DE2542634A1

DE2542634A1 - Einstueckige, hohle walzenwelle

Info

Publication number: DE2542634A1
Application number: DE19752542634
Authority: DE
Inventors: Lawrence Wagner Gibble; Dennis Lee Keesey
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1975-09-24
Filing date: 1975-09-24
Publication date: 1977-04-07
Also published as: DE2542634C2

Description

Einstückige, hohle Walzenwelle
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ausbildung eines einstückigen, hohlen Gliedes mit einem erweiterten Mittelteil und verjüngten oder abgesetzten Endteilen.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Ausbildung einer hohlen, einstückigen Welle mit einem erweiterten Mittelteil und abgesetzten Endteilen aus einem Metallrohling. Obwohl sich die folgende Beschreibung auf hohle Wellenwalzen oder Wellenrollen bezieht, sei bemerkt, daß auch andere Gegenstände mit verschiedenen Formen und für verschiedene Anwendungsfälle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können. Bislang werden hohle Rollenwellen oder Walzenwellen gemäß den U.S. Patenten 1 911 171, 2 054 532, 2 283 871, 2 349 898, 2 362 443, 2 647 025, 2 690 933 und 2 926 968 gemäß verschiedenen Verfahren hergestellt. - Grundsätzlich verwenden diese Verfahren einen Gießvorgang mit darauffolgender Werkzeugiaschinenbearbeitung oder aber einen Formungsvorgang mit darauffolyender Bearbeitung durch- Werkzeugmaschinen.
Einige Verfahren benutzen zusätzliche Schweiß schritte und die Finish-Bearbeitung durch W.rkzeugmaschinen, wo einzelne Teile zur Bildung der fertigen Rollenwelle miteinander verbunden werden. Die Ausbildung der Aussenabmessungen und auc die Ausbildung des Innenhohlraums oder der Kammer, häufig werden Innenhohlräume als Schmiermitel-Keservoirs verwendet, ist kostspielig sowohl hinsichtlich der aufgewandten Zeit als auch der zu verwendenden Materialien. Weitere Nachteile des Standes der Technik sind das Vorhandensein von ungelösten Restbeanspruchungen in den fertigen Wellen, wobei diese Beanspruchnen die Festigkeit und infolgedessen die Abriebslebensdauer wesentlich verringern.
Die Erfindung bezweckt, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und sieht zu diesem Zweck ein Formverfahren vor, um einen Gegenstand zu erzeugen, der eine im ganzen zylindrische hohle Rollenwelle ist, die einen erweiterten mittleren Teil besitzt und einheitlich einstückig ausgebildet ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf den Gegenstand als solchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit einem Metallrohling oder Preßling, der gereinigt wird, mit einem Schmiermittel überzogen wird und erhitzt wird, um auf einer Presse durch eine Reihe von Formungsvorgängen geformt zu werden. Diese Formvorgänge umfassen die folgenden: Vorformung; Rückwärts-Fließpressen; Ziehen; Nachziehen; Einziehen und Nachpressen. Es sind gemäß der Erfindung ferner Zwischenschritte vorgesehen, zu denen die folgenden gehören: Anlassen, einschließlich örtlichen Wärmeanlegens; Reinigen und Überziehen.
Das Hauptziel der vorliegende Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzusehen, um ein (spanlos) geformtes einstückiges, hohles Glied mit einem erweiteren Mittelteil herzustellen. Die Erfindung bezweckt ferner, einen Gegenstand in der Form einer ausgeformten einstückigen, hohlen Rollenwelle vorzusehen, die verminderte Restbeanspruchungen aufweist und einen erhöhten Abrieb sowie erhöhten Widerstand gegenüber einem Lastausfall aufweist. Die Erfindung bezweckt ferner, ein Verfahren zur Ausbildung eines hohlen länglichen Gliedes anzugeben, welches einen erweiterten Mittelteil, sowie an entgegengesetzten Enden eingeengte Teile aufweist. Ferner bezweckt die Erfindung, ein Verfahren zur (spanlosen) Ausbildung einer Hohlstelle anzugeben, die einstückig aufgebaut ist und abgestufte Endteile besitzt. Ferner bezweckt die Erfindung, ein hohles Reservoir in einer einstückigen Welle auszubilden, wobei mit einem massiven Rohling begonnen wird. Die Erfindung bezweckt ferner, ein Formverfahren für eine Hohlwelle anzugeben, wobei die Toleranzen genau gesteuert sind und die Hohlwelle ein Minimum an inhärenten Restbeanspruchungen besitzt.
Zur Lösung dieser Aufgaben sieht die Erfindung insbesondere die in den Ansprüchen angegebenen Maßnahmen vor. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt: Fig. 1 ein schematisches Schaubild der Verfahrensschritte bei der Ausformung einer hohlen, einstückigen Rollenwelle; Fig. 2 eine Seitenansicht eines Stangenmaterial-Rohlings, teilweise im Querschnitt, der bei den aufeinanderfolgenden Formungsschritten verwendet wird; Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Rohlings der Fig. 2 nach dem anfänglichen Vor-Formungsvorgang; Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Rohlings nach einem Rückwärts-Fließpreßvorgängs; Fig. 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Rohlings nach einem Ziehvorgang, Fig. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht des Rohlings nach einem ersten Nachzieh-Vorgang; Fig. 7 eine teilweise geschnittene Ansicht des Rohlings nach einem zweiten Nachzieh-Vorgang; Fig. 8 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Rohlings nach einem ersten Einzieh-Vorgang; Fig. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Rohlings nach einem zweiten Einzieh-Vorgang; Fig. 10 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Rohlings nach einem dritten Einzieh-Vorgang; Fig. 11 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Rohlings nach einem End-Nachpreßvorgang; Fig. 12 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Hydraulikpresse bei einem Formvorgang.
In Fig. 1 sind schematisch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Erzeugung der in Fig. 11 gezeigten hohlen Rollen- oder Walzenwelle dargestellt. Wie man in Fig. 11 erkennt, ist die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Welle oder das Glied 10 ein längliches Glied mit einem zylindrischen Mittelkörperteil 12 und verjüngten (eingeengten) oder abgesetzten (necked down) zylindrischen Endteilen oder Lagerteilen 14,16. Der Übergang zwischen den End- oder Lagerteilen und dem Körperteil erfolgt durch eine Abschrägung 18 20 bzw. einen gekrümmten Teil 22,24. Innerhalb des Körperteils ist ein im ganzen zylindrischer, mittig angeordneter Innenhohlraum 26 angeordnet. Der Zweck dieses Hohlraums besteht darin, ein Reservoir für die Aufbewahrung eines Schmiermittels zu bilden, welches zu den Wellenlagerteilen mittels (nicht gezeigter) darin ausgebildeter Schmiermittelkanäle geführt wird. Ein Füllkanal 28 verbindet den Hohlraum mit dem Wellen äußeren, um das Füllen über einen (nicht gezeigten) Stop-£-en oder andere (nicht gezeigte) Ventilmittel zu erleichtern, die vorgesehen sind, um die Öffnung 30 im Ende -32 der We1le zu verschließen. Die erfindungsgemäßen Herstellungsschritte zur Ausbildung der Welle werden im folgenden beschrieben. Als erstes wird ein massiver zylindrischer Rohling oder Preßling 10a, wie in Fig. 2 gezeigt, bereitgestellt dadurch, daß beispielsweise eine Materiallänge von einem Stück eines Stangenmaterials abgeschnitten wird. Ein geeignetes Material wäre Kohlenstoffstahl, beispielsweise SAE 1042-Kohlenstoffstahl.
Als zweites wird der Rohling gesäubert, um Zunder, Oxydationsstoffe und Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Die Reinigung kann durch Kugelstrahlung des Rohlings erfolgen, worauf ein Waschvorgang in Wasser mit einer im Handel verfügbaren Seifenlösung erfolgen kann, um jegliche Oberflächenverunreinigung, wie beispielsweise Restöl oder anderes Schmiermittel, zu entfernen.
Als drittes wird der gesäuberte Rohling mit einem Schmiermittel überzogen. Es wurde festgestellt, daß das Eintauchen des gesäuberten Rohlings in eine im Handel verfügbare Kolloidgraphit-Verbindung ausreicht, um die Oberflächenreibung zu reduzieren und um eine Verbindung während der darauffolgenden Formvorgänge zu verhindern. Es können auch andere geeignete Schmiermittel verwendet werden. Nach dem Überziehen wird die Erwärmung des gereinigten und überzogenen Rohlings durchgeführt. Der Rohling wird in einem Ofen auf eine Temperatur von annähernd 14000Fahrenheit erhitzt. Der erhitzte Rohling wird sodann aus dem Ofen entnommen und in einer Presse angeordnet, wie sie beispielsweise in Fig. 12 dargestellt ist, wobei ein üblicher Stempel 34 und eine Formanordnung 36 verwendet wird, die Formblöcke 38,40 und Form 42 umfaßt.
Der erhitzte Rohling wird sodann in eine vorgeformte Gestalt oder Form gebracht, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, und einen Zapfen oder Lagerteil 14b, Ubergangsteile 18b,22b und einen Körperteil 12b aufweist. Das Stempelende form' auch Hohlraum 26b. Der Stempel wird sodann weitergeschaltet und durch einen mittig angeordneten zylindrischen Dorn 44 ersetzt, der einen Durchmesser gleich dem gewünschten Hohlraumdurchmesser besitzt. Sodann wird zur Ausformung der in Fig. 4 gezeigten Gestalt der Schritt des Rückwärts-Fließpressens des noch immer erhitzten vorgeformten Rohlings durchgeführt.
Der Dorn 44 wird sodann herausgezogen und durch einen Dorn 45 mit einem etwas kleineren Durchmesser ersetzt. Das Glied lOd wird sodann durch eine Strangpreßform 46 gezogen. Dieser Ziehvorgang vermindert die Wandstärke und verlängert das Glied 10d, wie in Fig. 5 zu erkennen ist. Dieser Vorgang bestimmt auch die nominellen Innen- und Aussendurchmesser (d.h. die Nenngrößen) der fertigen Welle. Nach diesem Vorgang wird die teilweise ausgeformte Welle in der zuvor erwähnten Weise mit Schmiermittel überzogen und durch Erwärmung auf eine Temperatur von annähernd 1400°Fahrenheit angelassen.
Der Dorn 45 wird sodann weitergeschaltet und durch einen Dorn 48 mit einem etwas kleineren Durchmesser als der Durchmesser von Dorn 45 ersetzt, und das Glied wird durch aufeinanderfolgend kleiner werdende Formungs- oder Preßformen 50, 52 gezogen, wie dies in Fig. 6 bzw. 7 zu sehen ist. Diese ersten und zweiten Nachziehvorgänge erzeugen ein reduziertes Endteil 16e bzw. 16f, wie dies in den Fig. 6 bzw. 7 dargestellt ist.
Das Glied lOg wird sodann durch Einziehen in ein geeignet geformtes Formstück 54 weiterverformt, um ein Teil 22g mit einem Verjüngungswinkel A von annähernd 130 zu bilden, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Nach dem erneuten Überziehen mit Schmiermittel und dem Anlassen bei 14000Fahrenheit in der oben erwähnten Weise wird die Verjüngung in Inkrementen erhöht und zwar durch zweite und dritte Einziehvorgänge in aufeinanderfolgenden Formstücken 56,58, um Verjüngungswinkel 23° von 23 bzw. 40 zu erzeugen.
Das Glied wird sodann in seine endgültige, in Fig. 11 gezeigte geformte Form durch einen Nachpreßvorgang ("coining") gebracht. Wenn erforderlich, kann noch eine Finish-Bearbeitung auf die endgültigen Toleranzen wahlweise durchgeführt werden, wic dies durch die gestricl1elten Linien in Fig. 1 angedeutet ist.
Der gemäß der Erfindung vorgesehene Gegenstand ist eine geformte, einstückige, hohle Rollenwelle von integraler einstückiger und homogener Konstruktion. Die Formung der Welle bewirkt verminderte Restbeansruchunqen und auch einen erhöh@en Abrieb sowie erhöhben Widerstand gegenüber einemAnsfall unter Belastung.
Wie ebenfalls angedeutet, können in der gleichen Weise dazwischenliegende örtliche Heizschritte vorgesehen sein, und zwar vor dem zweiten Nachziehvorgang und vor den Einziehvorgängen, um diese Vorgänge zu erleichtern. Die örtliche Erhitzung kann zweckmäßigerweise dadurch erreicht werden, daß man um das ganze Glied herum mit einer Flamme in den Zonen B,C, D und E heizt, wie dies in den Fig. 7-10 dargestellt ist.
Mit dem Ausdruck 2tNachziehen" ist einfach ein wiederholter Ziehvorgang bezeichnet. Mit dem Ausdruck " Rückwärts-Fließpressen" (Rückwärts-Extrudieren) ist das Extrudieren von Material um einen Dorn herum bezeichnet, wobei das Zusammendrücken zwischen einem Stempel an einem Ende und einem Dorn am entgegengesetzten Ende erfolgt, wobei der Dorn vorgeschoben wird und das Material um den Dorn herum nach hinten fliessen kann. Mit dem Ausdruck "Einzieh-Vorgang" ist die Verminderung von nur einem Teil einer speziellen Form bezeichnet, und zwar durch selektive Extrusion oder Pressen entsprechend der Form. Mit dem Ausdruck- nNachpreß-Vorgang" oder "Coining" ist die Kalt-Bearbeitung mittels eines Stempels bezeichnet, wobei das Metall vollständig innerhalb der Form umschlossen ist, wobei das Metall nur in dem durch die Gestalt der Form bestimmten Ausmaß fließen kann, nnd wobei keine Extrusion erfolgt.
Die bei manchen Bezugszeichen verwendeten kleinen Buchstaben bezeichnen die verschiedenen Bearbeitungszustände.
Leerseite

Claims

A N S P R Ü C H E )Vcrfahren zur Herstellung eines Gliedes, insbesondere einer Welle aus einem Rohling, gekennzeichnet durch Erhitzen des Rohlings (10a), Verformung des Rohlings (iOa) in ein Glied (1Q) mit einem erweiterten Mittelteil (12), abgesetzten Endteilen (14,16) und einem Innenhohlraum (26).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Formens das Ausformen des Rohlings (10a) in eine vorgeformte Form (10b) umfaßt, die einen erweiterten Mittelteil (12b), einen ersten abgesetzten Endteil (14b) und einen Hohlraum (26b) in dem Ende des Rohlings aufweist, der entgegengesetzt zum ersten abgesetzten Ende liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausformungsschritt ferner das Rückwärts-Fließpressen umfaßt um den Rohling (16b) zu verlängern und den darin befindlichen Hohlraum zu vergrößern.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausformschritt ferner den Ziehschritt umfaßt, um den Rohling (10c) weiter zu verlängern und den Hohlraum darin zu vergrößern.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Formungsschritt ferner den Schritt des Nachziehens des Rohlings umfaßt, um den Rohling (1 tod) weiter zu verlängern.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Formens ferner das Einziehen des Endes (16e) des Rohlings (1je) entgegengesetzt zum ersten abgesetzten Ende in einen zweiten abgesetzten Endteil umfaßt, wodurch ein vergrößerter Mittelkörperteil (12) zwischen den abgesetzten Endteilen definiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, gckennzeichnetdurch das Überziehen des Rohlings (zog) mit Schmiermittel und durch dessen Anlassen zur Beseitigung von Bearbeitungsbeanspruchungen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einziehschritt ferner zweite und dritte Einziehschritte umfaßt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Ausformens ferner das Nachpressen des Rohlings (10i) umfaßt, um die endgültige Form zu definieren.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Endbearbeitung des ausgeformten Rohlings (10) zur Herstellung der endgültigen Abmessungstoleranzen.
11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Nachziehens des Rohlings (10d) aufeinanderfolgende erste und zweite Schritte des Nachziehens des Rohlings umfaßt, um einen fortlaufend längeren Rohling (1 tod) zu erzeugen.
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt des örtlichen Erhitzens des Endteils (16) des Rohlings entgegengesetzt zum ersten abgesetzten Ende (14).
13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einziehen eine aufeinanderfolgende Vielzahl von Einziehschritten umfaßt, um einen fortlaufend größer werdenden Übergangswinkel zwischen dem Mittelkörperteil (12) und dem zweiten abgesetzten Ende (16) zu erzeugen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß drei. Einziel-Ischrittevorgesehen sind.
15. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Schritt te des örtlichen Erhitzens des zweiten abgesetzten Endteils (16) des Rohlings zur Erleiellterung des Forinvorganzes vor dein zweiten und dritten Einziehvorgang.
16. Verl-a!iren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den vorausgehenden Schritt des örtlichen Erhitzens des Endteils des Rohlilgs entgegengesetzt zum ersten abgesetzten Ende (14).
17. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte des Reinigens und überziehens des Rohlings (10a) mit einem Schmicrmittel vor dem Erhitzungsschritt.
18. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die vorangehenden Schritte des Überziehens des Rohlings (10d) mit Schmiermittel und durch das Anlassen, um die Beanspruchungen durch die Bearbeitung wieder freizugeben.
19. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied eine im ganzen zylindrische Welle (lote) ist und die abgesetzten Teile (14,16) im ganzen zylindrische erste und zweite Lagerteile (14,16) sind, und wobei das Einziehen des Rohlings einen Innenhohlraum (26) ausbildet, der zur Speicherung von Schmiermittel in dem Mittelteil (12) geeignet ist, und ferner einen im ganzen axial angeordneten Füllkanal (28) in dem zweiten Lagerteil (16) bildet, der den Hohlraum (26) mit dem Äußeren der Welle verbindet.
20. Geformte hohle Rollenwelle von integralem einstückigen Aufbau mit einem länglichen Glied mit einem zylindrischen Mittelkörperteil (12), der einen ersten Durchmesser definiert, und wobei sich von dem Mittelkörperteil aus zylindrische Lagerteile (14,16) von entgegengesetzten Enden aus erstrecken, und wobei die Lagerteile (14,16) jeweils einen Durc}messer definieren, der kleiner ist als der des J4.ittelkörperteils (12),und wobei die durch jeden Lagerteil definierten Durchmesser im wesentlichen gleich zueinander sind, und wobei ein Ubergangsteil (18,22) (20,24) zwischen jedem der Lagerteile (14,16) und dem Mittelkörperteil (12) ausgebildet ist, und wobei schließlich ein im ganzen zylindrischer mittig angeordneter Innenhohlraum (25) zur Aufnahme von Schmiermittel innerhalb des Mittelkörperteils (12) ausgebildet ist, wodurch Restbeanspruchungen reduziert werden und der Abriebswiderstand und der Widerstand gegenüber einem Ausfall bei Belastung erhöht wird.
21. Welle nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch einen Schmiermittelfüllkanal (28), der mittig in einem der Lagerteile (14,16) ausgebildet ist und den Hohlraum (26) mit dem Wellenäußeren verbindet, um das Füllen des Hohlraums mit Schmiermittel zu erleichtern, und wobei die Welle aus homogenem Kohlenstoffstahlmaterial besteht.
22. Welle nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Übergangsteile (18,22; 20,24), von denen jeder einen gekrümmten Teil (22,24) aufweist.
23. Welle nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Übergangsteile (18,22; 20,24) ferner eine Abschrägung (18,20) aufweist.
24. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling (10a) erhitzt ist.
25. Verfahren nach einem oder nehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückwärts-Extrudieren des noch immer erwärmten vorgeformten Rohlings mittles eines zylindrischen Dorns (44) erreicht wird, der einen Durchmesser gleich dem gewünschten Hohlraumdurchmesser besitzt.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (44) durch einen Dorn (45) mit einem etwas kleineren Durchmesser ersetzt wird, und daß das Glied sodann durch eine Extrusionsform (46) gezogen wird, um die Wandstärke zu vermindern und das Glied (10d) zu verlängern (Fig. 5).
27. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch erste und -zweite Nachziehvorgänge die reduzierten Endteile (16e, 16f) erzeugt werden.
28. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung in Inkrementen durch Einzieh-Vorgänge erhöht wird.
29. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß örtliche Erhitzungsschritte vor dem zweiten Nachzieh-Vorgang und vor den Einzieh-Vorgängen vorgesehen sein können.