DE3304310A1 - Werkzeuganordnung zum druecken einer zahnung - Google Patents

Description

HOEGER₁ STECL-RESm-A 'PARTNER

PATENTANWÄLTE UHLANOSTRASSE 1Λ c D 7OOO STUTTGART ·

A 4 5 518 b Anmelder: Ex-Cell-0 Corporation

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7. Februar 1983 Troy, Michigan 48084

USA

Werkzeuganordnung zum Drücken einer Zahnung

Die Erfindung betrifft eine Werkzeuganordnung zum Drücken einer Zahnung, insbesondere einer Keilverzahnung an einem zunächst hohlzylindrischen, rohrförmigen Werkstück mit mindestens einem Werkzeug, welches einen ein vorderes und ein hinteres Ende aufweisenden Grundkörper besitzt, der an einer Arbeitsfläche mit einer Vielzahl von Zähnen" versehen ist, und mit einem mit diesem Werkzeug zusammenwirkenden, drehbar gehalterten und an seiner Mantelfläche mit einer Zahnung versehenen Dorn, welcher sich beim Drücken im Inneren des Werkstücks befindet.

Es ist bekannt, bei der Herstellung von Kraftübertragungselementen mit einer Zähnung, insbesondere einer Keilverzahnung, eine Werkzeuganordnung mit zwei Zahnstangen-Werkzeugen und einem drehbaren Dorn zu verwenden, um in der Mantelfläche eines zunächst runden, rohrförmigen Bauteils eine Zahnung zu erzeugen. Dabei sind an dem Dorn Zähne vorgesehen, die den Zähnen entsprechen, welche an dem Werkstück hergestellt werden sollen. Die Zahnstangen-Werkzeuge und der Dorn sind Bestandteil einer Drückmaschine, an der die Zahnstangen-Werkzeuge gleitverschieblich antreibbar sind. Werkzeuganordnungen bzw. -Maschinen dieser Art sind beispielsweise in den US-PSen 3 994 237, 3 827 28o, 3 857 273, 3 9o2 349, 3 672 2o3 und 3 818 736 beschrieben. In diesen Druckschriften werden die verschiedenen Zahn-

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formen der Werkzeuganordnungen erläutert. Insbesondere beschreibt die US-PS 3 827 28o ein Zahnstangen-Werkzeug mit einem einlaufseitigen Bereich mit scharfen Zähnen, ähnlich wie die Zähne einer Feile, die geeignet sind, ein zylindrisches Werkstück zu erfassen, wobei sich an diesen einlaufseitigen Bereich drei Bereiche mit Zähnen anschließen, die geeignet sind, zunächst eine im wesentlichen zykloidische Zahnform zu erzeugen, aus welcher anschließend mittels zweier nachfolgender, gezahnter Bereiche die gewünschte Evolventenverzahnung erzeugt wird.

Ferner zeigt die US-PS 3 862 567 ein Werkzeug zum Drücken von Zahnungen mit ausgewählten Zähnen, die mit Kupfer, Silber, Gold oder anderen geeigneten Beschichtungsmaterialien plattiert sind, um den Verschleiß und die Ermüdung der Zähne zu verringern. Aus den genannten Patentschriften wird deutlich, daß am einlaufseitigen Teil des Werkzeugs Zähne vorgesehen sind, die bewußt so gestaltet sind, daß bei dem Abrollvorgang das Metall in geeigneter Weise allmählich verformt wird, um so die endgültige Zahnform zu erhalten, welche zur endgültigen Zahnform der Zähne des Werkzeugs konjugiert ist bzw. dieser entspricht.

Die US-PS 3 214 951 beschreibt ferner eine Vorrichtung, mit deren Hilfe am Umfang eines rohrförmigen Elements eine Keilverzahnung gerollt werden kann. Weiterhin beschreibt die auf einer späteren Anmeldung basierende US-PS 3 982 415 ein Zahnstangen-Werkzeug, welches in

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Verbindung mit einem Dorn mit Keilverzahnung dazu dient, in spezieller Weise eine Zahnung an einem Kraftübertragungselement zu erzeugen, welches direkt auf dem Dorn sitzt. Auch hier sind die Zähne des Zahnstangen-Werkzeugs derart unterschiedlich ausgebildet, daß sie das Metall schrittweise verforaen, um sowohl auf der Außenseite wie auch auf der Innenseite des Kraftübertragungselementes die gewünschte Zahnform herzustellen.

Beim Arbeiten mit Werkzeugen mit den zum Stand der Technik gehörigen Zahnformen zur Herstellung von Keilverzahnungen an zunächst rohrförmigen Kraftübertragungselementen zeigt es sich, daß die Wandstärken an der Vorderflanke einerseits und an der Rückflanke andererseits bei einem Zahn des Kraftübertragungselementes sehr unterschiedlich, beispielsweise um 50%, verschieden sein können, was aus verschiedenen Gründen unerwünscht und nachteilig ist.

Weiterhin hat es sich gezeigt, daß die Beule bzw. die Welle, die sich am Werkstück vor der. ersten, mit einer Zahnung versehenen Bereich des Werkzeugs bei den ersten 180° der Drehung des Werkstücks bildet, einen ungleichmäßigen Materialfluß zur Folge hat und folglich zu einem unrunden Werkstück führt.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Werkzeuganordnung anzugeben, mit deren Hilfe es möglich ist, ein ungleichmäßiges Fließen des Materials aufgrund der Beulenbildung

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am Werkstück zu Beginn eines Drückvorganges zu vermeiden und fertige, mit einer Zahnung versehene Werkstücke zu erhalten, bei denen keine Exzentrizitäten mehr vorhanden sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Werkzeuganordnung der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß am Werkzeug angrenzend an das vordere Ende desselben ein dem Festlegen des Werkstücks bezüglich des Dorns in radialer Richtung dienender Klemmbereich vorgesehen ist, dessen Arbeitsfläche nicht mit einer Zahnung versehen ist und auf den in Richtung auf das hintere Ende mindestens ein Bereich folgt, der an seiner Arbeitsfläche mit einer Zahnung versehen ist.

Der entscheidende Vorteil der Werkzeuganordnung gemäß der Erfindung bzw., genauer gesagt, der erfindungsgemäß ausgestalteten Zahnstangen-Werkzeuge besteht darin, daß durch die flache Klemm- bzw. Einlaufzone eine genaue Zentrierung des Werkstücks bezüglich des. Dorns erfolgt und daß ein Ausbeulen des Werkstücks ■■■.-. beim Eingreifen des ersten Zahns der Zahnstange vermieden wird, da das Werkstück in dem Bereich, in dem eine solche Beule bzw. Welle normalerweise auftreten würde, vom Klemmbereich des Zahnstangen-Werkzeugs gegen die Zähne des Dorns gedrückt wird, die vorzugsweise einen flachen Kopf besitzen. Auf diese Weise werden Exzentrizitäten der fertigen Werkstücke vermieden, und es wird ein gleichmäßiges Fließen des

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Materials des Werkstücks erreicht, so daß an den Vorderhand feuckilanken der am Werkstück hergestellten Zahnung e'irie' glelcnmäBige Wanästarke gefördert wird, insbesondere, wenn in Ausgestaltung der Erfindung/ angrenzend an* den^KiMraitfeereich," mehrere aufeinanderfolgende, mit einer"Zähnung 'versehene*Bereiche vorgesehen sind unl' Wenn die^iä^annforin in diesen Bereichen "entsprechend Sen^! ünteransprticken'^; ausgestaltet ist. lh" diesem"SNaIl' efreiBHt^mari^den^Vorteil^ dä^^: die Zähnung des Werk-" Stücks ⁴SOW¹OKl' 'auf'" o'er'" "Außenseite wie* "auch¹ auf der" Intieri'äeite aesselBen'sehf 'gleiö&aMßlg' fertiggesteilt' werden' kann. Außerdem'kann er'f indungsgemaß eine ernoäte'^:!Proäuktions$eschwinäigksit für "die" verbesserten, mit einer Zähnung versehenen Werkstücke erreicht werden. Erfihdürigsgemäß 'wird ferner durch die Art der Materialverformung eine höhere Festigkeit und damit eine höhere Lebensdauererwartung der Werkstücke erreicht. Schließlich ist auch die Werkzeuganordnung gemäß der Erfindung relativ billig herstellbar, dauerhaft, effektiv und zuverlässig.

Bei einer erfindungsgemäßen Werkzeuganordnung kann mindestens ein Zahnstangen-Werkzeug mit einem drehbaren, mit einer Zahnung versehenen Dorn zusammenwirken, wobei das Werkstück zwischen Zahnstangen-Werkzeug und Dorn unter Druck verformt wird. Durch die spezielle Ausgestaltung der einzelnen Gruppen von Zähnen an dem Zahnstangenwerkzeug wird das Material

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des Werkstücks im Verlauf eines Arbeitszyklus schrittweise gleichmäßig verformt, so daß insgesamt Werkstücke mit einer sehr gleichmäßigen Zahnung und mit einer sehr gleichmäßigen Wandstärke in allen Bereichen der Zähne erhalten werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand der UnteranSprüche. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht

der wesentlichen Teile einer Werkzeuganordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht des unteren

Zahnstangenwerkzeugs der Werkzeuganordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3A einen Teilquerschnitt durch das Werkzeug gemäß Fig. 2 in einem ersten Bereich;

Fig. 3B einen Teilquerschnitt durch das Werkzeug gemäß Fig. 2 in einem zweiten Bereich;

Fig. 3C einen Teilquerschnitt durch das Werkzeug gemäß Fig. 3 in einem dritten Bereich;

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Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch eine Werkzeuganordnung gemäß Fig. 1 mit Einzelheiten der Halterung und der Befestigung für den Dorn und des darauf sitzenden Werkstücks;

Fig. 5 einen Teilquerschnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 4 längs der Linie 5-5 in dieser Figur;

Fig. 6 einen Teilquerschnitt mit einem ersten mit Zähnen versehenen Bereich des Werkzeugs, mit einem Teil des damit zusammenwirkenden Doms und mit dem zwischen diesen beiden Teilen befindlichen Werkstück;

Fig. 7 einen Teilquerschnitt durch ein

Werkstück, welches in dem Vorrichtungsteil gemäß Fig. 6 verformt wurde;

Fig. 8 einen Teilquerschnitt durch einen zweiten, mit Zähnen versehenen Bereich des Werkzeugs und durch die angrenzenden Teile des Doms und des Werkstücks;

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Fig. 9 einen Tei!querschnitt durch das

Werkstück, welches mit den Vorrichtungsteilen gemäß Fig. 8 verformt wurde;

Fig. Io einen Teilquerschnitt durch einen

weiteren, mit Zähnen versehenen Bereich des Werkzeugs mit den angrenzenden Teilen des Werkstücks und des Doms, und

Fig. 11 einen Teilquerschnitt durch das

Werkstück nach dem Durchlaufen des Vorrichtungsteils gemäß Fig. Io und

Fig. 12 einen Teilquerschnitt durch den

eine flache Arbeitsfläche aufweisenden Klemmbereich des Werkzeugs mit den angrenzenden Teilen des Werkstücks und des Dorns.

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Im einzelnen soll nachstehend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand vor. Fig. 1 bis 4 näher erläutert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine spezielle Werkzeugkonstruktion zum Fertigen zweier identischer Zahnstangen-Werkzeuge 10 und 12 vorgesehen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind. Derartige .Werkzeuge 10, 12 können in Verbindung mit einem mit einer Zahnung versehenen Dorn 94 dazu verwendet werden, an einem zylindrischen, hohlen Werkstück 16 eine Keilverzahnung oder eine andere Verzahnung, herzustellen. Das Werkstück 16 besitzt typischerweise einen ersten rohrförmigen Abschnitt 16a mit einen größeren Durchmesser und einen zweiten rohrförmigen Abschnitt 16b mit einem kleineren Durchmesser sowie einen in radialer Richtung verlaufenden Flansch 16c, über den die beiden rohrförmigen Abschnitte 16a und 16b miteinander verbunden sind. Beim betrachteten Ausführungsbeispiel wird eine Zahnung am ersten rohrförmigen Abschnitt 16a erzeugt.

In der US-PS 3 214 951, auf die hiermit ausdrücklich verwiesen wird, ist eine Maschine gezeigt, in der zwei Zahnstangen-Werkzeuge gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem mit einer Zahnung versehenen Dorn verwendet werden können, um aus einem hohlzylindrischen Rohling ein Werkstück mit einer Zähnung zu erzeugen. Die Werkzeuge gemäß der Erfindung können jedoch auch bei anderen bekannten und dafür geeigneten Maschinen verwendet werden.

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Im allgemeinen wird das Werkstück 16, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, zwischen einem oberen Werkzeug 10 und einem unteren Werkzeug 12 gemäß der Erfindung angeordnet, wobei diese Werkzeuge 10, 12 in Fig. 1 in der Position gezeigt sind, die sie zu Beginn eines Arbeitszyklus einnehmen, in dessen Verlauf am Umfang des ersten Abschnitts 16a des Werkstücks 16 eine Zahnung erzeugt wird. Dabei ist das Werkstück 16 beim Drücken der Zahnung mit Hilfe der in ?ig. 4 gezeigten Einrichtungen so gelagert, daß es um seine Längsachse drehbar ist. Gemäß Fig. 4 sitzt das Werkstück 16 auf einem Abstreiferkopf 100, an dem es rr.it Hilfe eines Sicherungselementes 102 festgelegt is-. Die Einzelheiten einer solchen Konstruktion finden sich in der US-PS 3 214 951 und brauchen daher hier nicht mehr erläutert werden. Der Abstreiferkopf '00 selbst ist ähnlich wie bei der aus der US-PS 4 ""8 790 bekannten Konstruktion an einer Stange 96 der Abstreifervorrichtung befestigt.

Das untere Werkzeug 10 und das obere Werkzeug 12 sind in der Zeichnung als identische Zahns-angen-Werkzeuge dargestellt, deren Zahnungen einander zugewandt sind, um auf die Umfangsflache des rohrförmigen Abschnitts 16a des Werkstücks 16 einwirken zu können. Die Werkzeuge 10, 12 sind in bekannter Weise in Längsrichtung beweglich; ihre Bewegungsrichtung ist in Fig. 1 für den Verformungsvorgang mit Pfeilen angedeutet.

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Die Werkzeuge 10 und 12 sind mittels zugehöriger Autriebseinrichtungen in bekannter Weise in entgegengesetzter Richtung antreibbar. Zur Synchronisation der Bewegungen der Werkzeuge 10 und 12 und der Drehung des Garns 94 ist ein Synchronisier-Zahnrad 93 vorgesehen, welches auf einer Welle 97 sitzt. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Zahnungen der Werkzeuge 10 und 12 exakt mit der Zahnung des Dorns 94 fluchten.

In Fig. 2 und 3A bis C sind die verschiedenen Abschnitte jedes Werkzeugs und die Zahnformen für die einzelnen, in Längsrichtung der Werkzeuge aufeinanderfolgenden Abschnitte erkennbar. Wie Fig. 2 zeigt, besitzt das Werkzeug 10 (das Werkzeug 12 ist identisch ausgebildet) ein vorderes Ende 60, an welches sich ein erster Abschnitt mit einer Arbeitsfläche 80 anschließt, die eine Länge von etwa 2 Zähnen aufweist und vorzugsweise flach und ohne irgendwelche Zähne ausgebildet ist. Die Arbeitsfläche 80 dient dazu, das Werkstück 16 am Dorn 94 festzuklemmen und das Ausbeulen zu verhindern, das im Werkstück aufgrund des ersten Kontakts mit den Werkzeugen bei seiner Drehung um die ersten 180° auftreten kann. Zahnform-Werkzeuge mit einer speziellen Folge von mit einer Zahnung versehenen Bereichen sind in einer gleichzeitig eingereichten Anmeldung der Anmelderin beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.

Aus Fig. 2 und 3A bis 3C wird deutlich, daß die Arbeitsfläche angrenzend an das vordere Ende 60 des Werkzeugs eine Klemmfläche bildet, die etwa zwei Zähne lang ist und die etwa in einer Ebene mit dem Außendurchmesser bzw. der Mantelfläche des rohrförmigen Abschnitts 16a

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liegt/ wenn sich das Werkstück 16 auf dem Dorn 94 befindet. Der Zweck für den flachen, keine Zahnung aufweisenden Klemmbereich 80 vor dem ersten gezahnten Bereich 82 des Werkzeugs besteht darin, ein Ausbeulen des Materials des Werkstücks beim ersten Auftreffen eines Zahn des Werkzeugs auf das Werkstück zu verhindern. Bei Beobachtungen des Drück-, Roll- bzw. Prägevorgangs mit einer Hochgeschwindigkeitskamera wurde nämlich festgestellt, daß das relativ dünne Material des hülsenförmigen Werkstückabschnitts 16a beim ersten Kontakt mit einem Zahn des Zahnstangenwerkzeugs stets in radialer Richtung von den Zahnköpfen des Dorns abhebt, wobei sich eine in radialer Richtung vorstehende Beule bzw. Welle ergibt, die vor dem ersten Zahn des Zahnstangen-Werkzeugs liegt. Diese Ausbeulwirkung setzt sich über die gesamten ersten 180° des Werkstücks 'fort, wenn dieses auf einem Dorn sitzt und ■ mit zwei einander gegenüberliegenden Zahnstangen-Werkzeugen bearbeitet wird. Dieser Ausbeuleffekt ist aber außerordentlich nachteilig, da er ein ungleichmäßiges Fließen des Werkstückmaterials zur Folge hat und punktuell zu einer übermäßigen Materialansammlung führt, so daß sich am Werkstück zwei unrunde Stellen ergeben bzw. zwei Exzentrizitäten, die beim gesamten Drückvorgang erhalten bleiben, wenn man nicht in nachfolgenden Bereichen der Zahnstangen-Werkzeuge für gewisse Korrekturmaßnahmen sorgt. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Klemmbereich wird das Ausbeulen von Anfang an auf ein Minimum reduziert bzw. völlig vermieden, da die betreffenden Bereiche des Werkstückabschnitts 16a gegen die Köpfe der Zähne des Dorns gedrückt und vorzugsweise in Kontakt mit diesen gehalten werden, während der erste Zahn des Werkzeugs

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in das Material eindringt, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist, wo der Abschnitt 16a gegen den flachen Kopf 18a eines Zahns 18 des Dorns gedrückt wird.

Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäß erreichbare Führungs- bzw. Klemmwirkung das Ausbeulen des Werkstückmaterials im wesentlichen vollständig verhindert, so daß Exzentrizitäten des fertigen Werkstücks vermieden werden. Dabei kann der Klemmbereich beispielsweise durch Abschleifen der ersten beiden Zähne des Bereichs 82 bis auf die Ebene der Zahnwurzeln hergestellt werden.

Der erste Werkzeugabschnitt mit der ebenen Arbeitsfläche 80 endet an einer Linie 62. Ihm folgt ein zweiter Abschnitt 82, der bis zu einer Linie.64 reicht und an seiner Arbeitsfläche mit sechs Zähnen versehen ist, die eine bezüglich ihrer senkrechten Mittelliniesymmetrische Zahnform besitzen,, wie dies in Fig. 3A gezeigt ist. Im einzelnen zeigt Fig. 3A ganz links einen Zahn 40, der im Querschnitt einem gotischen Spitzbogen ähnelt und eine gewölbte Vorderflanke 40a sowie eine gewölbte Rückflanke 40b besitzt. Die Flanken 40a und 40b stoßen oben an einer Zahnspitze 41 zusammen und definieren eine Zahnhöhe H zwischen der Spitze 41 und der Zahnwurzel, welche etwa 85%, typischerweise zwischen 80 und 90%, der vollen konjugierten Zahnhöhe beträgt, die in dem Werkstück 16 entwickelt werden soll. Der Krümmungsradius R der Flanken 40a, 40b beträgt in beiden Fällen etwa 3,3 mm,

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und zwar für die ersten sechs Zähne. Wie Fig. 3A zeigt, besitzt der Zahn 4 0 die größte Höhe, während die Höhe der beiden weiteren in der Zeichnung gezeigten Zähne 32 und 30 um den Betrag B bzw. A geringer ist. Dabei unterscheiden sich A und B um etwa 0,05 mm. Wenn die Höhendifferenz A also 0,3 mm beträgt, dann beträgt die Höhendifferenz B etwa 0,25 mm, und die übrigen Zähne unterscheiden sich in ihrer Höhe jeweils ebenfalls wieder um etwa 0,05 mm, bis der dem Zahn 40 vorausgehende Zahn (nicht dargestellt) eine um 0,05 mm geringere Höhe hat als der Zahn 40. Der Zweck des einlaufseitigen Abschnitts 82 besteht darin, den relativ dünnen Mantel des rohrförmigen Werkstückabschnitts 16a schrittweise und gleichmäßig immer tiefer zu verformen, und zwar im wesentlichen im Bereich der Mittellinie des Zahnzwischenraums zwischen den angrenzenden Zähnen des Doms 94. Der einlaufseitige Abschnitt 82 erweist sich auch als günstig für das Freigeben des mit einer Zahnung versehenen Werkstücks, wenn dieses nach Passieren des vorderen Endes 6 0 des Werkzeugs aus der Zahnformvorrichtung ausgeworfen werden soll. Im Abschnitt 82 sind also die Zähne ähnlich wie Spitzbogen ausgebildet und enden in einer hinreichend ausgeprägten Spitze, beispielsweise in der Spitze 41. Die Zahnspitze könnte jedoch bei im übrigen gleicher Zahnform auch mit einem anderen Radius gebildet oder leicht abgeflacht werden. Die besten Ergebnisse werden jedoch mit der Spitzbogenform und mit den angegebenen Radien erzielt. Der nächste Abschnitt 84 der Arbeitsfläche, welcher zwischen der Linie 64 und einer Linie 66 liegt, umfasst etwa 18 Zähne, die alle die Höhe H haben und alle die Spitzbogenform des Zahns 40 gemäß Fig. 3A aufweisen. Die Abschnitte 82 und 84 bilden einen ersten Bereich, in dem das Werkzeug 10 bzw. 12 symmetrische Zähne besitzt.

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Der nächste Abschnitt 86 des Werkzeugs, welcher zwischen der Linie 66 und einer Linie 68 liegt, umfasst 18 asymmetrische Zähne, wie sie in Fig. 3B gezeigt sind. In diesem Abschnitt 86 liegt die Zahnhöhe H¹ bei etwa 96% der vollen konjugierten Zahnhöhe. Man sieht, daß die Zähne 42 bis 48 eine hintere Flanke, z.B. 44b, besitzen, zu der ein großer Krümmungsradius R gehört, der im wesentlichen qleich dem Krümmungsradius der Flanken der Zähne des Abschnitts 82 ist, d.h. etwa 3,3 mm beträgt, wie bei dem Zahn 40 in Fig. 3A. Wie dies für den Zahn 44 gezeigt ist, besitzt jedoch die Vorderflanke 44a ein Teilstück mit einem kleinen Radius R¹, der nur etwa 1,27 mm beträgt und damit konjugiert zur Vorderkante des in dem Werkstück erzeugten Zahns ist, wie dies nachstehend noch erläutert wird. Vorzugsweise ist das Teilstück 44c der Vorderflanke der Zähne im Abschnitt 86 ebenfalls konjugiert zur Vorderflanke des zu drückenden Zahnes. Der Radius r am Fuß der Zähne ist längs des gesamten Werkzeugs entsprechend der Zahnform der zu drückenden Zähne gewählt. Der Abschnitt 86 bildet einen zweiten Bereich des Werkzeugs.

Auf den Abschnitt 86 folgt als dritter Bereich ein Abschnitt 88, der von der Linie 68 bis zu einer Linie 70 reicht und an seiner Arbeitsfläche mit Zähnen 50 bis 58 versehen ist (Fig. 3C) , derer. Form der Zahnform der zu drückenden Zähne völlig entspricht, wobei die Zähne 50 bis 58 zu ihren mit strichpunktierten Linien eingezeichneten Mittelachsen symmetrisch sind und an der Vorderflanke sowie an der Rückflanke jeweils einen Bereich mit einem Krümmungsradius R' von etwa 0,14 mm aufweisen, wobei am Fuß der Zähne jeweils ein Krümmungsradius r vorhanden ist. Die Höhe H" der Zähne wird mit 100%, bezogen auf die Höhe der übrigen Zähne des Werkzeugs, angenommen. Insgesamt, sind in dem Abschnitt 88 etwa 24 Zähne vorgesehen.

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An den Abschnitt 88 schließt sich als vierter Bereich ein Abschnitt 89 an,der von der Linie 70 bis zu einer Linie 71 reicht und etwa 24 Zähne umfasst, welche die symmetrische, zu der herzustellenden Zahnform konjugierte Zahnform der Zähne 50 bis 58 aufweisen, mit dem einzigen Unterschied, daß die Zähne des Abschnitts 89 an den Flanken und an der Zahnwurzel gegenüber den Zähnen 50 bis 58 hinterfräst bzw. hinterschnitten sind, beispielsweise mit einem Maß von etwa 0,076 mm. Dies bedeutet, daß die Zahnhöhe im Abschnitt 89 um etwa 0,076 mm höher ist als die Zahnhöhe K" im Abschnitt 88 und daß die Kopfhöhe ebenfalls um etwa 0,076 mm höher ist. Für die Zahnhöhe im Abschnitt SS kann somit ein Wert von 102% angenommen werden. Die (oberen) Eckradien der Vorderflanke und der Rückflanke der Zähne im Abschnitt 89 haben denselben Wert wie bei den Zähnen 50 bis 58, nämlich einen Wert von etwa 0,14 mm. Die Zähne ; des Abschnitts 89 dienen dem Zweck, den Metallmantel . am kleineren (inneren) Durchmesser zu "bügeln" bzw.- ' zu richten, nachdem durch die Zähne .des vorangehenden Abschnitts das Eindrücken bzw. Prägen der Zähne am Werkstück erfolgt ist.

Ein Endabschnitt 90 des Werkzeugs, der von der Linie 71 zum hinteren Ende 72 desselben reicht, besitzt an seiner Arbeitsfläche etwa sechs Zähne. Diese Zähne haben die gleiche Form wie sie ir. Fig. 3C gezeigt ist_r mit dem Unterschied, daß die Zahnköpfe, beginnend mit .dein sechsten Zahn vom hinteren Ende 7 2 aus gesehen, schräg nach hinten verlaufen (Hinterschneidunc bzw. Abschräcung von etwa 0,05 mm),so

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daß der letzte Zahn des Abschnitts 90 eine Höhe hat, die um etwa 0,025 mm niedriger ist als die Höhe H". Mit anderen Worten hat also der letzte Zahn eine Höhe von etwa 93% der vollen Höhe der Zähne 50 bis 58.

Man sieht, daß mit Ausnahme der Abschnitte 82 und die Zahnkopf linie, in jedem mit Zähnen versehenen Abschnitt vorzugsweise konstant ist, obwohl sich die Lage der Zahnfußlinie von einem Abschnitt zum nächsten ändern kann. Die lineare Teilung für alle Zähne der Werkzeuge 10 und 12 ist gleich und so gewählt, daß die gewünschte Zahnform am Abschnitt 16a des Werkstücks erzeugt wird. Die Zahnform und die Zahnkreisteilung am Dorn 94 hängt vom inneren Querschnitt bzw. von der gewünschten inneren Zahnform ab und ist mit der Zahnform an den Werkzeugen 10 und 12 in bekannter Weise verknüpft.

Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Zahnform-Vorrichtung

Bei den vorbekannten, der Zahnform gemäß Fig. 3C ähnlichen Zahnform der Zahnstangenwerkzeuge trifft die Ecke mit dem kleinen Radius R' an der Vorderflanke zuerst auf die Mantelfläche des Werkstücks 16. Dabei wird das Werkstück bezüglich des zugeordneten Zahnzwischenraumes am Dorn in eine exzentrische Lage geschlagen, was zu einem Klemm- bzw. Fangeffekt ■ führt,, bei dem das Metall ungleichmäßig in den Zahnzwischenraum des Doms gezogen wird, wobei nach Beendigung des

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Rollvorgangs eine ungleichmäßige Zahnform erhalten wird. Insbesondere ist die Vorderkante bzw. -flanke des fertigen Zahns am Werkstück dicker als dessen Hinterflanke. Zur Kompensation des exzentrischen anfänglichen Druckkontaktes und der ungleichmäßigen Verformung bzw. des ungleichmäßigen Fließens des Metalls/ das in diesem Fall auftritt, wurde gemäß Fig. 3A in Kombination mit dem Klemmbereich 80 ein Spitzbogenprofil verwendet, bei dem die einzelnen Zahnspitzen den richtigen Abstand aufweisen, welcher dem Teilkreis der zu drückenden Zähne entspricht. Die Bewegung des Werkzeugs in das Werkstück fahrt in diesem Fall (vgl. Fig. 6 u. 12) dazu, daß das Werkstückmaterial an der Vorderflanke und an der Rückflanke in gleicher Weise verformt wird und im wesentlichen in die Mitte des Zahnzwischenraums 25 zwischen den benachbarten Zähnen 24 und 2 6 des Dorns gedrückt wird. Wie Fig. 6 zeigt, hat der Zahn 36 des Werkzeugs 12 das Teiistück 16a des Werkstücks in gleichmäßiger Weise irr. wesentlichen in der Mitte zwischen den Zähnen 24 und 26 des Dorns verformt. Da außerdem die Höhe des Zahns nur 85% der vollen konjugierten Höhe beträgt, ergibt sich ein gleichmäßiges Strecken bzw. Fließen der Umfangsflache des Werkstücks, während eine starke Streckung an der Rückflanke und eine relative Stauchung an der Vorderflanke des Zahns vermieden wird. Wie Fig. 7 zeigt, besitzt das Werkstück 16a¹ anschließend eine gleichmäßig gewellte Oberfläche bzw. ein zykloidartiges Querschnittsprofil und eine gleichmäßige, vorläufige Zahnform. Fia. δ zeiot das Werkzeuc 12 und den Dorn

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mit dem dazwischen befindlichen Vierkstück 16a'. Die Zähne 4 2 bis 48 haben die in Fig. 3B gezeigte asymmetrische Form. Der Dorn 94 kann die konjugierte Zahnform mit der vollen Tiefe besitzen, wie sie bei den Zähnen 22' bis 28' gezeigt ist. Man sieht, daß die Vorderflanke des Zahns 4 6 des Werkzeugs die volle konjugierte Vorderflankenform mit der einen kleinen Radius aufweisenden Kante besitzt und bewirkt, daß das Material des.Werkstücks an ausgewählten Stellen des gewellten Profils fließt, und zwar an der Vorderflanke, welche gegen die Vorderflanke der Zähne des Dorns gedrückt wird. Aufgrund dieses Effektes wird der gleichmäßige Wand- bzw. Zahnquerschnitt geschaffen, der angestrebt wird. Die Höhe des Zahns beträgt gemäß Fig.3B etwa 96% der vollen konjugierten Zahnhöhe. Dieses Fließen des Werkstückmaterials in die in Fig. 9 gezeigte Form des Werkstücks 16a" führt zu einer solchen Verformung der Vorderflanke der Zahnform, daß in (fiesem Bereich bei der nächster. Bearbeitungsstufe im wesentlichen kein zusätzliches Strecken oder Fließen eintritt. Das Ausformen des restlichen Teils des Werkstückprofils erfolgt gemäß Fig. Io mit Hilfe der Zähne 5o bis 58, die mit den Zähnen 22" bis 2S" zusammenwirken, wobei sich das Werkstück 16" zwischen der. Werkzeug 12 und dem Dorn S4 befindet. Man sieht, daß die Zähne 5c bis 5ε die Zähne des Werkstücks bis auf die volle Tiefe drücken, wie dies in Fig. 3C für die Zähne des Abschnitts 88 gezeigt ist. Es wird also nunmehr die endgültige Form der Rückflanke und des Kopfes der Zähne des Werkstücks hergestellt, indem das Material des Werkstücks zur Anlage an die entsprechenden Teile

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der Zähne des Doms 94 gebracht wird, wobei die Werkstückform 16"' gemäß Fig. 11 erhalten wird. Mit den Zähnen des Abschnitts 89 wird die Zahnform schließlich geglättet und gerichtet.

Zusammenfassend kann man feststellen, daß durch die Zähne des Abschnitts 8 2 mit der Zahnform gemäß Fig. 3A in einem ersten Schritt ein gewelltes Werkstückprofil erhalten wird. Dabei wird das Werkstück am Umfang gleichmäßig gestreckt und geformt, wobei der erste Kontakt zwischen den Zähnen des Zahnstangen-Werkzeugs und dem Werkstückmaterial zumindest in der Nähe der Mitte des angrenzenden Zahnzwischenraums des Doms erfolgt. Auf. diese Weise wird eine gleichmäßige, im wesentlichen zentrale Verformung des Werkstücks erreicht, während dieses in engen Kontakt mit den Zähnen des Doms gebracht wird. Mit den Zähnen des nächsten Abschnitts des Zahnstangenwerkzeugs, deren Form in Fig. 3B gezeigt ist, wird dann eine Formung der Vorderflanke.. der herzustellenden Zahnform durchgeführt, wobei die Streckung des Materials, da das Werkstück zuvor in die gewellte Form gebracht wurde, nicht besonders groß ist, so daß die Form der Vorderflanke entsprechend der Zahnform des Doms genau erzeugt werden kann. Die Hinterflanke der Zähne am Werkstück bleibt dabei zunächst noch in der im ersten Schritt hergestellten Form» Obwohl bei diesem Arbeitsgang eine geringfügige Ver- . größerung der Zähne des Werkstücks eintritt, wird das Material an der Hinterflanke hierdurch nicht dünner. Mit der in Fig. 30 gezeigten konjugierten Zahnform

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des Zahnstangen-Werkzeugs werden dann am Werkstück die Form-des Zahnkopfes und der Rückflanke erzeugt, wobei am Werkstück die volle konjugierte Zahnform erhalten wird. Es hat sich gezeigt, daß durch Einsatz der erfindungsgemäßen Werkzeuge anstelle der früher verwendeten Werkzeuge eine Verbesserung hinsichtlich der Gleichförmigkeit der Wandstärke an den Vorder- und Rückflanken des Werkstücks erreicht werden kann. Erfindungsgemäß liegen die Toleranzen der Wandstärke in einem Bereich von 2 bis 3%, während bisher Toleranzen zwischen 75 und 100% üblich waren. Wenn also von einem zylindrischen Rohling mit einer Wandstärke von etwa 2 mm ausgegangen wird, dann wurde bisher an cer Vorderflanke eine Wandstärke von etwa 1,8 mm und an der Rückflanke eine Wandstärke von etwa 1,0 mrr. erhalten. Bei Einsatz der erfindungsgemaßen Werkzeuge schwankte die Wandstärke zwischen der Vorderflanke einerseits und der Rückflanke andererseits zwischen etwa. 1,07 und 1,17 mir., wobei arr. Werkstück die korrekte Zahnform sowohl hinsichtlich der Innenfläche als auch hinsichtlich der Außenfläche erhalten wird.

Nach Beendigung des Drück- bzw. Rollvorganges wire der Abstreiferkopf loo über die Stange 96 betätigt (vgl. Fig. 4), un das fertige Werkstück von dem Dorn abzustreifen und auszuwerfen. Eine entsprechende Abstreifervorrichtung ist in der US-PS 4 178 79o beschrieben. Während der Bearbeitung wird das Werkstück mit Hilfe des Elementes Io2 gesichert, welches eine Vertiefung 98 zur Aufnahme und zum Führen des

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Abschnitts 16b des Werkstücks 16 besitzt. Diese Art der Sicherung des Werkstücks ist aus der US-PS 3 214 951 bekannt.

Vorstehend wurde eine Werkzeuganordnung beschrieben, die zum Herstellen eines Kraftübertragungselementes mit einer Keilverzahnung oder einer Zahnradverzahnung geeignet ist. Weiterhin wurde ein Werkzeug beschrieben, mit dem Zähne am Umfang eines rohrförmigen Werkstücks gedrückt werden können und welches mit einem mit einer Zahnung versehenen, drehbar gehalterten Dorn zusammenwirken kann, wobei das Werkstück zwischen dem Zahnstangen-Werkzeug und dem Dorn angeordnet ist. Das Zahnstangen-Werkzeug besitzt einen Grundkörper mit einem flachen Klemmbereich am vorderen Ende und mit einer Arbeitsfläche, an der eine Vielzahl von Zähnen vorgesehen ist.

I Dabei sind die Zähne in einem ersten, zwischen dem vor- j

deren und dem hinteren Ende liegenden Bereich symmetrisch ] ausgebildet und besitzen Vorder- und Rückflanken,die so ausgebildet sind, daß das Werkstück gleichmäßic verformt wird. In einem zweiten, zwischen diesem ersten Bereich und dem hinteren Ende des Werkstücks liegenden Bereich sind asymmetrische Zähne vorgesehen, deren Vorderflanke der Vorderflanke der herzustellenden Zähne entspricht, so daß mit ihrer Hilfe am Werkstück die Vorderflanke der dort herzustellenden Zähne im wesentlichen fertiggestellt werden kann, während die Hinterflanke der Zähne in diesem Bereich eine ähnliche Form hat wie die Hinterflanke der Zähne in dem ersten Bereich. In einem dritten Bereich, der zwischen dem

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zweiten Bereich und dem hinteren Ende liegt, entspricht die Form der Zähne vollständig der Form der am Werkstück herzustellenden Zähne (konjugierte Form). In einem vierten Bereich, welcher sich daran anschließt, haben die Zähne wieder diese konjugierte Form, jedoch mit dem Unterschied, daß die Zahnflanken und die Zahnfüße hinterschnitten sind, so daß das Werkstück in den Bereichen mit kleinerem Durchmesser geglättet und gerichtet werden kann, nachdem es den dritten Bereich durchlaufen hat. In einem letzten Abschnitt des Werkzeugs haben die Zähne dann eine schrittweise abnehmende Höhe, damit das Werkstück gegen Ende der Betätigung der Werkzeuganordnung freigegeben wird. Während gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Geradverzahnung vorgesehen ist bzw. erzeugt werden kann, können unter Anwendung der vorstehend erläuterten Grundprinzipien der Erfindung in entsprechender Weise auch Werkzeuge mit Schrägverzahnung zur Herstellung einer Schrägverzahnung an einem Werkstück entwickelt werden. In diesem Fall sind die Werkzeugzähne dann schräg zu den Seitenflächen der Werkzeuge bzw. zur Bewegungsrichtung derselben orientiert. Ausgehend vom Stand der Technik und dem vorstehend beschriebenen Ausführungsr beispiel stehen dem Fachmann also zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müsste.

Claims (1)

1. ο ν»*»!_, ¹^ £ f% ,oii

   ■ J P ATENT AN W Ä U T E

   14 c ■ D 700G STUTTGART 1

   A 45 518 b Anmelder: Ex-CeIl-O Corporation

   k *> 176i iv . ■■ : i - 28-5S-:eoo3tiager,-;- .- ■■:■-"■ 3.-Februar 1983 Trby/Michigan 48084

   7, fe^lirfi^ft ΐ!νοΐ l·

   Patentansprüche

   Werkzeuganordnung zum Drücken einer Zahnung, ins-Ö*dööfiäere^Jieirlii:^i:Kexiver2ähriung "aü^"einem'zunächst. höh'!z'^liridrischeh, *'io'hrförmige'n l"7eflistuck' Ifiit * mifi'destens einem Wersseug, weiches einen ein "vor-"äs^e'ig^ürih^'eiii^'hi'ntärßä"Encle"'aüfv/fe'isönä^n Grüniä™" körper besitzt, der an einer Arbeitsfläche mit einer Vielzahl von Zähnen versehen ist^, und mit einem mit diesem Werkzeug zusammenwirkenden, drehbar gehalterten und an seiner Mantelfläche mit einer Zahnung versehenen Dorn, welcher sich beim Drücken im Inneren des Werkstücks befindet, dadurch gekennzeichnet, daß am Werkzeug (10, 12) angrenzend an das vordere Ende (60) desselben ein dem Festlegen des Werkstücks (16) bezüglich des Dorns (94) in radialer Richtung dienender Klemmbereich (80) vorgesehen ist, dessen Arbeitsfläche nicht mit einer Zahnung versehen ist und auf den in Richtung auf das hintere Ende (72) mindestens ein Bereich (82 bis 90) folgt, der an seiner Arbeitsfläche mit einer Zahnung versehen ist.

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   2. Werkzeuganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht mit einer Zahnung versehene Klemmbereich (20) flach ausgebildet und in einer zumindest im wesentlichen tangential zum Außendurchmesser des Werkstücks (16) liegenden Ebene angeordnet ist. *

   3. Werkzeuganordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Klemmbereichs (80) etwa zwei Zahnlängen eines mit einer Zahnung versehenen Bereichs (82 bis 90) beträgt.

   4. Werkzeuganordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, mit einer Zahnung versehene Bereiche (82 bis 90) vorgesehen sind, daß ein erster, mit einer Zahnung versehener Bereich (82, 84) zwischen dem Klenmbereich (80) und dem hinteren Ende (72) des Werkzeugs (10, 12) angeordnet ist, daß die Zähne (30, 32, 40) des ersten Bereichs (82, 84) jeweils so ausgebildet sind, daß das Werkstück (16) mit ihrer Hilfe gleichmäßig in den Zwischenraum zwischen benachbarten Zähnen (22 bis 28) des Doms (94) hinein verformbar ist, daß ein zweiter,mit einer Zahnung versehener Bereich (86) vorgesehen ist, der zwischen dem ersten Bereich (82, 84) und dem hinteren Ende (72) des Werkzeugs (10, 12) angeordnet ist, daß die Zähne (42 bis 48) des zweiten Bereichs (86) derart asymmetrisch ausgebildet sind, daß sie im wesentlichen dieselbe Vorderflankenform

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   besitzen wie die am Werkstück (16) herzustellenden Zähne und eine Rückflankenform, die im wesentlichen gleich der Rückflankenform der Zähne (30, 32, 40) im ersten Bereich (82, 84) ist,und daß zwischen dem zweiten Bereich (86) und dem hinteren Ende (72) des Werkzeugs (10, 12) ein dritter, mit einer Zahnung versehener Bereich (88) vorgesehen ist, dessen Zähne (50 bis 58) derart ausgebildet sind, daß sie der Form der am Werkstück (16) herzustellenden Zähne entsprechen.

   5. Werkzeuganordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (30, 32, 40) des ersten, mit einer Zahnung versehenen Bereichs (82, 84) Vorder- und Rückflanken aufweisen, die so ausgebildet sind, daß sie einen Spitzbogen definieren.

   6. Werkzeuganordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (30, 32, 40) des ersten, mit einer Zahnung versehenen Bereichs (82, 84) eine Höhe zwischen 80 und 90% der vollen Zahnhöhe der im Werkstück (16) herzustellenden Zähne besitzen.

   7. Werkzeuganordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an das hintere Ende (72) des Werkzeugs (10, 12) ein vierter, mit einer Zahnung versehener Bereich

   (90) vorgesehen ist, welcher mindestens sechs Zähne umfasst, deren Höhe sich, ausgehend von

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   der vollen Höhe der im Werkstück herzustellenden Zähne in Richtung auf das hintere Ende (72) des Werkzeugs (10, 12) schrittweise verringert.

   8. Werkzeuganordnung nach einem der Ansprüche 4 bis

   7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen der Zähne im ersten und zweiten Bereich (82, 84 bzw. 86) unterhalb der Spitzen der Zähne im dritten Bereich (88) liegen und daß die Spitzen der Zähne im ersten Bereich (82, 84) tiefer liegen als die Spitzen der Zähne im zweiten Bereich (86).

   9. Werkzeuganordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

   8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnung am Dorn (94) durch Zähne mit einem flachen Kopf gebildet ist und daß das Werkstück (16) derart zwischen dem Werkzeug (10, 12) und dem Dorn (.94) festlegbar ist, daß der Klemmbereich (80) zu Beginn eines Drückvorganges über einem flachen Kopf des Dorns (94) liegt.

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