DE19946508C2 - Verfahren zum Herstellen einer Welle mit durchmessergrößerem Flansch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle mit einem durchmessergrößeren Flansch, insbesondere für ein Kegelscheibengetriebe gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Verfahren geht aus der DE 195 32 519 C2 hervor. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Absatz an einer Welle durch ein Abstreck-Drückwalzen zu einem durch­ messergrößeren Halteflansch geformt. Verfahrensbedingt kön­ nen jedoch mit dem Abstreck-Drückwalzen nur relativ kleine Durchmesservergrößerungen erreicht werden.

Aus der DE 42 25 364 A1 ist weiter ein sogenanntes Boh­ rungsdrücken bekannt, bei dem Formstempel in ein massives Werkstück gedrückt werden. Zum Ausformen eines Hohlkörpers werden Drückrollen und ringförmige Werkzeuge zugestellt, die einen axialen Materialfluss unter Verhinderung einer Druchmessererweiterung bewirken.

Ein Kegelscheibengetriebe wird beispielsweise in der EP 0 222 929 A1 beschrieben. Zwei auf einer Welle angeordnete Scheiben sind axial zueinander verschiebbar, so dass durch die relative Verschiebung ein Antriebsriemen, etwa ein Keilriemen, mehr oder weniger tief zwischen die kegelförmi­ gen Scheiben eindringen kann. Durch diesen Umstand kann der Riemen mit unterschiedlichen Durchmessern der Anordnung im Eingriff sein, wodurch sich das Übersetzungsverhältnis ei­ nes Riemenscheibenantriebes verändern lässt.

Bei Kegelscheibengetrieben ist im Allgemeinen eine Scheibe fest mit einer Welle verbunden, so dass sie insbesondere nicht in axialer Richtung verschiebbar ist. Die andere Scheibe ist verschiebbar, so dass die axiale Abstandsände­ rung erfolgen kann.

Zum Herstellen der Kegelscheibengetriebe sind unterschied­ liche Verfahren bekannt. Zum Beispiel ist es denkbar, die fest mit der Welle verbundene Achse als separates Bauteil an der Achse mit Befestigungsmitteln zu montieren. Eben­ falls kann die feste Scheibe durch ein Schweißverfahren mit der Welle verbunden werden. Derartige mehrteilige Ausfüh­ rungen von Welle und Scheibe sind allerdings in der Ferti­ gung aufwendig. Ferner ist die durch die Befestigungsmittel bzw. die Schweißstelle verbundene Position der Anordnung während des Betriebs des Getriebes durch die Kraftübertra­ gung auf die Welle oder von der Welle belastet, so dass auch hier Nachteile zu verzeichnen sind. Es ist daher sinn­ voll, die Anordnung aus Welle und fester Scheibe aus einem Stück herzustellen. Zu diesem Zweck bieten sich Gieß- oder Schmiedeverfahren an. Allerdings sind diese Verfahren ver­ gleichsweise aufwendig. Ferner ist die erreichbare maximale Differenz zwischen einem größten und einem kleinsten Kraft­ übertragungsdurchmesser stark begrenzt, insbesondere bei der Fertigung durch ein Schmiedeverfahren.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass die Anordnung aus Welle und Flansch in besonders wirt­ schaftlicher Weise gefertigt werden kann, wobei ein Durch­ messer des Flansches über einen möglichst großen Bereich variierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Das Drückwalzverfahren bietet einerseits die Möglichkeit, die Anordnung aus Welle und Flansch, wobei der Flansch bei einem Kegelscheibengetriebe als Kegelscheibe verwendet wird, einstückig auszubilden und ferner eine größere Durchmesservariation bezüglich der Kraftübertragungsstelle eines Getriebes zu ermöglichen. Durch das Stauchen des Ausgangswerkstückes in axialer Richtung wird der Materialfluss in radialer Richtung im Zusammenspiel mit der Wirkung der Drückrolle unterstützt. Auch wenn das Verfahren zur Herstellung eines Teiles eines sogenannten Kegelscheibengetriebes bevorzugt ist, kann es auch zur Fertigung beliebiger Wellen mit Flansch eingesetzt werden.

Vorzugsweise wird an das Werkstück mindestens ein Drückrol­ lenpaar mit zwei Drückrollen zugestellt, die axial zueinan­ der beabstandet sind, und der Flansch wird zwischen den beiden Drückrollen ausgeformt. Auf diese Weise erhält man einen definierten radialen Materialfluss, wobei beide Sei­ ten des auszubildenden Flansches durch den Kontakt mit den jeweiligen Drückrollen in ihrer Kontur festgelegt werden können. Für eine besonders gute Kraftverteilung können zwei, drei oder mehr Drückrollenpaare gleichmäßig am Um­ fang verteilt angeordnet sein.

Vorzugsweise wird das Werkstück in dem Bereich, in welchem der Flansch ausgeformt wird, erwärmt, insbesondere auf eine Temperatur über der Rekristallisationstemperatur. Durch die Erwärmung ist es möglich, den Umformprozess unter Verwen­ dung geringerer Kräfte durchzuführen. Wenn eine Erwärmung über die Rekristallisationstemperatur stattfindet, erreicht man ein besonders stabiles und hochwertiges Umformprodukt, wobei die Umformung nicht von einer Kaltverfestigung be­ grenzt ist. Als Ausgangswerkstück kann eine massive Stange oder ein Rohr verwendet werden, bei welchem während des Um­ formprozesses ein Versteifungsdorn in den Rohrhohlraum ein­ geführt werden kann.

Es ist bevorzugt, dass eine oder mehrere Drückrollen mit einer Schulter verwendet werden, wobei eine Schulterfläche am etwa axial verlaufenden Außenumfang des Werkstückes an­ liegt, während die andere Schulterfläche etwa radial, ent­ sprechend dem anzuformenden Flansch verläuft. Der Flansch wird also an die radial verlaufende Schulterfläche der Drückrolle angeformt, so dass durch die Wahl der Drückrolle die Form des Flansches bestimmbar ist. Durch die etwa axial verlaufende Schulterfläche ergibt sich eine gewisse Führung der jeweiligen Drückrolle durch das Werkstück.

Es kann nützlich sein, wenn mindestens ein Drückrollenpaar verwendet wird, bei dem mindestens eine Drückrolle etwa scheiben- oder hülsenförmig ausgebildet ist, und wenn die Rollenachse der scheibenförmigen Drückrolle etwa parallel zur Längsachse des Werkstücks angeordnet wird. Die Verwen­ dung einer scheibenförmigen Drückrolle ist als besonders einfache Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zu be­ vorzugen. Durch die Parallelität der Rollenachse zur Achse des Werkstückes lassen sich in einfacher Weise exakt radial ausgerichtete Flanschseitenflächen erzeugen.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden Drückrollen des mindestens einen Drückrollenpaares zum Ausformen des Flan­ sches axial gegeneinander zugestellt werden. Durch die axiale Zustellung wird das Material zum einen in axialer Richtung verschoben. Durch die gemeinsame Wirkung der bei­ den Rollen ist die Fließrichtung des verschobenen Materials bestimmt, so dass der sich radial erstreckende Flansch in definierter Weise erzeugt wird.

Nützlicherweise werden das axiale Stauchen und die Zustell­ bewegungen der mindestens einen Drückrolle zueinander abge­ stimmt gesteuert. Durch eine Steuerung lässt sich ein be­ sonders genauer Verfahrensablauf erreichen, was insbeson­ dere im Hinblick auf die Veringerung von Produkttoleranzen nützlich ist.

Ein Kegelscheibengetriebe ist vorgesehen, bei dem die Welle mit dem Flansch nach einem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer vorteilhaften Ausgestaltung desselben hergestellt ist. Die erfinderischen Vorteile der Verfahren werden somit in dem Kegelscheibengetriebe verwirklicht. Insbesondere sind die Einfachheit der Herstellung, die Qualität der Ge­ triebeelemente und die große Übersetzungsbereich des Ge­ triebes zu betonen.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, ein hochwertiges Kegelscheibengetriebe durch eine Drückwalztechnik herzustellen. Dies gelingt da­ durch, dass die Fließbewegung des Materials, welches zur Ausbildung eines Flansches benötigt wird, durch eine axiale Stauchung des Ausgangswerkstückes unterstützt wird. Beson­ ders zu betonen ist noch, dass alle beschriebenen Getriebe­ teile durch eine Drückwalztechnik herstellbar sind, so dass der gesamte Fertigungsprozess mit derselben Technologie er­ folgen kann. Er bleibt somit in einer Hand. Selbstverständ­ lich ist die Erfindung nicht auf Elemente von Kegelschei­ bengetrieben begrenzt. Zum Beispiel kann bei verschiedenen Getrieben eine erfindungsgemäß hergestellte Welle mit einem Flansch zum Einsatz kommen. Ebenso muß es sich bei dem her­ gestellten Umformteil nicht um eine Welle handeln. Vielmehr können beliebige Teile mit umlaufendem Flansch hergestellt werden.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispiel­ haft beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Anfangszustand eines erfindungsge­ mäßen Verfahrens zur Herstellung einer Welle mit einem durchmessergrößeren Flansch in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 1a zeigt eine Verfahrensabwandlung, bei der ein rohrförmiges Werkstück umgeformt wird;

Fig. 2 zeigt einen Zwischenzustand des Verfahrens ge­ mäß Fig. 1;

Fig. 3 zeigt einen fortgeschrittenen Zustand des Ver­ fahrens gemäß Fig. 1;

Fig. 4 zeigt einen Zwischenzustand eines Verfahrens zur Herstellung einer Welle mit einem durch­ messergrößeren Flansch in einer zweiten Aus­ führungsform;

Fig. 4a zeigt eine Abwandlung der zweiten Ausführungs­ form, wobei auch eine Stirnverzahnung angeformt wird;

Fig. 5a, 5b und 5c zeigen verschiedene Formgebungsalternativen bei der Herstellung einer Welle mit Flansch;

Fig. 6 zeigt den Zwischenzustand eines Werkstückes zur Herstellung eines verschiebbaren Kegelscheiben­ elementes und

Fig. 7 zeigt ein verschiebbares Kegelscheibenelement.

In Fig. 1 ist ein Anfangszustand in einem Verfahren zur Herstellung einer Welle mit einem durchmessergrößeren Flansch dargestellt. Ein als Rundmaterial vorliegendes Werkstück 10 wird um seine Längsachse in Drehung versetzt, während zwei Drückrollen 16, 18 zugestellt werden. Das Werkstück 10 wird gestaucht, was durch die Pfeile 60, 62 angedeutet ist. Weiterhin werden die Drückrollen 16, 18 in axialer Richtung aufeinander zubewegt. Dies hat zur Folge, dass das Material des Werkstückes in radialer Richtung fließt, was durch die Strich-Punkt-Linie 64 schematisch angedeutet ist.

Die Drückrollen haben jeweils zwei Schulterflächen, wobei eine Schulterfläche 22, 24 am etwa axial verlaufenden Aus­ senumfang des Werkstückes 10 anliegt. Die anderen Schulter­ flächen 26, 28 der jeweiligen Drückrollen 16, 18 erstrecken sich eher in radialer Richtung.

Eine Abwandlung des vorbeschriebenen Verfahrens ist in Fig. 1a dargestellt, wobei funktions- oder baugleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen mit dem angefügten Buchstaben a versehen sind. Im Unterschied zu dem Verfahren nach Fig. 1 wird als Werkstück 10a ein Rohr mit einem inneren Hohlraum verwendet. Um ein Verformen des Rohrhohl­ raumes zu verhindern, wird von einem oder beiden Spann­ futtern 70a, 72a ein Versteifungsdorn 74a eingeschoben. Der eingeschobene Versteifungsdorn 74a ist mit einer ge­ strichelten dargestellt. Weiterhin sind an den Stirnseiten der Spannfutter 70a und 72a Profile zum Ausbilden eines Stirnprofiles an dem Werkstück vorgesehen. Hierzu sind an dem einen Spannfutter 70a Vertiefungen 76a eingebracht, welche entsprechend an der Stirnseite des Werkstücks 10a zu einem erhabenen Profil führen, während an dem anderen Spannfutter 72a Erhebungen 78a ausgebildet sind, welche entsprechend zu Einformungen in der Stirnseite des Werk­ stücks 10a führen. Selbstverständlich können die Profile an den Spannfuttern 70a und 72a entsprechend der gewünsch­ ten Formgebung beliebig geändert werden.

In Fig. 2 ist ein Zwischenzustand des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Drückrollen 16, 18 sind bereits um eine gewisse Strecke aufeinander zu bewegt. Hierdurch hat sich eine gewisse Materialmenge radial in den Bereich zwischen die Drückrollen 16, 18 verschoben. Um die Bildung der durch unterbrochene Linien dargestellten Höcker 66, 68 zu vermeiden, wird in vorteilhafter Weise eine weitere Rol­ le 70 zugestellt. Dieses Zustellen der weiteren Rolle 70 erfolgt bevorzugt und vorteilhaft an einer bezüglich der Drückrollen 16, 18 in Umfangsrichtung versetzten Position. Die zusätzliche Rolle 70 ist außen zur Begrenzung des Mate­ rialflusses mit vorstehenden Kanten versehen.

In Fig. 3 ist ein fortgeschrittener Verfahrenszustand dar­ gestellt. Die Drückrollen 16, 18 sind maximal oder nahezu maximal in axialer Richtung aufeinander zu verschoben. Der Flansch 12 hat seine endgültige oder nahezu endgültige Form. Auf der linken Seite des Flansches 12 erkennt man eine kegelförmige Kontur, so dass die hergestellte Struk­ tur aus Welle und Flansch 12 als Getriebeelement eines Kegelscheibengetriebes verwendbar ist.

In Fig. 4 ist ein Zwischenstadium oder Endstadium eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist eine der Drück­ rollen als scheibenförmige Drückrolle 20 ausgebildet, de­ ren Achse 30 parallel zur Werkstückachse 14 verläuft. Mit einer Verzahnungsrolle 72 ist eine Außenverzahnung 74 in den Flansch 12 eingeformt. Die Verzahnungsrolle 72 kann in nützlicher Weise in Umfangsrichtung gegenüber den Drück­ rollen 20 versetzt angeordnet sein. Auf diese Weise ent­ steht ein in vielfältiger Weise einsetzbares Getriebeteil mit einer Welle, die einen außenverzahnten Flansch trägt.

Eine Variante des Verfahrens von Fig. 4 ist in Fig. 4a dar­ gestellt. Zur Ausbildung einer stirnseitigen Profilierung 82a an dem auszubildenden Flansch ist auf der einen Seite des Flansches ein ringförmiges, axial verschiebbares Drück­ werkzeug 80a vorgesehen. Dieses Drückwerkzeug 80a wird axial gegen den Flansch gepresst, wobei in Kombination mit der Druckkraft der Drückrolle 16a sowie der axialen Stauch­ bewegung eine gewünschte Profilierung in eine radial ver­ laufende Seite des Flansches eingeformt wird. Weiterhin ist ein Ausstoßer 84a angeordnet, durch welchen das Werkstück nach dem Umformvorgang von dem ringförmigen Drückwerkzeug 80a getrennt werden kann.

Die Fig. 5a, b und c zeigen verschiedene Formgebungs­ alternativen bei der Fertigung einer Welle mit Flansch. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5a wird an der Welle eine Außenverzahnung 90 eingeformt, wobei je nach Anwendungsfall die Verzahnung 90 bis zum Wellenende oder nur in einem mittleren Teil ausgebildet werden kann. Im letzteren Fall kann es beispielsweise bei der Herstellung eines Keil­ wellenprofiles notwendig sein, einen Materialbereich 91 zwischen dem Wellenende und der Verzahnung 90 spanlos oder spanabhebend zu entfernen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5b wird in den Flansch 12 eine Ausnehmung 92 eingeformt. Durch diese Materialaus­ nehmung wird ein Getriebeteil mit einem möglichst geringen Massenträgheitsmoment erzielt, was für viele Anwendungen gewünscht ist.

Eine weitere Verbesserung hinsichtlich des Massenträgheits­ momentes und zur Erreichung eines besonders leichten Werk­ stückaufbaues ist bei der anderen Ausführungsform gemäß Fig. 5c vorgesehen, eine besonders tiefe ringförmige Aus­ nehmung 94 vorzusehen, in welche Versteifungsrippen 96 angeordnet werden. Die Versteifungsrippen 96 werden beim Warmumformen des Flansches durch eine Vorrichtung ähnlich der in Fig. 4a dargestellten spanlos ausgebildet.

In Fig. 6 ist ein Werkstück dargestellt, aus welchem ein verschiebbares Kegelscheibenelement gemäß Fig. 7 herstell­ bar ist. Dieses Werkstück wurde beispielsweise durch einen Drückwalzvorgang hergestellt, indem von der rechten Seite eine außen konturierte Drückrolle zugestellt wurde. Dieser Vorgang kann mit oder ohne Temperaturzufuhr erfolgen. Das in Fig. 7 dargestellte verschiebbare Kegelscheibenelement 50 hat einen hülsenförmigen Nabenabschnitt 52 mit einem Innenprofil 54. Dieses Innenprofil 54 kann je nach Anwen­ dung in verschiedenster Weise gestaltet sein. Der zylin­ drische Umfangswandabschnitt 58 des hülsenförmigen Naben­ abschnittes 52 wurde durch ein Spaltstauchverfahren herge­ stellt. Als Material für den zylindrischen Umfangswandab­ schnitt 58 wurde Material vom Außenumfang des Kegelschei­ benabschnitts 56 durch Spalten und Stauchen in die ent­ sprechende Form gebracht.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer Welle mit einem durch­ messergrößeren Flansch (12), insbesondere für ein Kegelscheibengetriebe, wobei ein Rundmaterial als Werkstück (10) um seine Längsachse (14) relativ zu mindestens einer Drückrolle (16, 18, 20) in Rotation versetzt und unter Einwirkung der mindestens einen Drückrolle (16, 18, 20) der durchmessergrößere Flansch (12) angeformt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass das Werkstück (10) während der Rotation axial gestaucht wird,
dass beim axialen Stauchen Material des Werkstücks (10) verdrängt wird und
dass unter Einwirkung der mindestens einen Drück­ rolle (16, 18, 20) das verdrängte Material in ra­ dialer Richtung gedrückt und zum durchmessergrös­ seren Flansch (12) ausgeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass an das Werkstück (10) mindestens ein Drückrollen­ paar mit zwei Drückrollen (16, 18) zugestellt wird, die axial zueinander beabstandet sind, und
dass der Flansch (12) zwischen den beiden Drückrollen (16, 18) ausgeformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) in dem Bereich, in welchem der Flansch (12) ausgeformt wird, erwärmt wird, insbeson­ dere auf eine Temperatur über der Rekristallisations­ temperatur.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Drückrollen (16, 18) mit einer Schulter verwendet werden, wobei eine Schulterfläche (22, 24) am etwa axial verlaufenden Außenumfang des Werkstücks (10) anliegt, während die andere Schulter­ fläche (26, 28) etwa radial, entsprechend dem anzu­ formenden Flansch (12) verläuft.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drückrollenpaar verwendet wird, bei dem mindestens eine Drückrolle (20) etwa scheiben- oder hülsenförmig ausgebildet ist, und dass die Rollenachse (30) der scheibenförmigen Drück­ rolle (20) etwa parallel zur Längsachse (14) des Werk­ stücks (10) angeordnet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drückrollen (16, 18) des mindestens einen Drückrollenpaares zum Ausformen des Flansches (12) axial gegeneinander zugestellt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Stauchen und die Zustellbewegungen der mindestens einen Drückrolle (16, 18, 20) zueinander abgestimmt gesteuert werden.

8. Kegelscheibengetriebe mit einer Welle mit einem Flansch, der ein erstes feststehendes Kegelscheiben­ element bildet, und einem zweiten Kegelscheibenele­ ment, welches axial verschiebbar auf der Welle ge­ lagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle mit dem Flansch nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.