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Plastisches Formverfahren für Metalle
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Die Erfindung bezieht sich auf ein plastisches Formverfahren für
einMetall, das sich zum gleichzeitigen Formen einer Anzahl von Zähnen wenigstens
am Innenumfang eines Rohlings eignet.
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Als Maßnahmen zum Formen von Zähnen an einem Metalle ring oder Nuten
zur Bildung einer Verzahnung sind viele Verfahren weithin bekannt, z. B. eines,
nach dem man einen Zahnradfräser verwendet, womit ein solcher Metallring oder Zahnradrohling
zu einem Körper mit Zähnen oder Nuten verarbeitet wird, und ein anderes Verfahren,
nach dem Zähne oder Nuten in einem Metallring oder Zahnradrohling durch Kaltstrangpressen
erzeugt werden. Bei diesen Verfahren muß eine Bearbeitungszugabe für das verarbeitete
Werkstück vorgesehen werden, und das entsprechende überschußmaterial wird abgeschabt,
um das verarbeitete Werkstück
in die gewünschte Endgestalt bringen
zu können.
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Hiermit ist jedoch ein Anstieg der Abfallmenge verbunden, so daß diese
Arbeitsweise vom Standpunkt des wirtschaftlichen Einsatzes von Rohstoffquellen unerwünscht
ist.
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Hinsichtlich der sparsamen Nutzung von Rohstoffen ist zweifellos ein
unten beschriebenes Kaltstrangpreßverfahren vorteilhafter. Dieses Kaltstrangpreßverfahren
übertrifft die anderen bei der Bildung von Zähnen einfacher Gestalt, neigt jedoch
dazu, kein befriedigendes Ergebnis zu liefern, wenn die Bildung von Zähnen komplizierter
Gestalt erforderlich ist. Selbst wenn befriedigende Erzeugnisse auf diesem Weg erhältlich
sind, erleiden die bei diesem Verfahren verwendeten Formen leicht Schäden, die zu
einer verkürzten Betriebslebensdauer und damit zu niedriger Produktivität führen.
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Selbstverständlich ist es unter dem Gesichtspunkt des wirtschaftlichen
Rohstoffeinsatzes unerwünscht, ein in diesem Sinn vorteilhaftes Erzeugnis unter
Preisgabe eines anderen Vorteils zu fertigen. Es ist daher anzustreben, ein Erzeugnis
bei sparsamem Materialverbrauch ohne Preisgabe bisher erzielter Vorteile herzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Formen
von Zähnen an einem Metallkörper anzugeben, nach dem sich eine verläßliche Herstellung
solcher Erzeugnisse mit reproduzierbar guter Qualität erreichen läßt, die Betriebslebensdauer
der Formen gegenüber dem Stand der Technik verlängert ist und eine erhöhte Fertigungsproduktivität
erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird ein plastisches Formverfahren mit folgenden
Verfahrensschritten zur Verfügung gestellt: Man legt einen Rohling in eine Matrizenform
ein und preßt ihn ohne Ausübung einer Kraft wenigstens auf die Böden von Patrizenzähnen
einer Patrizenform derart, daß eine plastische Verformung des Rohlings radial nach
innen und/ oder außen bewirkt und dadurch der Rohling in eine gewünscht Gestalt
geformt wird, wobei Rohstoff gespart wird, die Betriebs lebensdauer der verwendeten
Formen erhöht und die Präzision der Erzeugnisse verbessert ist.
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Gegenstand der Erfindung, womit die genannte Aufgabe gelöst wird,
ist ein plastisches Formverfahren, nach dem ein Metallrohling unter plastischer
Verformung zur Erzeugung komplizierter Profile rings um seinen äußeren und seinen
inneren Umfang formgepreßt wird, mit dem Kennzeichen, daß das Pressen des Rohlings
zu dessen plastischer Verformung ohne Einwirkung einer wesentlichen Kraft wenigstens
auf die Böden der Nuten von Patrizenzähnen einer Patrizenform erfolgt.
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Die Erfindung gibt also ein plastisches Formverfahren für Metalle
an, nach dem man einen Rohling in eine erste Matrizenform in Kontakt mit deren Zähnen
einlegt, die zur Begrenzung der Außenumfangsgestalt des Rohlings geeignet sind,
wobei der Rohling auf der Oberseite der Matrizenzähne einer zweiten, unter der ersten
Matrizenform angeordneten Matrizen form gehalten wird, und man dann die Patrizenzähne
einer Patrizenform in den Rohling derart einpreßt, daß der Unterschied zwischen
dem Radius eines Formpuffers und dem Radius der Patrizenform, von
der
Achse der Patrizenform zum Boden einer Zahnnut derselben gemessen, gleich der oder
größer als die plastische Verformung des Rohlings in Radialrichtung ist, wodurch
der Rohling in die gewünschte Gestalt geformt wird, ohne daß eine Kraft auf-den
Boden der Patrizenzahnnut einwirkt.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele, die sich auf die Herstellung eines Kommutators aus einem ringförmigen
Körper beziehen, näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1 eine Perspektivansicht eines
fertigen Kommutators aus einem ringförmigen Körper; Fig. 2 eine Perspektivansicht
eines dazu verwendbaren Rohlings; Fig, 3 eine großenteils geschnittene Ansicht zur
Veranschaulichung des Verfahrensschritts des Einlegens des Rohlings in eine Form;
Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3; Fig. 5 einen Querschnitt
nach der Linie V-V in Fig. 3; Fig. 6 eine großenteils geschnittene Ansicht der Anordnung
während des Preßvorgangs im Rahmen des Formverfahrens; Fig. 7 einen Querschnitt
nach der Linie VII-VII in Fig. 6;
Fig. 8 eine großenteils geschnittene
Ansicht zur Veranschaulichung des Abschlusses des Preßvorgangs; Fig. 9 einen vergrößerten
Querschnitt eines wesentlichen Teils des Rohlings und der Formen, worin die plastische
Verformung des Rohlingsmaterials beim Preßvorgang veranschaulicht ist; Fig. 10 einen
vergrößerten Querschnitt eines wesentlichen Teils des Rohlings und der Formen nach
einem anderen Ausführungsbeispiel, worin ebenfalls die plastische Verformung des
Rohlings beim Preßvorgang veranschaulicht ist; Fig. 11 einen vergrößerten Längsschnitt
des wesentlichen Teil von Fig. 6; Fig. 12 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines
Vergleichs der Betriebs lebensdauer von Formen; und Fig. 13 ein Diagramm zur Veranschaulichung
eines Vergleichs der Menge des verbrauchten Materials.
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Es sollen nun bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung
näher erläutert werden. Die gezeigten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines geformten
Kommutators
aus einem ringförmigen Körper. Man sieht in Fig. 1 einen Kommutator 1 aus einem
ringförmigen Kupferkörper mit einer Mehrzahl von Zähnen (Schleifsegmenten) 2 an
seiner Innenwand. Die Mehrzahl von Zähnen 2 wird geformt, indem man in der Innenwand
des ringförmigen Rohlings eine Mehrzahl von axial erstreckten Nuten 3 mit stoßkeilförmigem
Querschnitt formt, wobei jede solche Nut 3 axial erstreckte Nuten 3A in ihren Seitenwänden
aufweist. Die Zähne 2 wechseln mit Wulstbereichen 4 an der Außenumfangsfläche des
Kommutators 1 ab.
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Der Kommutator 1 aus dem ringförmigen Körper der beschriebenen Gestaltung
wird durch Kombination folgender Verfahrensschritte erhalten.
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Man erkennt in Fig. 3 eine zweite Matrizenform 5 mit Matrizenzähnen
5A, auf deren Oberseite eine erste Matrizenform 6 mit Matrizenzähnen 6A konzentrisch
dazu fest angeordnet ist. Die erste Matrizenform 6 muß auf der zweiten Matrizenform
5 mit ihren Matrizenzähnen 6A radial auswärts der Matrizenzähne 5A der letzteren
ausgerichtet angeordnet werden.
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Man erkennt außerdem einen Formpuffer 7, der unter Federdruck in
der Richtung eines Pfeils P steht und in gleitender Passung zu den Matrizenzähnen
5A gehalten wird.
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Außerdem ist eine Patrizenform 8 vorgesehen, die Patrizenzähne 8A
von stoßkeilförmigem Querschnitt aufweist und dessen Kernstange 8B gleitend in einem
zylindrischen Fürungshohlraum 7A des Formpuffers 7 eingepaßt ist. Die Patrizenform
8 muß über dem Formpuffer 7 mit einem Spalt g angeordnet werden, der auf jeden Fall
geringer als ein
Spalt g1 zwischen dem unteren Ende der Kernstange
8B und dem Boden des Hohlraums 7A ist.
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Der Radius R1 der Patrizenzähne 8A, von der Achse der Patrizenform
zur Spitze eines Zahnes gemessen, ist geringer als der Radius R2 der Matrizenform
6, vom Boden einer Zahnnut zur Achse der Form gemessen, während der Radius R der
Patrizenform, vom Boden einer Zahnnut zur 3 Achse der Patrizenform gemessen, geringer
als der Radius R4 der Matrizenform 5, von der Spitze eines Zahnes 5A zur Achse der
Form gemessen, und auch kleiner als der Radius R5 der Innenoberfläche des Kommutators
1 aus dem ringförmigen Körper ist, der bei der Auslegung desselben bestimmt wurde.
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Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung legt man einen ringförmigen
Rohling 9 nach Fig. 2 in die erste Matrizenform 6 ein, wobei der Boden des Rohling
die Oberseite der Matrizenzähne 5A der zweiten Matrizenform 5 berührt. Man preßt
die Patrizenform 8 mittels einer Preßmaschine nach unten, wobei die Kernstange 8B
längs des zylindrischen Führungshohlraums 7A abgesenkt wird, bis der Spalt. g zwischen
der Patrizenform 8 und dem Formpuffer 7 null wird. Wenn der Spalt g null wird, senkt
man die Kernstange 8B zusammen mit dem Formpuffer 7 gegen die auf diesen wirkende
Federkraft weiter, wie durch Fig.
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6 veranschaulicht wird. Infolgedessen werden die Patrizenzähne 8A
zum Eindringen in die Innenwand des Rohlings 9 getrieben, wodurch der Rohling einer
plastischen Verformung in der Richtung zum Ausfallen eines von der Matrizenform
6 und der Patrizenform 8 definierten Raumes unterworfen wird. Der Zustand bzw. Vorgang
der plastischen Verformung
des Rohlings ist in Fig. 9 veranschaulicht.
Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, ist der Radius R der Zahnnutenböden der 3 Patrizenform
8 kleiner als der Radius R5 der Innenoberfläche des aus dem ringförmigen Körper
gebildeten Kommutators 1, der beim Entwurf festgelegt wurde, so daß dazwischen ein
Raum 10 verbleibt.
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Infolgedessen wird der Rohling 9, wenn er von den Patrizenzähnen
8A gepreßt wird, plastisch in der Weise verformt, daß ein Teil des Materials, wie
durch den Pfeil P angedeutet ist, zum Fließen in den Raum 10 konform zum Umriß der
Patrizenzähne 8A gebracht wird, während der andere Teil des Materials, wie durch
den Pfeil P2 angedeutet ist, zum Fließen in den Raum gebracht wird, der von der
Spitze jedes Patrizenzahns und dem Hohlraum für den Matrizenzahn 6A definiert ist,
ohne daß eine Belastung auf die Formen einwirkt, wodurch der Rohling ohne Schädigung
der verwendeten Formen zur gewünschten Gestalt geformt wird.
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Das Prinzip der Erfindung soll noch anhand der Fig. 10 erläutert
werden. Der genannte Raum 10 ist groß genug, daß das Rohlingsmaterial den Nutenbodendurchmesser
R3 der Patrizenform 8 nicht berührt. Dank des Raumes 10 läßt sich eine Konzentration
von Beanspruchung am Bodenbereich der Patrizenzänne vermeiden, und daher bleibt
die Biegebean-2 spruchung M1 im Bodenbereich bei 0 kg/mm . So wird der Ansatzteil
jedes Patrizenzahnes 8A gegen Bruch geschützt.
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Ein solches Biegemoment ist andernfalls ein ernstliches Hindernis
für das Preßformverfahren im Fall eines Erzeugnisses mit komplizierter Gestaltung,
insbesondere mit Zähnen an seinen Seitenbereichen.
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Der Vorgang der plastischen Formung des Rohlings ist in Fig. 11 näher
veranschaulicht. Zwischen dem Radius R3 der Zahnnutenböden der Patrizenform 8 und
dem Radius R6 des Außenumfangs des Formpuffers 7 verbleibt ein Abstandsraum Q, der
mindestens größer als die Weite b der plastischen Verformung des Rohlings ist. Wenn
die Patrizenzähne 8A gegen den Rohling 9 gepreßt werden, wird ein Fließen des Rohlings
in den Raum entsprechend den Pfeilen P1, P2 verursacht, wo geringe Widerstände auftreten,
bis die äußere plastische Verformung des Materials durch die Matrizenzähne 6A blockiert
wird und die innere plastische Verformung des Materials endet, wobei ein Bodenraum
t übrigbleibt, wenn der Rohling plastisch geformt wird. Die Weite 5 der plastischen
Verformung des Materials wird auf Basis des Verhältnisses des Volumens des zu formenden
Rohlings zum Volumen der Hohlräume bestimmt. Der Rohling wird also in der beschriebenen
Weise ohne Berührung des Bodens der Patrizenzähne 8A zur gewünschten Gestalt geformt.
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Während des Formvorganges wird der Formpuffer 7 gleitend in der Matrizenform
5 eingepaßt gehalten, und die Patrizenform 8 wird gleichfalls in gleitender Einpassung
darin konzentrisch zum Formpuffer gehalten, so daß der Spalt zwischen den zusammenwirkenden
Formen konstant gehalten wird und man so ein Erzeugnis gleichmäßiger Dicke erhält.
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Wenn die Patrizenform aufwärts herausgezogen wird, nachdem das plastische
Formen beendet ist, zieht man sie vom Formpuffer zusammen mit dem geformten Rohling
ab. Die Patrizenform 8 ist so eingerichtet, daß sie vom Formpuffer 7 trennbar ist
und ein Raum zwischen dem Rohling und der Patrizenform bleibt, so daß keine Gefahr
besteht, daß der geformte ROhling zur Zeit des Herausziehens beschädigt
wird.
Gleichzeitig mit dem Abziehen der Patrizenform 8 vom Formpuffer 7 wird dieser unter
der Federwirkung in seine Ausgangsstellung für einen weiteren Formzyklus nach oben
getrieben. Zu dieser Zeit ist die Patrizenform 8 vom Formpuffer 7 getrennt, und
der geformte Rohling ist aus der Patrizenform entnommen, so daß die Patrizenform
8 die Stellung für den anschließenden Formzyklus wieder einnehmen kann. Durch Vorsehen
eines Spielraumes am Boden jedes Patrizenzahns wird die Gefahr einer Schädigung
der Form vermieden, die ein schon lange existierendes Problem auf dem Fachgebiet
darstellte, und man erhält ein Erzeugnis von hoher Präzision zu verringerten Fertigungskosten
und ohne Materialverschwendung.
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Bei dem in Fig. 11 veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die
plastische Verformung des Rohlingsmaterials sowohl innenseitig als auch außenseitig
des Rohlings bewirkt, jedoch versteht man ohne weiteres, daß eine plastische Verformung
des Rohlings auch nur entweder an der Innenseite oder an der Außenseite erfolgen
kann, wie in Fig. 10 veranschaulicht ist, wobei das gleiche gute Ergebnis erzielt
wird.
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Die Lebensdauer der zum Formen des Kommutators 1 aus dem ringförmigen
Körper nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Formen ist in Fig. 12 zum
Vergleich mit der zum bekannten Formverfahren verwendeten Formen veranschaulicht.
Das Diagramm zeigt, daß in dem Fall, wo die plastische Verformung des Rohlings unter
Belassung von Zwischenräumen sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite
des Rohlingslbewirkt wird, die Lebensdauer
der Form um das 50fache
derjenigen einer Form verlängert ist, bei der nach dem Stand der Technik ein solcher
Raum nicht vorgesehen ist. Schließlich sollen noch die Gewichte der erforderlichen
Rohlinge verglichen werden. Wenn man annimmt, daß das Gewicht eines Rohlings zur
Herstellung eines Erzeugnisses durch spanabhebende Bearbeitung 100 % beträgt, so
findet man, daß das Gewicht eines Rohlings zur Herstellung eines Erzeugnisses nach
dem erfindungsgemäßen Formverfahren, wenn innenseitig und außenseitig des Rohlings
die erwähnten Räume belassen werden, um 60 % auf nur 40 % des erstgenannten Gewichts
verringert ist, während im Fall eines Rohlings mit nur innenseitigem Spielraum eine
Verringerung um 40 % auf 60 % erzielt wird. Dies zeigt klar, daß das erfindungsgemäße
Verfahren erhebliche Materialsersparnisse bringt.
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Die beschriebene Anordnung mit der bestimmten Kombination von Patrizenform
und Formpuffer trägt zur Verlängerung der Betriebslebensdauer der Formen bei verbessert
die Präzision des Erzeugnisses und deren Verformbarkeit und gewährleistet eine ausgezeichnete
Produktivität der Fertigung.
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Die Ausführungsbeispiele sind für den Fall erläutert und dargestellt,
daß ein Kommutator aus einem ringförmigen Körper geformt wird. Das erfindungsgemäße
Verfahren läßt sich jedoch auch zum plastischen Formen einer Innengetriebeverzahnung
entsprechend anwenden.