DE19830817A1 - Verfahren zum Umformen eines Werkstücks durch Drückwalzen - Google Patents
Verfahren zum Umformen eines Werkstücks durch DrückwalzenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen eines Werk
stücks durch Drückwalzen, insbesondere zum Herstellen einer In
nenverzahnung an dem Werkstück, bei dem eine topfförmige Vor
form axial gegen ein Werkzeugfutter gespannt und mittels minde
stens einem Wälzkörper an das Werkzeugfutter angedrückt wird
und die Vorform relativ zu dem Wälzkörper rotiert.
Bei der spanlosen Herstellung von Innenverzahnungen durch
Drückwalzen werden unterschiedliche Verfahren angewendet. So
ist in der DE 196 36 567 Al (vgl. Fig. 4) ein Herstellungsver
fahren beschrieben, das als Gleichlaufstrecken bezeichnet wer
den kann. Dabei wird eine Vorform radial zentriert und durch
einen axialen Druck gegen das Werkzeugfutter gespannt. Die Vor
schubbewegung der Drückwalzen erfolgt von der Reitstockseite
aus, so daß die auf den Außendurchmesser des Werkstückes einge
stellten Drückwalzen die Vorform im Außendurchmesser reduzieren
und das Material in das Profil am Umfang des Werkzeugfutters
drücken und dabei in Axialrichtung auswalzen.
Des weiteren ist in der DE 196 36 567 A1 (vgl. Fig. 5) eine
Herstellung einer Innenverzahnung durch radiales Einwalzen be
schrieben. Dabei wird die Vorform radial zentriert und an der
Bodenseite axial eingespannt, so daß bei einer Radialzustellung
der Drückwalzen das verdrängte Material in das Profil des Werk
zeugfutters radial und axial eindringt.
Bei einer weiteren Verfahrensvariante (siehe DE 196 36 567 A1,
Fig. 6) wird die Vorform radial zentriert und an beiden Seiten
axial eingespannt, so daß bei einer Radialzustellung der Drück
walzen das verdrängte Material in das Profil des Werkzeugfut
ters eindringt und dieses ausfüllt.
Schließlich wird-bei einem Gleichlauf strecken mit axialem An
schlag (siehe DE 196 36 567 A1, Fig. 7) die Vorform radial zen
triert und an der Bodenseite der Vorform axial eingespannt. In
axialer Richtung ist auf dem Werkzeugfutter ein Anschlag, gegen
den das Material beim Drückwalzen fließt und von dem es ge
stoppt wird, sobald durch die Vorschubbewegung die auf einen
Außendurchmesser des Werkstückes eingestellten Drückwalzen von
der Reitstockseite gegen die Vorform fahren und das Material
verdrängen. Bei diesem Verfahren kann das Material nur in ra
dialer Richtung in das Profil des Werkzeugfutters eindringen
und es kann sich gegen den Reibwiderstand der Planfläche des
Anschlages im Durchmesser verdicken.
Bei all diesen Verfahren tritt das Problem der radialen Ausbeu
lungen auf, das durch den gegenseitigen Abstand der Drückwal
zen, der sich aufgrund der geometrischen Abmessungen der Drück
walzen mit ihren Lagerungen ergibt, bedingt ist. Die Folge ist
eine Wechselbeanspruchung in den Profilen des Werkzeugfutters
während der Umformung.
Des weiteren ist allen Verfahren gemeinsam, daß zu Beginn der
Umformung der radiale Widerstand des Materials aus der kreis
ringförmigen Übergangszone zwischen Boden und Wandung der Vor
form überwunden werden muß. Hinzu kommt die Abstützung der Wan
dung der Vorform auf den Zahnspitzen des Werkzeugfutters. Dies
hat zur Folge, daß wechselnde Umformkräfte aufgrund des unter
schiedlichen Widerstandes während der Umformung der Vorform zu
unterschiedlichen Verfestigungen innerhalb der geformten Profi
le im Werkstück führen. Da gleichbleibende Umformkräfte eine
Voraussetzung für gleichbleibende Toleranzstreubreiten am Pro
fil des Werkstückes sind, ist mit einer schwankenden Toleranz
streubreite zu rechnen. Dieses ist ein verfahrensbedingter,
gravierender Nachteil bei der Fertigung von genau zu dimensio
nierenden Werkstücken nach den aufgeführten Verfahren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren anzugeben, bei dem zum Erzielen eines hochwertigen
Werkstückes der Umformwiderstand der Vorform im Bereich des In
nenprofils während des Drückwalzens nahezu gleichbleibend ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfin
dungsgemäß dadurch gelöst, daß der zumindest eine Wälzkörper zu
Beginn der Umformung am offenen Ende der Vorform gegen ihren
Zylinderwandbereich angedrückt wird und in axialer Relativbewe
gung über den Zylinderwandbereich zum Boden der Vorform hin in
Umformkontakt geführt wird. Durch den Beginn des Drückwalzens
an der offenen Seite der Vorform steht während des gesamten Um
formweges ein gleichbleibender Materialquerschnitt zur Formge
bung zur Verfügung. Dadurch wird die erforderliche Umformkraft
in etwa gleich bleiben, woraus eine gleichbleibende Toleranz
breite des geformten Profils resultiert. Die axiale Relativbe
wegung kann dabei durch eine axiale Bewegung der Vorform gegen
über einem axial ruhenden Wälzkörper, durch eine axiale Bewe
gung des Wälzkörpers gegenüber einer axial ruhenden Vorform
oder durch eine kombinierte Bewegung des Wälzkörpers und der
Vorform ausgeführt werden.
Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in
den Unteransprüchen angegeben.
Eine zuverlässige Profilierung der Innenseite der Vorform wird
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Innenverzahnung an
dem Zylinderwandbereich mit einer axialen Länge eingeformt
wird, die geringer ist als die Länge des Zylinderwandbereichs,
und daß die eingeformte Innenverzahnung in einem definierten
Abstand zum Boden ausgebildet wird. Bei dem erfindungsgemäßen
Drückwalzen von der offenen Seite der Vorform her kann Material
in Richtung des Bodens verschoben werden. Es wird erfindungsge
mäß ein Freiraum zwischen der gewünschten Innenverzahnung und
dem Boden vorgesehen, in welches das axial verdrängte Material
ohne eine unerwünschte Stauchung aufgenommen werden kann. Der
mindestens eine Wälzkörper überläuft dabei die Zylinderwand der
Vorform nicht ganz bis zum Boden, sondern stoppt in einem defi
nierten axialen Abstand vor dem Bodenbereich. Bei einer durch
gehenden axialen Ausbildung des Außenprofiles an dem Werkzeug
futter kann beispielsweise ein ausreichender Freiraum vorgese
hen werden. Alternativ kann auch eine spezielle ringförmige Nut
an dem Werkzeugfutter angrenzend an den Boden der eingespannten
Vorform angeordnet sein. Es ist so sichergestellt, daß eine ge
forderte axiale Länge der Innenverzahnung zuverlässig an dem
Werkstück drückgewalzt werden kann.
Weiterhin ist es nach der Erfindung bevorzugt, daß in einem
Eckbereich zwischen dem Boden und dem Zylinderwandbereich eine
Übergangskontur mit einer Wanddickenverstärkung ausgebildet
wird. In dem Eckbereich zwischen dem im wesentlichen radial
verlaufenden Boden und dem im wesentlichen axial verlaufenden
Zylinderwandbereich besteht die höchste Biegebelastung, wenn
das geformte Werkstück beispielsweise als ein Verzahnungsge
triebeteil eingesetzt wird. Da an der Innenseite des Eckbe
reichs keine definierte Ausgestaltung der Innenverzahnung er
reicht wird, wird eine zuverlässige hohe Festigkeit durch eine
speziell ausgebildete Übergangskontur mit einer Wanddickenver
stärkung gegenüber dem verformten Zylinderwandbereich erreicht.
Der Übergangsbereich weist vorzugsweise eine konische Kontur
auf, welche sich vom Boden zum Zylinderwandbereich hin ver
jüngt.
Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante die Vorform
durch eine Vielzahl von Wälzkörper umgeformt wird, welche ring
artig um die Vorform angeordnet und in einem Käfig jeweils
drehbar gelagert sind, kann die Vorform durch die geometrisch
maximale Anzahl von Drückwalzen, -rollen oder -kugeln am Umfang
während ihrer Drehung abgestützt und gleichzeitig umgeformt
werden. Die umformenden Wälzkörper umkreisen die Vorform plane
tenförmig, wenn sie diese berühren und umformen.
Beim bekannten Drückwalzen wird durch die separate Lagerung und
Ansteuerung der Achsen aufgrund des Axialversatzes der Walzen
immer eine Walze den Formgebungsprozeß beginnen, wodurch es
zwangsläufig zur Auslenkung des Werkzeugs kommt, bis weitere
axial versetzte Walzen zum Einsatz kommen. Dies hat zur Folge,
daß durch diese wechselseitige Auslenkung des Umformwerkzeuges
eine gleichmäßige Belastung und eine Selbstzentrierung nicht
möglich ist. Hingegen wird bei dieser Variante des erfindungs
gemäßen Verfahrens die Kraft symmetrisch über einen Außenring
eines Lagers auf alle Walzen gleichmäßig übertragen. Alle Wal
zen greifen gleichzeitig in den Umformprozeß ein. Dabei kann
sich das innenliegende Werkzeug selbständig zentrieren und wird
gleichmäßig belastet.
Zweckmäßigerweise wird die Vorform in einer axialen Relativbe
wegung durch die ringförmige Wälzkörperanordnung bewegt und da
bei von den Wälzkörpern an das Drück- oder Werkzeugfutter ange
drückt. Alternativ dazu können die in dem Käfig gelagerten
Wälzkörper radial zugestellt werden.
Wenn in bevorzugter Weise die Vorform durch kegelige Wälzrollen
umgeformt wird, die in zur Rotationsachse der Vorform geneigter
Anordnung in einem konischen Außenring abrollen, so kann eine
verbesserte Zentrierung beim Einführen der Vorform in die Wälz
körperanordnung erzielt werden. Des weiteren ist durch eine
axiale Verschiebung und Positionierung der Wälzkörper mit dem
Käfig eine radiale Positionierung und Einstellung der Wälzkör
per möglich.
Zweckmäßigerweise wird die Vorform zwischen zwei axial bewegba
ren Antriebsspindeln einer Drückwalzmaschine eingespannt, wobei
an einer der Antriebsspindeln das Werkzeugfutter und an der an
deren Antriebsspindel eine Zentriereinrichtung vorgesehen sind,
daß die Vorform zunächst an der Antriebsspindel mit der Zen
triereinrichtung angeordnet und zentriert gehalten wird und daß
zum Einspannen der Vorform an dem Werkzeugfutter die Antriebs
spindeln axial gegeneinander verfahren werden. Dann kann die
aus den beiden Antriebsspindeln und der Vorform gebildete Bewe
gungseinheit zur Erzeugung der Vorschubbewegung verfahren wer
den, wodurch ein schnelles Spannen und Umformen gegeben ist.
Es ist dabei bevorzugt, daß als Zentriereinrichtung ein Zen
trierzapfen verwendet wird, auf welchem die Vorform mit einer
Nabenöffnung paßgenau aufgesteckt wird. Der Zentrierzapfen und
die Nabenöffnung können dabei eine Spielpassung oder eine
leichte Preßpassung bilden, wodurch sichergestellt wird, daß
die Vorform zunächst an der einen Antriebsspindel fixiert ist.
Zum Einspannen der Vorform an dem Werkzeugfutter wird die ge
genüberliegende Antriebsspindel axial in den Topf eingefahren,
wobei die Vorform in ihrem Bodenbereich zwischen den beiden An
triebsspindeln eingespannt wird. Die beiden gegeneinander ver
fahrenen Antriebsspindeln bilden einen Verbund, welcher vor
zugsweise dann mit dem Werkstück durch eine axial feststehende
Umformeinrichtung mit dem zumindest einem Wälzkörper gefahren
wird.
Die Vorform wird dabei in jedem Fall mit der offenen Seite zum
Umformwerkzeug hin bewegt, d. h. die offenen Seite der Vorform
ist dem großen Durchmesser der von den Wälzkörpern gebildeten
kegeligen Aufnahmeöffnung zugewandt.
Durch die Vielzahl der Walzen ist der Abstand der Walzen zuein
ander auf ein Minimum reduziert. Dadurch wird die radiale Aus
beulung der Vorform und damit die Wechselbeanspruchung an den
Profilen des Werkzeugfutters auf ein Minimum reduziert und eine
gleichmäßige Werkstoffverfestigung wird erzielt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
Fig. 1: in einer Schnittansicht eine Teildarstellung einer
Drückwalzmaschine mit einer Vorrichtung zum Ausführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ladestel
lung;
Fig. 2: in einer Schnittansicht quer zu einer Maschinenrota
tionsachse die Vorrichtung der Fig. 1;
Fig. 3: in einer Schnittansicht die Vorrichtung der Fig. 1
mit einer an einem Werkzeug eingespannten Vorform;
Fig. 4: in einer Ansicht gemäß Fig. 3 die Vorrichtung in ei
ner Betriebsstellung beim Umformen der Vorform;
Fig. 5: in einer Schnittansicht eine Vorform, an der eine In
nenverzahnung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden soll; und
Fig. 6: in einer Schnittansicht ein Werkstück mit einer In
nenverzahnung, die durch Umformung der in Fig. 5 dar
gestellten Vorform hergestellt worden ist.
Eine Vorrichtung 10 oder ein Umformwerkzeug zum Ausführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe insbesondere Fig. 1 bis 3)
weist eine Vielzahl von Walzen 11 als Wälzkörper oder Drückrol
len in einer ringförmigen Anordnung auf (im dargestellten Aus
führungsbeispiel 14 Walzen, siehe Fig. 2), die in Ausnehmungen,
die in einem ringförmigen Tragkörper oder Käfig 13 der Vorrich
tung 10 ausgebildet sind, aufgenommen und axial und radial ge
führt sind. Ein feststehender äußerer Laufring oder Außenring
14 ist in einem Gehäuse 15 der Vorrichtung 10 eingesetzt und
bildet eine äußere, gehärtete Laufbahn 16 für die Walzen 11,
während eine innere Laufbahn durch eine umzuformende Vorform 18
gebildet wird. Der ringförmige Tragkörper 13 ist über ein Ku
gellager 19 radial und drehbar in dem Gehäuse 15 der Vorrich
tung 10 gelagert. Ein Axiallager 20, beispielsweise ein Nadel
lager, stützt den Tragkörper 13 axial über eine Federeinrich
tung, z. B. in Form von mehreren Schraubenfedern 21, an einem
mit dem Gehäuse 15 z. B. durch Verschraubung verbundenen Gehäu
seabschlußteil 22 ab.
Fig. 1 zeigt die Anordnung der Vorrichtung 10 zum Einwalzen ei
ner Innenverzahnung in einer schematisch dargestellten Drück
walzmaschine. Die topfförmige Vorform 18 wird auf einem Zen
trierzapfen 30, welcher eine Passung mit einer Nabenöffnung 29
der Vorform 18 bildet, an einer ersten, rechten Antriebsspindel
31, welche die als Andrückelement dient, koaxial zu deren Rota
tionsachse 32 aufgenommen und gehalten. Dabei wird die Vorform
18 mit ihrem Boden 33 gegen die Frontseite 34 der Antriebsspin
del 31 angelegt, so daß das offene Ende 35 der Vorform 18 zu
einer koaxial angeordneten, zweiten, linken Antriebsspindel 36
weist, an der ein Werkzeugfutter 37 mit einem Verzahnungsprofil
38 festgelegt ist. Der Innendurchmesser der Vorform 18 ent
spricht in etwa dem Außendurchmesser des Werkzeugfutters 37.
Die linke Antriebsspindel 36 wird axial gegen die rechte An
triebsspindel 31 gefahren, bis das Werkzeugfutter 37 in die
Vorform 18 eingefahren ist und den Boden 33 der Vorform 18 ge
gen die rechte Antriebsspindel 31 festspannt (siehe Fig. 3).
Durch rotatorischen Antrieb der linken Antriebsspindel 36
und/oder der rechten Antriebsspindel 31 wird die Vorform 18 in
Drehung versetzt. Der Verbund aus linker und rechter Antriebs
spindel 36 und 31 sowie dazwischen geklemmter Vorform 18 wird
dann in einer Vorschubbewegung in axialer Richtung durch die
Vorrichtung 10 gefahren (siehe Fig. 4), wobei das freie Ende 40
des Zylinderwandbereichs 39 am offenen Ende 35 der Vorform 18
in den größeren Durchmesser des von den kegelig eingestellten
Wälzkörpern 11 gebildeten Ringes eintaucht und gegen die Wälz
körper 11 gedrückt wird. Dabei wird während der axialen Vor
schubbewegung der Zylinderwandbereich 39 vom offenen Ende 35
der Vorform 18 her im Durchmesser reduziert (siehe Fig. 4), so
daß durch das Walzen die Vertiefungen am Verzahnungsprofil 38
des Werkzeugfutters 37 durch Material des Zylinderwandbereichs
39 gefüllt werden und das Innenprofil oder die Innenverzahnung
41 (siehe Fig. 6) hergestellt wird. Die Länge der Vorschubbewe
gung oder des Vorschubweges 42 ist dann erreicht, wenn die In
nenverzahnung 4,1 oder das Innenprofil im aus der Vorform 18 ge
bildeten Werkstück 43 in der gewünschten Länge 44 gebildet wor
den ist, wobei ein definierter Abstand 46 oder Freiraum zum Bo
den 33 eingehalten wird. Weiter ist zwischen dem Boden 33 und
der eingeformten Innenverzahnung 41 an dem Zylinderwandbereich
39 eine Übergangskontur 47 mit einer Wanddickenverstärkung aus
gebildet, durch welche eine gezielte Versteifung des hochbela
steten Eckbereichs des Werkstücks 43 gewährleistet ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 10 bzw. das
Umformwerkzeug an einem radial zustellbaren Quersupport 45 der
Drückwalzmaschine befestigt, so daß das Gehäuse 15 ruht und die
Wälzkörper 11 mit ihrem Käfig 13 um die Rotationsachse 32 ro
tieren. Die Drückwalzmaschine kann auch derart aufgebaut sein,
daß der Quersupport 45 axial verfahrbar ist und die axiale Vor
schubbewegung des Umformwerkzeugs 10 bei axial ruhenden An
triebsspindeln 31, 36 ausführt.
Am Ende der Vorschubbewegung, d. h. nach dem Umformen der Vor
form 18 und dem Herstellen des Innenprofils oder der Innenver
zahnung 41 wird ein Ausstoßer 46, der in der linken Antriebs
spindel 36 angeordnet ist, mit einer axialen Druckkraft beauf
schlagt (Kraftwirkung in Fig. 4 nach rechts). Während der axia
len Rückbewegung der beiden Antriebsspindeln 31, 36 wird das
fertigbearbeitete Werkstück 43 aus dem Umformwerkzeug 10 gefah
ren und von der linken Antriebsspindel 36 bzw. dem Werkzeugfut
ter 37 abgeschoben, sobald die linke Antriebsspindel 36 ihre
Ausgangsposition erreicht hat und die rechte Antriebsspindel 31
sich von der linken Antriebsspindeln 36 weg in ihre Ausgangsla
ge weiter zurückbewegt. Das Werkstück 43 wird durch einen Ab
streifer 47 von der rechten Antriebsspindel 31 geschoben. Ein
neuer Verfahrenszyklus zum Herstellen des nächsten Werkstückes
kann beginnen.
Claims (8)
1. Verfahren zum Umformen eines Werkstücks durch Drückwalzen,
insbesondere zum Herstellen einer Innenverzahnung an dem
Werkstück, bei dem eine topfförmige Vorform axial gegen
ein Werkzeugfutter gespannt und mittels mindestens einem
Wälzkörper an das Werkzeugfutter angedrückt wird und die
Vorform relativ zu dem Wälzkörper rotiert,
dadurch gekennzeichnet
daß der zumindest eine Wälzkörper zu Beginn der Umformung
am offenen Ende (35) der Vorform (18) gegen ihren Zylin
derwandbereich (39) angedrückt wird und in axialer Rela
tivbewegung über den Zylinderwandbereich (39) zum Boden
(33) der Vorform (18) hin in Umformkontakt geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Innenverzahnung (41) an dem Zylinderwandbereich
(39) mit einer axialen Länge (44) eingeformt wird, die ge
ringer ist als die Länge des Zylinderwandbereichs (39),
und daß die eingeformte Innenverzahnung (41) in einem de
finierten Abstand (46) zum Boden (33) ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Eckbereich zwischen dem Boden (33) und dem
Zylinderwandbereich (39) eine Übergangskontur (47) mit ei
ner Wanddickenverstärkung ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorform (18) durch eine Vielzahl von Wälzkörpern
(11) umgeformt wird, welche ringartig um die Vorform (18)
angeordnet und in einem Käfig (13) jeweils drehbar gela
gert sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorform (18) in einer axialen Relativbewegung
durch die ringförmige Anordnung der Wälzkörper (11) bewegt
und dabei von den Wälzkörpern (11) an das Werkzeugfutter
(37) angedrückt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorform (18) durch kegelige Wälzrollen (11) umge
formt wird, die in zur Rotationsachse (32) der Vorform
(18) geneigter Anordnung in einem konischen Außenring (14)
abrollen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorform (18) zwischen zwei axial bewegbaren An
triebsspindeln (31, 36) einer Drückwalzmaschine einge
spannt wird, wobei an einer der Antriebsspindeln (36) das
Werkzeugfutter (37) und an der anderen Antriebsspindel
(31) eine Zentriereinrichtung vorgesehen sind,
daß die Vorform (18) zunächst an der Antriebsspindel (36)
mit der Zentriereinrichtung angeordnet und zentriert ge
halten wird und
daß zum Einspannen der Vorform (18) an dem Werkzeugfutter
(37) die Antriebsspindeln (31, 36) axial gegeneinander
verfahren werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Zentriereinrichtung ein Zentrierzapfen (30) ver
wendet wird, auf welchem die Vorform (18) mit einer Na
benöffnung (29) paßgenau aufgesteckt wird.
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