DE19723198A1 - Drückwalzvorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines stirnverzahnten Werkstückes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drückwalzvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines stirnverzahnten Werkstückes, wie z. B. einem Metallring, auf dessen Stirnseite Verzahnungen oder ähnliche Erhebungen bzw. Vertiefungen aufgebracht sind.

Stirnseitig verzahnte Werkstücke werden zum Beispiel im Fahrzeugbau benötigt, insbesondere für Sensorsysteme zur Erfassung von Rotationsbewegungen oder Rotationsge­ schwindigkeiten, wie sie auch in ABS-Anlagen verwendet werden.

Üblicherweise werden die Stirnverzahnungen bei derar­ tigen Werkstücken mechanisch oder durch funkeninduktive Bearbeitung hergestellt. Die Werkstücke können aber auch als Sinterteile hergestellt werden, so daß eine mechanische Bearbeitung nicht notwendig ist. Diese be­ kannten Herstellungsverfahren sind jedoch kosteninten­ siv und belasten durch die entstehenden Abfallprodukte wie Öle, Kühlschmierstoffe, ölige Späne bei der Ferti­ gung Arbeitspersonal und Umwelt.

In der WO 96/20050 ist die Herstellung von innenver­ zahnten rohrförmigen Teilen mit dem Drückwalzverfahren beschrieben. Die Herstellung von stirnverzahnten Teilen ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstel­ lung von stirnverzahnten Werkstücken dahingehend zu verbessern, daß der Herstellungsprozeß vereinfacht wird und die Umweltbelastung reduziert wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8 gelöst.

Die Erfindung schlägt vor, die Stirnverzahnung in dem Werkstück mit der Drückwalztechnik auszuformen. Mittels Drückrollen wird das auf einem Formwerkzeug befindliche Werkstück plastisch kaltverformt. Dabei wird die Dicke des Werkstückes verringert und die Fläche durch Auszie­ hen des Materials vergrößert, wobei das unter dem Druck der Drückrollen flüssig werdende Material in eine Zahn­ struktur des Formwerkzeuges gepreßt wird. Auf diese Weise lassen sich stirnverzahnte Werkstücke einfach herstellen und zwar unter Vermeidung von um­ weltschädlichen Abfallprodukten wie z. B. Ölen oder Kühlschmiermitteln. Ein Vorteil des Drückwalzens ist es, daß, bedingt durch die kalte Umformung, das fertig­ gestellte Werkstück ein gleichmäßiges Gefüge aufweist.

Vorteilhafterweise weist das Formwerkzeug einen Zen­ trierzapfen für das Werkstück auf, der auch als Ver­ drehsicherung für das Werkstück dienen kann. So wird sichergestellt, daß das Werkstück während des unter einer Rotation verlaufenden Drückwalzens exakt posi­ tioniert bleibt. Dies erhöht die Genauigkeit der Stirn­ verzahnung des Werkstückes.

Die Drückrollen laufen während des Drückwalzvorganges relativ zu dem Formwerkzeug mit dem daran befindlichen Werkstück um. Entweder rotiert das Formwerkzeug um seine Längsachse und die Drückrollen bewegen sich nur in radialer Richtung über die Zahnstruktur des Form­ werkzeuges oder das Formwerkzeug ist stationär und die Drückrollen werden sowohl radial als auch umlaufend über die Zahnstruktur bewegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Formwerkzeug von einer verschiebbaren Hülse um­ geben, mit der die Auflagefläche des Formwerkzeuges für das Werkstück vergrößert werden kann. Nach Beendigung des Ausformens der Stirnverzahnung auf dem Werkstück wird die Hülse von dem Werkstück zurückgezogen, so daß ein Rand des Werkstücks über das Formwerkzeug über­ steht. Dieser Rand kann nun mit Hilfe der Drückrollen auf das Formwerkzeug umgelegt werden, so daß eine Hülse mit radial verlaufender verzahnter Stirnfläche ent­ steht, wobei die Verzahnung im Inneren der Hülse liegt. Um den überstehenden Rand des verzahnten Werkstückes auch zu der anderen, dem Formwerkzeug abgewandten Seite umzulegen, kann ein Hohldorn an das verzahnte Werkstück angesetzt werden, der als Auflage für den umzulegenden Rand dient. So entsteht eine Hülse mit radialer Stirn­ fläche, wobei die Verzahnung auf der Stirnfläche außer­ halb der Hülse liegt.

Es ist auch möglich, die äußeren Mantelflächen des Formwerkzeuges bzw. des Hohldornes mit einer formgeben­ den Struktur, wie z. B. einer Verzahnung oder einem Ge­ winde zu versehen, so daß die Hülse des fertigge­ stellten Werkstückes in ihrem Inneren eine ent­ sprechende Verzahnung oder ein Gewinde aufweist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Formwerkzeug gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel,

Fig. 2 eine Drückwalzvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 ein mit dem zweiten Ausführungsbeispiel herge­ stelltes Werkstück,

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Drückwalz­ vorrichtung,

Fig. 5 ein mit dem dritten Ausführungsbeispiel herge­ stelltes Werkstück,

Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel der Drückwalz­ vorrichtung,

Fig. 7 ein mit dem vierten Ausführungsbeispiel herge­ stelltes Werkstück,

Fig. 8 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Drückwalz­ vorrichtung, und

Fig. 9 ein mit dem fünften Ausführungsbeispiel herge­ stelltes Werkstück.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Formwerkzeuges gezeigt. Das Formwerkzeug 1 ist zylin­ derförmig und um seine Längsachse 1A drehend antreibbar an einer nicht dargestellten Werkzeugmaschine be­ festigt. An der der Werkzeugmaschine abgewandten Stirn­ seite 2 weist das Formwerkzeug 1 eine negative Stirn­ verzahnung 3 auf. Die Stirnverzahnung 3 kann auch er­ haben auf der Stirnseite 2 ausgebildet sein. Die Stirn­ verzahnung 3 ist die formgebende Struktur für das Werk­ stück. Ein Zentrierzapfen 4 ist mittig auf der Stirn­ seite 2 angeordnet. Er dient zur Führung und Zentrie­ rung des Rohlings 6 bzw. des Werkstückes auf dem Form­ werkzeug 1. Die Stirnfläche 2 weist eine zahnähnliche Kontur 5 oder Aufrauhung auf, die den Zentrierzapfen 4 umgibt und innerhalb der Stirnverzahnung 3 liegt. Diese Kontur 5 dient zur Verdrehsicherung des Rohlings 6 bzw. des Werkstückes, so daß dieses drehfest mit dem Form­ werkzeug 1 verbunden werden kann.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Er­ findung gezeigt. Die Drückwalzvorrichtung 100 weist ebenfalls ein drehbares Formwerkzeug 101 mit einer Stirnfläche 102, auf der eine Zahnstruktur 103 sowie ein Zentrierzapfen 104 angebracht sind, auf. Auf seiner Umfangsfläche hat der Zentrierzapfen 104 Längsrillen 105 oder ähnliche Aufrauhungen. Ein Rohling wird über den Zentrierzapfen 104 auf die Stirnfläche 102 des Formwerkzeuges 101 geschoben. Der Rand der zentralen Öffnung des Rohlings bzw. des Werkstückes 106 ist kom­ plementär zu den Längsrillen 105 des Zentrierzapfens 104 ausgebildet, so daß die beiden Teile als Verdreh­ sicherung ineinandergreifen. Die Zahnstruktur 103 des Formwerkzeuges 101 kann sich daher radial vom Umfang bis zu dem Zentrierzapfen 104 erstrecken. Die darge­ stellte Zahnstruktur 103 ist in radialer Richtung nur abschnittsweise ausgebildet.

Nachdem das Werkstück 106 an der Stirnfläche 102 an­ liegt, werden mindestens zwei Drückrollen 107 an das Werkstück 106 herangefahren. Die Drehachse 107A der Drückrolle 107 verläuft unter einem Winkel α zu der Drehachse 101A des Formwerkzeuges 101. Der Winkel α und die Umfangsflächen der Drückrolle 107 sind so gewählt, daß die Drückrollen 107 vor dem Start des Umformens bis an den Zentrierzapfen 104 heranbewegt werden können und daß die Drückrollen 107 eine axiale Kraft auf das an der Stirnseite 102 befindliche Werkstück 106 aufbringen können. Der Winkel α beträgt mindestens 10°, vorzugs­ weise 45°.

Während der Drückwalzoperation rotiert das Formwerkzeug 101 und die Drückrollen 107 um ihre jeweiligen Dreh­ achsen 101A bzw. 107A. Das Drückwalzen findet von innen nach außen statt, d. h. daß die Drückrollen 107, die bei Beginn des Umformens an dem Zentrierzapfen 104 stehen, nach außen bewegt werden. Die Drückrollen 107 werden nicht exakt radial nach außen bewegt, sondern unter einem Winkel β, so daß die Vorschubrichtung der Drück­ rollen 107 zu der Stirnfläche 102 hin geneigt ist. Mit zunehmendem radialen Abstand zu der Drehachse 101A des Formwerkzeuges werden die Drückrollen 107 also näher an die Stirnfläche 102 herangeführt. So wird sicherge­ stellt, daß die Drückrollen 107 das Material des Werk­ stückes 106 vollkommen in die Zahnstruktur 103 hinein­ pressen. In der oberen Hälfte von Fig. 2 ist eine Drückrolle 107 etwa in der Mitte des Umformprozesses dargestellt. In der unteren Hälfte der Figur ist eine Drückrolle 107 in Endstellung gezeigt. Nach Erreichen dieser Endstellung werden die Drückrollen von dem Werk­ stück 106 wegbewegt, so daß dieses von dem Formwerkzeug 101 abgenommen werden kann.

In Fig. 3 ist ein Ausschnitt des Werkstückes 106 ge­ zeigt, welches mit der in Fig. 2 dargestellten Drück­ walzvorrichtung 101 hergestellt wurde. Das Werkstück 106 ist ringförmig, wobei eine Stirnverzahnung 108 auf einer Stirnfläche 109 des Werkstückes 106 aufgebracht ist.

In Fig. 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Drückwalzvorrichtung dargestellt. Die Drückwalzvorrich­ tung 200 weist ebenfalls ein Formwerkzeug 201 mit einer stirnseitigen Zahnstruktur 203 und einem Zentrierzapfen 204 auf. Der Zentrierzapfen 204 hat jedoch eine glatte Mantelfläche.

Das Werkstück 206 hat die Form einer Hülse mit einem stirnseitigen äußeren Flansch. Der Durchmesser der Hülse ist derart bemessen, daß sie auf den Zentrier­ zapfen 4 aufgeschoben werden kann, so daß der Flansch an der Stirnfläche 202 des Formwerkzeuges 201 anliegt. Ein reitstockseitiger Haltedorn 205 wird auf den Zen­ trierzapfen 204 aufgeschoben, bis er auf das Werkstück 206 trifft und dieses gegen das Formwerkzeug 201 drückt, so daß Formwerkzeug 201 und Werkstück 206 eine drehfeste Verbindung eingehen. Daher sind Längsrillen in dem Zentrierzapfen 204 oder eine weitere Verzahnung in der Stirnfläche 202 des Formwerkzeuges 201 nicht erforderlich. Das Umformen des Werkstückes 206 erfolgt ebenso wie bei dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel.

In Fig. 5 ist das Werkstück 206 gezeigt, das mit der in Fig. 4 gezeigten Drückwalzvorrichtung 200 gefertigt wurde. Das Werkstück 206 hat die Form einer Hülse 210, an deren einer Stirnseite ein radial verlaufender Flansch 209 angeordnet ist. Auf der der Hülse 210 abge­ wandten Stirnfläche des Flansches 209 befindet sich eine Stirnverzahnung 208.

Ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Das Formwerkzeug 101 entspricht dem Formwerkzeug des zweiten Ausführungsbeispieles wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Das Formwerkzeug 101 ist von einem verschiebbaren Rohr 312 umgeben. Vor Beginn des Umformvorganges wird das Rohr 312 derart positioniert, daß seine Stirnfläche 313 bündig mit der Stirnfläche 102 des Formwerkzeuges 101 abschließt, so daß die Auf­ lagefläche für das Werkstück 306 vergrößert wird. Der Drückwalzvorgang wird also nicht am Umfang des Form­ werkzeuges 101 abgebrochen, sondern erst an dem äußeren Umfang des Rohres 312. Da das Material des Werkstückes 306 auf einer größeren Fläche verteilt wird, fällt die Wandstärke des fertiggestellten Werkstückes 306 ent­ sprechend dünner aus. Daher wird eine größere Ausgangs­ wandstärke für das Werkstück 102 gewählt.

Nach Abschluß des Drückwalzens wird das Rohr 312 zu­ rückgezogen, so daß ein Rand 311 (siehe obere Hälfte von Fig. 8) über den Umfang des Formwerkzeuges 101 übersteht. Mit Hilfe der Drückrollen 107 wird der über­ stehende Rand 311 auf die Umfangsfläche des Formwerk­ zeuges 101 umgelegt. Zum Lösen des Werkstückes 306 von dem Formwerkzeug 101 kann auch das Rohr 312 verwendet werden, das dann das Werkstück 306 von dem Formwerkzeug 101 abstreift.

In Fig. 7 ist das fertiggestellte Werkstück 306 ge­ zeigt. Der umgelegte überstehende Rand 311 bildet nun eine Hülse 310, an deren einer Stirnseite sich eine radial verlaufende Fläche 309 befindet. Auf der der Hülse 310 zugewandten Seite weist die Stirnfläche 309 eine durch das Drückwalzen aufgebrachte Verzahnung 308 auf.

In Fig. 8 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der Er­ findung dargestellt. Die Drückwalzvorrichtung 400 ent­ spricht im wesentlichen der Drückwalzvorrichtung 300, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Bis auf das Umlegen des überstehenden Randes 411 des Werkstückes 406 (untere Hälfte von Fig. 8) sind die zu durchlaufenden Fertigungsschritte identisch.

Nach Zurückziehen des Rohres 312 wird ein reitstocksei­ tiger Dorn 412 gegen das Werkstück 406 gefahren. Mit den Drückrollen 107 wird der überstehende Rand 411 des Werkstückes 406 erfaßt und auf die Umfangsfläche des reitstockseitigen Dorns 412 umgelegt. Auf diese Weise wird das in Fig. 9 dargestellte Werkstück 406 herge­ stellt. Der umgelegte Rand 411 bildet eine Hülse 410, an deren Stirnseite sich eine radial verlaufende kreis­ ringförmige Stirnfläche 409 anschließt. Auf der der Hülse 410 abgewandten Seite weist die Stirnfläche 409 eine durch das Drückwalzen geformte Stirnverzahnung 408 auf.

Claims (10)

1. Drückwalzvorrichtung (100; 200; 300) zur Herstellung eines stirnverzahnten Werkstückes (106; 206; 306; 406), mit einem eine stirnseitige Zahnstruktur (3; 103) aufweisenden Formwerkzeug (1; 101; 201) und mindestens zwei ein Werkstück (106; 206; 306; 406) in die Zahnstruktur (3; 103) pressenden Drückrollen (107) , welche relativ zu dem Formwerkzeug (1; 101; 201) umlaufen.

2. Drückwalzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Formwerkzeug (1; 101; 201) zylinderförmig ist und an der Stirnseite (2; 102; 202) einen mittig angeordneten Zentrierzapfen (4; 104; 204) aufweist, auf den ein Rohling (6) auf­ steckbar ist.

3. Drückwalzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zentrierzapfen (104) und der Rohling (6) bzw. das Werkstück (106; 306; 406) zur Verdrehsicherung ineinandergreifende Konturen (105) aufweisen.

4. Drückwalzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug (1) im Ansetzbereich der Drückrollen (107) eine das Werkstück gegen Verdrehen sichernde Haltestruktur (5) aufweist.

5. Drückwalzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (107A) der Drückrollen (107) unter einem Winkel α ≧ 10° zu der Achse (1A; 101A; 201A) des Formwerkzeuges (1; 101; 201) verlaufen.

6. Drückwalzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug (101) zur Vergrößerung der Auflagefläche für das Werk­ stück (306; 406) von einem verschiebbaren Rohr (312) umfaßt ist, das nach Beendigung des Ausfor­ mens der Verzahnung (308; 408) zurückziehbar ist, so daß der überstehende Rand (311; 411) des Werk­ stückes (306; 406) umlegbar ist.

7. Drückwalzvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeich­ net durch einen Hohldorn (412), der nach Beendi­ gung des Ausformens der Verzahnung (408) auf das an dem Formwerkzeug (101) befindliche Werkstück (406) aufsetzbar ist, so daß der Rand (411) des Werkstückes (406) zu dem Hohldorn (412) hin umleg­ bar ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines stirnverzahnten Werkstückes (106; 206; 306, 406) mit einem Formwerk­ zeug (1; 101; 201) , das an seiner Stirnseite (2; 102; 202) eine Zahnstruktur (3; 103; 203) auf­ weist, und mindestens zwei relativ zu dem Form­ werkzeug (1; 101; 201) umlaufenden Drückrollen (107), mit den folgenden Schritten:

• - Anpressen der Drückrollen (107) an den radial innenliegenden Bereich der Stirnfläche des an der Zahnstruktur (3; 103; 203) anliegenden Werk­ stücks (106; 206; 306; 406),
• - Bewegen der Drückrollen (107) über die Zahn­ struktur (3; 103; 203), wobei das Werkstück (106; 206; 306; 406) in die Zahnstruktur (3; 103; 203) gewalzt wird, so daß auf der Stirn­ fläche des Werkstückes (106; 206; 306; 406) eine entsprechende Verzahnung (108; 208; 308; 408) ent­ steht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, mit den weiteren Schritten:

• - Verwenden eines das Formwerkzeug (101) umgeben­ den Rohres (312), das die Auflagefläche für das Werkstück (306; 406) vergrößert,
• - Zurückziehen des Rohres (312) nach Beendigung des Ausformens der Verzahnung (308; 408)
• - Umlegen des überstehenden Randes (311; 411) des Werkstückes (306; 406) auf die Mantelfläche des Formwerkzeuges (101).

10. Verfahren nach Anspruch 8, mit den weiteren Schritten:

• - Verwenden eines das Formwerkzeug (101) umge­ benen Rohres (312), das die Auflagefläche für das Werkstück (406) vergrößert,
• - Zurückziehen des Rohres (312) nach Beendigung des Ausformens der Verzahnung (408),
• - Ansetzen eines Hohldornes (412) an das Werk­ stück (406)
• - Umlegen des überstehenden Randes (411) des Werkstückes (406) auf die Mantelfläche des Hohldornes (412).