einem gattungsgemäßen Werkzeugdorn wird die Aufgabe zum einen dadurch gelöst, daß ein kopfseitiges Ende der Werkzeug-Zahnflanken von dem Werkzeug-Kopfkreis deutlich beabstandet ist, und daß am Werkzeugzahn zwischen dem kopf­ seitigen Ende der Werkzeug-Zahnflanken und dem Werkzeug- Kopfkreis ein Kopfbereich des Werkzeugzahns ausgebildet ist, der sich zum Werkzeug-Kopfkreis hin verjüngt.

Der erfindungsgemäße Werkzeugdorn mit seinen verlängerten und sich zum Zahnkopf hin verjüngenden Zähnen ermöglicht einen besseren Werkstofffluß in die Zahnlückenprofile des Werkzeugdorns. Durch die Verjüngung am Kopfbereich werden unerwünschte Umfangsflächen und Eckbereiche vermieden, an denen sich bei herkömmlichen Werkzeugdornen der umzuformen­ de Werkstoff verstärkt aufgestaut und einen gleichmäßigen Werkstofffluß verhindert hat. Durch die Vermeidung lokaler hoher Staudrücke und die Beseitigung vorstehender Eckberei­ che an den Werkzeugzähnen, welche unter Festigkeitsgesichts­ punkten problematisch sind, wird die Gefahr eines Zahn­ bruchs deutlich reduziert.

Üblicherweise wird die Verzahnung eines Werkzeugdorns al­ lein durch die Anforderungen an die Verzahnung des auszu­ bildenden Werkstücks festgelegt. Für die Ausbildung der Verzahnung des Werkstücks ist wiederum die Form der kraftübertragenden Zahnflanke maßgeblich, d. h. des seitli­ chen Zahnbereichs, welcher bei bestimmungsgemäßer Verwen­ dung zur Drehmomentübertragung mit der Zahnflanke eines an­ deren Getriebeteiles in Eingriff kommt. Für die Erreichung eines kompakten Werkstückzahns ist üblicherweise vorgesehen, daß die kraftübertragende Zahnflanke möglichst den gesamten seitlichen Zahnbereich bildet und sich von dem Zahn­ fußkreis, welcher den untersten Punkt des Zahnes definiert, bis zum Zahnkopfkreis erstreckt, welcher den obersten Zahn­ punkt definiert.

Von dieser für die spanabhebende Verzahnung geschaffenen Zahnform wird abgewichen, wodurch die Spannungsverhältnis­ se im Werkstoff beim Umformen verbessert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines Kopfbereichs am Werkzeug­ zahn wird zwar am Werkstück der Zahngrund vertieft und so­ mit die Zahnhöhe vergrößert. Eine durch die Zahnerhöhung scheinbar verursachte Stabilitätsminderung des Zahnes wird jedoch durch eine Festigkeitssteigerung des Materials über­ kompensiert. Diese Festigkeitssteigerung beruht einerseits auf einer erhöhten Kaltverfestigung, die beim Drückwalzvor­ gang entsteht, und andererseits auf einem besseren Faser­ verlauf durch die gleichmäßigere Umformung. Weiterhin wird eine geringere Kerbwirkung insbesondere gegenüber spanabhe­ bend bearbeiteten Werkstücken erreicht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dorns besteht darin, daß ein fußseitiges Ende der Werkzeug- Zahnflanken von dem Werkzeug-Fußkreis deutlich beabstandet ist und daß zwischen den fußseitigen Enden sich gegenüber­ liegender Werkzeug-Zahnflanken zweier Werkzeugzähne und dem Werkzeug-Fußkreis ein Nutbereich angeordnet ist, der sich zum Werkzeug-Fußkreis hin verjüngt. Der Nutbereich bildet dabei den Zahngrund zwischen zwei gegenüberliegenden Werk­ zeugzähnen. Durch diese Maßnahme wird die Zahnbruchgefahr weiter reduziert.

Eine besonders gleichmäßige Ausbildung der Werkzeugzähne wird dadurch erreicht, daß eine Außenkontur des Kopfbe­ reichs und/oder des Nutbereichs der Werkzeugzähne bogen­ förmig, insbesondere kreisbogenförmig ausgebildet ist.

Dabei ist es besonders bevorzugt, daß die Außenkontur des Kopfbereichs und/oder des Nutbereichs der Werkzeugzähne tangential in die Werkzeug-Zahnflanken übergehen. Der Zahn­ fuß oder auch der Zahnkopf der Werkzeugzähne ist dabei ra­ dienförmig ausgebildet, so daß der jeweilige Radius der Außenkontur tangential in die Evolventen der Zahnflanken übergeht. Dieser tangentiale Übergang in die Evolventen der Zahnflanken liegt beim Zahnfuß auf einem Durchmesser, der dem geforderten Durchmesser entspricht, bis zu dem aus funktionstechnischen Gründen die Evolventen ausgebildet sein müssen.

Eine weitere erfindungsgemäße Werkzeugausführung zum besse­ ren Füllen der Zahnlücken besteht darin, daß zumindest die Werkzeug-Zahnflanken mit einer Hartschicht versehen sind. Durch diese Hartschicht werden unerwünschte Veränderungen der Oberfläche des Werkzeugs vermieden.

Bevorzugt ist, daß die Hartschicht als CrN-Beschichtung nach dem PVD-Verfahren hergestellt ist.

Eine weitere erfindungsgemäße Verbesserung bezüglich des Füllens der Zahnlücken besteht darin, daß zumindest die Werkzeug-Zahnflanken oberflächenbearbeitet sind und einen Rauhigkeitsgrad aufweisen, der unterhalb dem liegt, der für das Werkstück gefordert ist. Die Rauhigkeit kann insbeson­ dere durch Superfinishing reduziert werden. Zur Oberflä­ chenbearbeitung können bekannte Schleif-, Hon-, Läpp- und Polierverfahren eingesetzt werden.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es vorteilhaft, daß an den Werkzeugzähnen eine Profilkorrektur vorgesehen ist, durch welche eine Zahnausbiegung beim Drückwalzen kompensiert ist. Die Profilkorrektur ist dabei so ausgebildet, daß sich die einzelnen Zähne des Werkzeug­ dorns bei Anliegen des vorgesehenen Drucks beim Umformvor­ gang geringfügig verformen und erst in diesem Zustand das korrekte Zahnprofil bilden.

Basierend auf einem gattungsgemäßen Verfahren wird die Auf­ gabe zum anderen dadurch gelöst, daß das fußseitige Ende der Zahnflankenbereiche des Werkstücks von dem Werkstück- Fußkreis mit einem Abstand ausgebildet wird, und daß zwi­ schen den fußseitigen Enden zweier sich gegenüberliegender Zahnflankenbereiche zweier Werkstückzähne und dem Werk­ stück-Fußkreis ein Nutbereich ausgebildet wird, der sich zum Fußkreis hin verjüngt. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Verformungswiderstände und Belastungen auf die Zähne des Werkzeugs reduziert, wodurch einerseits die Bruchsicherheit des Werkzeugs und damit dessen Lebens­ dauer erhöht und andererseits die Ausformung der Werkstück­ zähne durch einen günstigeren Werkstofffluß verbessert wer­ den.

Dieser positive Effekt wird dadurch verstärkt, daß zwischen den kopfseitigen Enden der Zahnflankenbereiche eines Werkstückzahnes und dem Werkstück-Kopfkreis ein Kopfbereich des Werkstücks ausgebildet wird, der sich zum Werkstück- Kopfkreis hin verjüngt. Durch die erfindungsgemäße Ausbil­ dung eines Kopfbereichs am Werkstückzahn wird nicht allein die Ausformung des Zahnkopfes, sondern durch den insgesamt besseren Werkstofffluß auch die Ausformung des gesamten Zahnes verbessert.

Falls die mit der Ausbildung des Kopfbereiches verbundene Vergrößerung der Zahnhöhe nicht gewünscht ist, ist es nach einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des Verfahrens vor­ gesehen, daß nach dem Drückwalzen der Werkstückzähne deren Kopfbereiche bis zu dem kopfseitigen Ende der Zahnflanken­ bereiche des Werkstücks abgearbeitet werden.

Aus fertigungstechnischen Gründen ist es bevorzugt, daß die Kopfbereiche der Werkstückzähne durch Schleifen oder Drehen abgearbeitet werden.

Eine spanabhebende Nachbearbeitung kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dadurch vermieden werden, daß ein Werkzeugdorn mit Werkzeugzähnen verwendet wird, dessen fußseitige Enden der Werkzeug-Zahnflanken von dem Werkzeug- Fußkreis beabstandet sind, und daß das Werkstück nur bis zu den fußseitigen Enden der Werkzeug-Zahnflanken in den Werk­ zeugdorn eingeformt wird. Für diesen Drückwalzvorgang sind die Umformparameter in Abhängigkeit von den Zahngeometrien empirisch festzulegen.

Die Erfindung wird weiter anhand einer schematischen Zeich­ nung mit einer einzelnen Figur erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine Querschnittsansicht mit einer linken und einer rechten Schnitthälfte, die durch eine Strich-Punkt-Linie voneinander getrennt sind. Beide Hälften stellen einen Teil unterschiedlicher Werkzeugdorne 10a bzw. 10 dar, die eine Außenkontur besitzen, die jeweils ein Ne­ gativ der herzustellenden Innenkontur eines Werkstücks 30a bzw. 30 bilden. Bei beiden Ausführungsformen weist der Werkzeugdorn 10a bzw. 10 eine Außenverzahnung und das hohl­ zylinderförmige Werkstück 30a bzw. 30 entsprechend eine In­ nenverzahnung auf.

Die linke Schnitthälfte zeigt schematisch eine herkömmliche Evolventenverzahnung des Werkzeugdorns 10a mit Zähnen 11a. Diese erstrecken sich zwischen einem Werkzeug-Fußkreis 12a und einem Werkzeug-Kopfkreis 13a. Der Abstand zwischen dem Werkzeug-Fußkreis 12a und dem Werkzeug-Kopfkreis 13a defi­ niert die Höhe des Werkzeugzahnes 11a. Zwischen den beiden Kreisen erstrecken sich an den Seiten der Werkzeugzähne 11a die Werkzeug-Zahnflanken. Diese Werkzeug-Zahnflanken 14a bilden an dem Werkstück 30a Werkstück-Zahnflankenbereiche 34a aus, welche bei bestimmungsgemäßen Einsatz des verzahn­ ten Werkstücks 30a in Eingriff mit der Zahnflanke eines an­ deren Getriebeteiles gelangen. Aus Festigkeitsgründen wird bei dieser herkömmlichen Verzahnung die Zahnhöhe so gering wie möglich gehalten, so daß der Kopfbereich 16a eines Werkzeugzahns 11a als eine dem Werkzeug-Kopfkreis 13a fol­ gende Fläche ausgebildet ist, in die die Zahnflanke 14a di­ rekt oder mit einem sehr kleinen Radius R1 übergeht. Ent­ sprechend folgt ein Nutbereich 15a, der auch als Zahngrund bezeichnet werden kann, dem Werkzeug-Fußkreis 12a, wobei die Zahnflanke 14a ebenfalls direkt oder mit einem sehr kleinen Radius R2 in den Nutbereich 15a übergeht.

Im Gegensatz hierzu zeigt die rechte Schnitthälfte der Fi­ gur eine erfindungsgemäße Zahnprofilierung des Werkzeugs 10 und des Werkstücks 30. Die zum Eingriff kommenden Zahnflan­ kenbereiche 34 des Werkstücks 30 entsprechen in Form und Dimension den in der linken Schnitthälfte dargestellten Zahnflankenbereiche 34a einer herkömmlichen Verzahnung. Die Werkstückzähne 31 weisen jedoch eine größere Zahnhöhe auf, als durch die kraftübertragenden Zahnflankenbereiche 34 ei­ gentlich bedingt ist. Die Werkstückzähne 31 erstrecken sich zwischen einem Werkstück-Kopfkreis 33, der einem Werkzeug- Fußkreis 12 entspricht, und einem Werkstück-Fußkreis 32, der einem Werkzeug-Kopfkreis 13 entspricht. Die kraftüber­ tragenden Zahnflankenbereiche 34 liegen dazwischen, wobei deren Enden sich etwa auf den Punkten a und b befinden.

Die Vergrößerung der Zahnhöhe beruht darauf, daß der Zahn­ grund oder Nutbereich 35 des Werkstücks 30 zwischen zwei benachbarten Werkstückzähnen 31 vertieft ist. Die Einfor­ mung des Nutbereichs 35 des Werkstücks 30 wird durch einen im Querschnitt kreisbogenförmig ausgebildeten Kopfbereich 16 an den Werkzeugzähnen 11 erreicht, dessen Außenkontur tangential in die Evolventen der Werkzeug-Zahnflanken 14 übergeht. Der Kopfbereich 16 der Werkzeugzähne 11 weist da­ bei einen Radius R3 auf, der dazu führt, daß das Material des Werkstücks 30 beim Anformen der Verzahnung mit relativ geringem Widerstand in die Zahnlücken des Werkzeugdorns 10 fließt und diese ausfüllt. Materialbeschädigungen, wie sie bei der scharfkantigen oder schneidenförmigen Ausbildung der herkömmlichen Verzahnungsformen mit dem Radius R1 auf­ treten können, werden dadurch weitgehend vermieden. Durch die Reduktion der Verformungswiderstände werden auch die Belastungen auf die Werkzeugzähne 11 vermindert, so daß sich die Bruchsicherheit des Werkzeugdorns 10 und damit die Werkzeugstandzeit erhöht.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Hohlzy­ linder als Werkstück 30, an welches eine Innenverzahnung angeformt wird, tritt zwar eine geringere minimale Wanddicke b2 gegenüber einer minimalen Wanddicke b1 bei einer herkömmlichen Verzahnung auf. Der vermeintliche Festig­ keitsverlust durch die geringere Wanddicke wird jedoch überkompensiert durch eine Festigkeitssteigerung des Mate­ rials aufgrund der erhöhten Kaltverfestigung und des gün­ stigeren Faserverlaufs im Material des Werkstücks 30.

Für eine weitere Reduzierung der Zahnbruchgefahr ist am Werkzeugdorn 10 ein Zahngrund oder Nutbereich 15 ra­ dienförmig mit einem Radius R4 ausgebildet, so daß dieser tangential in die Evolventen der Werkzeug-Zahnflanken 14 auf einen Durchmesser übergeht, der einem geforderten Grenzdurchmesser D1 für den in Eingriff kommenden Zahnflan­ kenbereich 34 entspricht. Die Kontur des Nutbereichs 15 am Werkzeugdorn 10 kann auch zu einer von der Kreisbogenform abweichenden Kurve modifiziert und optimiert werden, welche sich durch die Finite-Element-Analyse ermitteln läßt.

Bei der Anformung der Verzahnung, welches durch Einziehen geschehen kann, werden die Zahnzwischenräume des Werkzeug­ dorns 10 bis auf einen Durchmesser D2 gefüllt. Auf diese Weise entsteht an den Werkstückzähnen 31 ein entsprechend ausgebildeter Kopfbereich 36, welcher in der Zeichnung mit enger Schraffur dargestellt ist. Entsprechend des erhöhten Kopfbereichs 36 des Werkstücks 30 muß ein Zahnfuß eines Ge­ genrades vergrößert werden, oder aber die Zahnkuppe muß nach der Anformung durch Schleifen oder Drehen entfernt werden. Bei günstigen Zahngeometrien ist es jedoch möglich, die Umformparameter beim Drückwalzen so einzustellen, daß sich die Zahnlücken im Werkzeug nur bis zu dem Durchmesser D1 füllen. Eine spanabhebende Nachbearbeitung erübrigt sich dabei.

Claims (13)

1. Werkzeugdorn zum Drückwalzen eines Werkstücks (30) mit einer Verzahnung, welcher eine profilgebende Kon­ tur mit Werkzeugzähnen (11) aufweist, deren Zahn­ höhe sich von einem Werkzeug-Fußkreis (12) bis zu einem Werkzeug-Kopfkreis (13) erstreckt, zwischen de­ nen Werkzeug-Zahnflanken angeordnet sind, welche als ein Negativ zu den kraftübertragenden Zahnflankenbe­ reichen (34) des Werkstücks (30) ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein kopfseitiges Ende der Werkzeug-Zahnflanken von dem Werkzeug-Kopfkreis (13) deutlich beabstandet ist, und
daß am Werkzeugzahn (11) zwischen dem kopfseitigen Ende der Werkzeug-Zahnflanken und dem Werkzeug-Kopf­ kreis (13) ein Kopfbereich (16) des Werkzeugzahns (11) ausgebildet ist, der sich zum Werkzeug-Kopfkreis (13) hin verjüngt.

2. Werkzeugdorn nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein fußseitiges Ende der Werkzeug-Zahnflanken (14) von dem Werkzeug-Fußkreis (12) deutlich beab­ standet ist, und
daß zwischen den fußseitigen Enden sich gegenüber­ liegender Werkzeug-Zahnflanken (14) zweier Werk­ zeugzähne (11) und dem Werkzeug-Fußkreis (12) ein Nutbereich (15) angeordnet ist, der sich zum Werk­ zeug-Fußkreis (12) hin verjüngt.

3. Werkzeugdorn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Außenkontur des Kopfbereichs (16) und/oder des Nutbereichs (15) der Werkzeugzähne (11) bogen­ förmig, insbesondere kreisbogenförmig, ausgebildet ist.

4. Werkzeugdorn nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur des Kopfbereichs (16) und/oder des Nutbereichs (15) der Werkzeugzähne (11) tangen­ tial in die Werkzeug-Zahnflanken (14) übergehen.

5. Werkzeugdorn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Werkzeug-Zahnflanken (14) mit einer Hartschicht versehen sind.

6. Werkzeugdorn nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartschicht als CrN-Beschichtung nach dem PVD-Verfahren hergestellt ist.

7. Werkzeugdorn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Werkzeug-Zahnflanken (14) oberflä­ chenbearbeitet sind und einen Rauhigkeitsgrad auf­ weisen, der unterhalb dem liegt, der für das Werk­ stück (30) gefordert ist.

8. Werkzeugdorn nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Werkzeugzähnen (11) eine Profilkorrektur vorgesehen ist, durch welche eine Zahnausbiegung beim Drückwalzen kompensiert ist.

9. Verfahren zum Drückwalzen eines Werkstücks (30) mit Verzahnung, bei dem das Werkstück (30) mit mindestens einer Drückrolle in einen mit dem Werkstück (30) ro­ tierenden Werkzeugdorn (10) eingeformt wird, welcher eine profilgebende Kontur mit Werkzeugzähnen (11) aufweist, wobei an dem Werkstück (30) Werkstückzähne (31) ausgebildet werden, deren Zahnhöhe sich von ei­ nem Werkstück-Fußkreis (32) bis zu einem Werkstück- Kopfkreis (33) erstreckt, zwischen denen kraftüber­ tragende Zahnflankenbereiche (34) des Werkstücks (30) angeformt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß das fußseitige Ende der Zahnflankenbereiche (34) des Werkstücks (30) von dem Werkstück-Fußkreis (32) mit einem Abstand ausgebildet wird, und
daß zwischen den fußseitigen Enden zweier sich gegen­ überliegender Zahnflankenbereiche (34) zweier Werk­ stückzähne (31) und dem Werkstück-Fußkreis (32) ein Nutbereich (35) ausgebildet wird, der sich zum Werk­ stück-Fußkreis (32) hin verjüngt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem kopfseitigen Ende des Zahnflanken­ bereichs (34) eines Werkstückzahnes (31) und dem Werkstück-Kopfkreis (33) ein Kopfbereich (36) des Werkstückzahnes (31) ausgebildet wird, der sich zum Werkstück-Kopfkreis (33) hin verjüngt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß nach dem Drückwalzen der Werkstückzähne (31) de­ ren Kopfbereiche (36) bis zu dem kopfseitigen Ende der Zahnflankenbereiche (34) des Werkstücks (30) ab­ gearbeitet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfbereiche (36) der Werkstückzähne (31) durch Schleifen oder Drehen abgearbeitet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzeugdorn (10) mit Werkzeugzähnen (11) verwendet wird, deren fußseitige Enden der Werkzeug- Zahnflanken (14) von dem Werkzeug-Fußkreis (12) be­ abstandet sind, und daß das Werkstück (30) nur bis zu den fußseitigen Enden der Werkzeug-Zahnflanken (14) in den Werkzeugdorn (10) eingeformt wird.