DE3442021A1

DE3442021A1 - Verfahren und vorrichtung zum schmieden eines hohlen rohlings

Info

Publication number: DE3442021A1
Application number: DE19843442021
Authority: DE
Inventors: Shinichi Higashimatsuyama Saitama Ando; Kazuhisa Saitama Kumekawa
Original assignee: Jidosha Kiki Co Ltd
Current assignee: Jidosha Kiki Co Ltd
Priority date: 1983-11-16
Filing date: 1984-11-16
Publication date: 1985-06-05
Also published as: US4561274A; DE3442021C2; JPS60108132A

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE 3 4 4 2 ü L I

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN

DIPL.-INe. K. FCICHSLE ■ DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. QORe

DIPL.-ΙΝΘ. K. KOHLMANN . RECHTSANWALT A. NETTE

41 082

JIDOSHA KIKI CO., LTD.,
Tokyo / Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Schmieden eines hohlen Rohlings

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmieden eines hohlen Rohlings und mehr insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche bevorzugt bei der Herstellung einer Zahnstange verwendet werden.

Im Stand der Technik gibt es eine Vielzahl von Techniken, welche im Zusammenhang mit der Herstellung einer Zahnstange aus einer Hohlstange vorgeschlagen wurden, um das Gewicht der Stange zu reduzieren. Ein Zahnstangenrohling wird auf einer Hohlstange hergestellt und nachfolgend eine Stahlstange einer Größe in einen Teil des Zahnstangenrohlings eingesetzt, wo die Zahnstange verformt werden soll, die mit dem Innendurchmesser des hohlen Abschnitts des Rohlings übereinstimmt, Dies ergibt sich aus der Japanischen Offenlegungsschrift 195960/1982 und der Japanischen Offenlegungsschrift 206 546/1982. Alternativ kann ein Material unbestimmter Gestalt, wie Sand, in den hohlen Innenraum des Zahnstangenrohlings eingefüllt werden, wie dies in der Japanischen Offenlegungsschrift 93 537/1983

^ABELLASTRASSE 4 . D-8OOO MÜNCHEN 81 · TELEFON CO893 911O87 · TELEX 5-29619 CPATHEJ · TELEKOPIERER 918356

offenbart ist. Der sich ergebende Zahnstangenrohling wird daraufhin in einer Ausnehmung einer Untermatrize befestigt. Dann wird ein Stempel verwendet, um eine plastische Verformung eines Bereiches des Zahnstangenrohlings zu ver-Ursachen, welcher zu bearbeiten ist, um so Zahnstangenzähne auszubilden.

Bei diesen herkömmlichen Schmiedeverfahren muß bei der Verwendung einer Zahnstange zum Ausfüllen des Inneren des Zahnstangenrohlings die Stahlstange innerhalb des Bereiches des Zahnstangenrohlings verbleiben, wo die Zähne nach der Vervollständigung der Zahnstangenzähne ausgebildet werden. Wenn alternativ Sand verwendet wird, muß ein Abschlußstopfen in dem Bereich der Zahnstange verbleiben, wo die Zähne ausgebildet sind, welcher Stopfen die Sandmenge innerhalb des hohlen Innenraums des Rohlings hält. In jedem Fall verbleibt die Stahlstange oder der Stopfen innerhalb der Zahnstange und beeinträchtigt den eigentlichen Zweck des hohlen Rohlings hinsichtlich der Reduzierung des Gewichtes der Zahnstange.

Eine herkömmliche Vorrichtung zur Herstellung einer Zahnstange ist später anhand von Fig. 1a und 1b näher beschrieben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmieden eines hohlen Rohlings zu schaffen, mit denen das Gewicht der Zahnstange auf optimale Weise reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Innere eines hohlen Rohlings mit einem flüssigen Druckmedium gefüllt wird und dieses Druckmedium abgedichtet von diesem Innenraum eingeschlossen wird, wonach ein Außendruck auf den hohlen Rohling aufgebracht wird. Der Druck des flüssigen Mediums wird als Innendruck aufrechterhalten,

und widersteht dem von außen auf den Rohling aufgebrachten Druck. Während der plastischen Verformung des hohlen Rohlings wird ein Teil des Druckmediums nach außen abgegeben .
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Der erfindungsgemäß eingesetzte Rohling bedarf keiner vorherigen genauen Bearbeitung. Außerdem wird das Erfordernis des Entfernens eines Grates vom fertiggestellten Gegenstand vermieden. Schließlich kann die beabsichtigte Gewichtsreduzierung tatsächlich erzielt werden, da kein Mittel in dem fertiggestellten Gegenstand verbleiben muß, der vorher dazu benutzt wurde, dem von außen aufgebrachten Druck entgegenzuwirken.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt:

Fig.1a und Fig. 1b schematisch einen Teil einer herkömmlichen Vorrichtung zum Schmieden einer Zahnstange, worin Fig. 1a eine Vorrichtung des geschlossenen Typs und Fig. 1b eine Vorrichtung des halbgeschlossenen Typs zeigt, jeweils im Querschnitt, 25

Fig. 1c einen Querschnitt einer durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1b hergestellten Zahnstange,

Fig. 2a einen Längsschnitt einer Vorrichtung entsprechend der Erfindung,

Fig. 2b eiae Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in Fig. 2a,

Fig. 2c eine fragmentarische Ansicht der in Fig. 2a dargestellten Vorrichtung im vergrößerten Maßstab,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Preßdruckes und

des Innendruckes des Preßmediums während des Vorgangs der Herstellung einer Zahnstange mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei deren Steigungsmuster dargestellt sind,

Fig. 4 eine Längsschnittansicht einer Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Druckmuster

ähnlich denen der Fig. 3, jedoch erzielt durch die Vorrichtung der Fig. 4.

In Fig. 1a und Fig. 1b ist eine herkömmliche Vorrichtung zum Herstellen einer Zahnstange dargestellt. Die in Fig.1a dargestellte Anordnung repräsentiert eine Schmiedevorrichtung des sogenannten geschlossenen Typs mit einem Zahnstangenrohling 2, welcher innerhalb einer Ausnehmung einer unteren Matrize 1 angeordnet ist. "Dieser Rohling wird von einer oberen Matrize 3 unter Druck gesetzt, welche dicht passend in die Ausnehmung eingesetzt ist, um dadurch die Zahnstangenzähne auszubilden. Diese Anordnung macht es erforderlich, daß der Zahnstangenrohling 2 zuvor auf eine hohe Genauigkeit gefinisht wird, da während der plastischen Verformung kein Platz für den Verbleib von Metallen des Zahnstangenrohlxngs 2 vorhanden ist. Eine Anordnung gemäß Fig. 1b zeigt eine Schmeidevorrichtung des sogenannten halbgeschlossenen Typs, bei dem ein Zahnstangenrohling 2' in einer Ausnehmung einer unteren Matrize 1' liegt, wobei der Zahnstangenrohling teilweise in der unteren Matrize 1¹ freiliegt. Die obere Matrize 3¹ hat an ihrer Unterseite ebenfalls eine Ausnehmung, in der ein Zahnprofil ausgebildet ist. Die obere Matrize 3' ist auf den freiliegenden Teil des Zahnstangenrohlings 2 aufgesetzt. Wenn die obere Matrize 3¹ in den Rohling ge-

drückt wird, so verbleibt ein Freiraum zwischen der oberen und unteren Matrize, um einen Raum vorzusehen, in dem das Metall während der plastischen Verformung verbleiben kann. Dadurch werden Quetschgrate 2'a gebildet. Diese Anordnung eliminiert das Erfordernis einer vorherigen genauen Bearbeitung des Zahnstangenrohlings 2'. Jedoch resultiert dies nachteilig in einer verminderten Produktionsausbeute, da der Grat in einem besonderen Vorgang entfernt werden muß (siehe Fig. Ic).

Nun wird auf die Zeichnungen Fig. 2 bis 5 Bezug genommen. Fig. 2a, 2b und 2c zeigen eine Vorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2a ist dabei eine Längsschnittansicht und Fig. 2b eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in Fig. 2a.

Die Vorrichtung umfaßt eine Untermatrize 1 und ein Paar von Seitenmatrizen 2, 3, welche dicht gegen die entgegengesetzten Längsendflächen der Untermatrize gehalten werden, um

20^so eine Ausnehmung zu bilden, von der ein Zahnstangenrohling 4 aufgenommen wird. Beide Seitenmatrizen 2,3 sind mit einem kleinen Loch 2a bzw. einer Öffnung 3a versehen, von denen beide horizontal verlaufen. Das Loch 2a steht mit einer Leitung 2b für ein Druckmedium in Verbindung, während ein dem Druck widerstehendes Ventil 5 verschiebbar passend in die Öffnung 3a eingesetzt ist. Eine Blattfeder 6 liegt an der Außenseite des Ventils 5 an und stützt somit elastisch nachgiebig gegen eine Gleitbewegung des Ventils solange, bis der Innendruck feinen bestimmten, auf das Ventil 5 wirken-

ggden Druck überschreitet.

Fig. 2c zeigt die relative Disposition der Seitenmatrize 3, des Ventils 5 und der Blattfeder 6. Insbesondere umfaßt das Ventil 5 einen Flansch 5a, welcher dicht gegen die Seiteng₅matrize 3 gehalten wird, und zwar mit einem dazwischen angeordneten Dichtglied 7, um eine hermetische Dichtung auf-

rechtzuerhalten. Das Ventil 5, welches in die von der Seitenmatrize 3 gebildete Öffnung 3a eingesetzt ist, ist mit einem zylindrischen Abschnitt 5b versehen, in dem ein kleiner Schlitz 5c ausgebildet ist. Dieser Schlitz befindet sich am Ende der Seitenmatrize in der Nahe des Flansches 5a. Die Anordnung ist so getroffen, daß eine Verbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Ventils 5 eingerichtet wird als Resultat der Schiebebewegung des Ventils 5 nach rechts, wenn der auf das Ventil 5 wirkende Innendruck einen bestimmten Wert überschreitet.

Wenn folglich ein Flüssigkeitsdruckmedium durch die Leitung 2b injiziert wird, kann das Medium den hohlen Innenraum des Zahnstangengliedes füllen, welches in der Untermatrize 1 angeordnet ist. Obwohl dies nicht dargestellt ist, ist es verständlich, daß die Leitung 2b eine Einrichtung aufweist, welche das Druckmedium unterbricht. In Fig. 2a ist ersichtlich, daß die Blattfeder 6 an einem Paar von Stützgliedern 6¹ verankert ist.

Oberhalb der Untermatrize 1 . ist ein Teil vorgesehen, welches eine Obermatrize bildet. Diese Obermatrize 8 umfaßt einen Stempel 9., dessen Unterseite ein Zahnprofil aufweist, um in der Zahnstange die Zahnstangenzähne auszubilden. Außerdem weist die Obermatrize einen Halter auf, welcher den Stempel 9 fest trägt. Die Unterseite des Halters 10 trägt eine Halterung 11 mit einer dazwischen angeordneten Feder 12. Die Halterung 11 befindet sich in Anlagerung an den Stempel 9 und ist relativ zu diesem verschiebbar. Wenn dementsprechend die Obermatrize 8 heruntergedrückt wird, um einen Preßvorgang eines Bereiches 4a des zu bearbeitenden Zahnstangenrohlings 4 vorzunehmen, drückt die Halterung elastisch nachgiebig gegen einen nicht bearbeiteten Bereich 4b des Rohlings 4 und hält diesen in Position.

Nachfolgend wird nun anhand von Fig. 2 und 3 das Herstellungsverfahren für eine Zahnstange beschrieben. Der

Zahnstangenrohling 4 einer bestimmten Größe, welcher von einem hohlen Teil gebildet wird, wird in einen Raum eingesetzt, welcher durch die Untermatrize und die beiden Seitenmatrizen 2,3 begrenzt wird. Das Ventil 5 wird in die Seitenmatrize 3 eingesetzt. Das Ventil 5 wird in einem solchen Ausmaß eingesetzt, daß der Schlitz 5c, welcher im Ventil 5 ausgebildet ist, zur Atmosphäre frei liegt. Öl, welches als flüssiges Druckmedium dient, wird in den hohlen Innenraum des Zahnstangenrohlings 4 durch die Leitung 2b eingespritzt, soudaß die Innenluft durch den Schlitz 5c herausgeschoben wird. Nachdem festgestellt worden ist, daß das Innere des Rohlings vollständig mit Öl gefüllt ist, wird das Ventil 5 dichtend in die Seitenmatrize 3 eingesetzt und die Blattfeder 6 so angebracht, daß sie am Ventil 5 anliegt. Daraufhin wird die Obermatrize 8 abgesenkt, um den Formvorgang des Bereichs 4a des Zahnstangenrohlings einzuleiten. Wie in Fig. 3 graphisch dargestellt ist, nimmt der Öldruck im hohlen Innenraum einen Wert P. (kg/cm²) an, wenn das Öl eingespritzt wird.

Wenn der Preßdruck graduell zunimmt, nimmt der Öldruck innerhalb des hohlen Innenraumes zu, wenn der vorgenannte Wert einen Wert P~ (kg/cm²) überschreitet und eine plastische Verformung des Rohlingbereiches 4a einleitet. Der Öldruck erreicht einen Wert P, (kg/cm²), wenn der Preßdruck auf einen Wert P. (kg/cm²) zunimmt. Der Innendruck mit einem Wert P_ (kg/cm²) verursacht ein Verschieben des Ventils 5 nach außen gegen die elastische Nachgiebigkeit der Blattfeder 6, so daß der darin ausgebildete Schlitz 5c frei liegt und ein Abgeben des Öls durch diesen Schlitz erlaubt. Es ist festzustellen, daß die Menge einer derartigen Ölabgabe gleich dem Volumen ist, um den der Stempel 9 in den Zahnstangenrohling 4 vorgeschoben worden ist, um so den Öldruck auf dem konstanten Wert von P- (kg/cm²) zu halten, unabhängig von der Zunähme des Preßdruckes. Der Preßdruck nimmt nicht länger

zu, wenn der Stempel 9 seinen Maximalhub erreicht hat. Somit ist der Enddruck P₁- (kg/cm²) wirksam, um die Zahnstangenzähne auszubilden. Nachfolgend wird die Obermatrize angehoben, um dadurch den Vorgang zu vollenden. 5

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung die Möglichkeit schafft, Zahnstangenzähne hoher Genauigkeit auszubilden, indem ein Zahnstangenrohling 4 verwendet wird, welcher nicht auf eine besondere Genauigkeit bearbeitet sein muß, und zwar bei einem geschlossenen Schmiedevorgang. Außerdem wird die Ausbildung von Graten vermieden, indem ein hohles Teil verwendet wird, welches innen mit Öl gefüllt ist, so daß, wenn der Öldruck einen bestimmten Wert während des Schmiedevorganges der Zahnstangenzähne überschreitet, das Öl in einer Menge abgegeben wird, die der Größe der Deformation des Rohlings entspricht. Dementsprechend wird der beim herkömmlichen Verfahren notwendige nachfolgende Entgratungsschritt vermieden und es werd^en somit durch die Erfindung Schmiedemittel vorgesehen, welche den Formungsvorgang erleichtern.

Fig. 4 und 5 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel gleicht im wesentlichen der Anordnung des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels mit der Ausnahme eines Teils, welcher in Funktion mit dem Ventil 5 des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels äquivalent ist. Insbesondere ist ein Seitenmatrizenteil 13 mit einer längli-

QQ chen Passage 13a einer abgewinkelten Gestalt in ein Teil der Untermatrize 1 eingesetzt. Eine Öffnung 13b ist einem Teil der Passage 13a ausgebildet, um eine Einschnürungsoder Drosselwirkung vorzusehen. Wenn dementsprechend Öl, das als Druckmedium dient, in den hohlen Innenraum

g,- des Hauptzahnstangenrohlings 4, welcher in die Untermatrize 1 eingesetzt wird, eingespritzt wird, kann die Ein-

* spritzmenge so eingestellt werden, daß das Ölniveau oberhalb der Stelle der Öffnung 13b liegt.

Wenn der Stempel 9 abgesenkt wird, um gegen den Bereich 4a des Zahnstangenrohlings 4 zu drücken, nimmt der Preßdruck und der Öldruck entsprechend der graphischen Darstellung in Fig. 5 zu. Aus Fig. 5 ist festzustellen, daß der Öldruck graduell zuzunehmen beginnt, wenn der Preßdruck einen Wert P₁₁ (kg/cm²) erreicht, und zwar beim Beginn der Abgabe des Öls durch die Passage 13a. Wenn der Preßdruck einen Wert P₁₂ (kg/cm²) überschreitet, tritt die Einschnürung bzw. Drosselung aufgrund der Öffnung 13b in Aktion und der Öldruck nimmt abrupt zu, wenn der Stempel 9 abgesenkt wird, woraus eine plastische Verformung des Bereiches 4a des Zahnstangenrohlings 4 erfolgt, um so die Zahnstangenzähne auszubilden. Wenn der Stempel 9 seinen maximalen Hub bei einem Preßdruck von P₁ . (kg/cm²) erreicht und der Öldruck den Wert P₁- (kg/cm²) erreicht, wird der Formvorgang der Zahnstangenzähne vollendet. Nachfolgend wird der Stempel 9 zur Beendigung des Vorganges angehoben. Es ist festzustellen, daß die Einschnürung oder Drosselung durch die Öffnung 13b nicht wirksam sein kann und eine gewünschte plastische Verformung nicht auftreten kann, wenn die maximale Strömungsmenge des Öls durch die Öffnung 13b geringer ist als der Änderungsbetrag des Volumens aufgrund des Hubes des Stempels 9.

Das Druckmuster für den Preßdruck kann auf geeignete Weise in Abhängigkeit von den verschiedenen Zahnstangen gewählt werden. Außerdem muß das Ventil 5 nicht mit einem kleinen Schlitz versehen sein, wie dies dargestellt ist. Es ist auch jede andere Konstruktion möglich, die ein Abgeben des flüssigen Druckmittels erlaubt, wenn dieses einem bestimmten Innendruck unterworfen ist. Ebenso kann die

elastisch nachgiebig das Ventil 5 vorspannende Blattfeder durch eine andere geeignete Vorspanneinrichtung ersetzt werden.

Die Erfindung wurde anhand der Herstellung einer Zahnstange beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Elementen Anwendung finden, wie beispielsweise bei Stirnrädern, vorausgesetzt diese weisen einen zentralen Innenraum auf.

Claims

HOFFMANN · EITLE & PARTNER PATENT-UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ΙΝβ. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-ING. K. FDCHSLE . DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS . DIPL.-ING. K. GORG DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE 41 082 JIDOSHA KIKI CO., LTD., Tokyo / Japan Verfahren und Vorrichtung zum Schmieden eines hohlen Rohlings Patentansprüche

1. Verfahren zum Schmieden eines hohlen Rohlings, dadurch gekennzeichnet , daß der hohle Innenraum des hohlen Rohlings mit einem flüssigen Druckmittel gefüllt ist und Einschließen desselben darin im abgedichteten Zustand, Aufbringen eines äußeren Drucks auf den hohlen Rohling, wenn letzterer mit dem Druckmedium gefüllt ist, Zulassung der Möglichkeit des graduellen Abgebens eines Teils des Druckmediums, um so den Druck des Druckmediums als Innendruck aufrechtzuerhalten, welcher dem Außendruck entgegengesetzt ist, und daß während des Abgebens des Druckmediums dem hohlen Rohling die gewünschte plastische Verformung verliehen wird.

2. Vorrichtung zum Schmieden eines hohlen Rohlings mit einer eine darin ausgebildete Ausnehmung aufweisenden Untermatrize (1), die den Rohling aufnimmt, eine

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* in die Ausnehmung einzusetzende Obermatrize (8), dadurch gekennzeichnet , daß die Untermatrize (1 ) die Öffnung des hohlen Rohlings (4) blockiert, daß die Untermatrize (1) mit einer Passage (3a) versehen ist, die den Innenraum des hohlen Rohlings (4), welcher von der Untermatrize (1) aufgenommen wird, mit der Umgebung verbinden kann, und daß innerhalb der Passage Mittel zum Einschränken der Strömungsmenge des im hohlen Rohling eingeschlossenen Druckmediums angeordnet sind, so daß das Druckmedium als Resultat der Aufbringung eines äußeren Drucks durch die Obermatrize abgegeben werden werden kann, wodurch diese Mittel den Innendruck aufrechterhalten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Mittel zum Begrenzen der Strömungsmenge ein Ventil (5) umfassen, welches die Passage (3a) schließt, daß eine Vorspannfeder (6) normalerweise das Ventil in Richtung des Blockierens der Passage (3a) drückt, um einen Freiraum (5c) abzuschließen, welcher zwisehen dem Ventil (5) und der Passage (3a) angeordnet ist, um unter bestimmten Voraussetzungen Druckmedium abzugeben, wenn der Außendruck -aufgebracht wird.

4 . Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Vorspannfeder eine Blattfeder (6) mit einer gekrümmten Fläche ist, so daß die konvexe Seite der Blattfeder elastisch nachgiebig an dem Ventil (5) anliegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Ventil (5) einen zylindrischen Abschnitt (5b) aufweist, welcher in die Passage (3a) eingesetzt ist und welcher mit einem Schlitz (5c) versehen ist, der eine Verbindung zwischen dem Inneren des hohlen Rohlings (4) und der Umgebung herstellen kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Begrenzen der Strömungsmenge eine Öffnung (13b) umfassen, die in der Passage (13a) ausgebildet ist, um die Strömungsmenge des Druckmediums zu begrenzen, wenn dieses bei Aufbringung eines Außendrucks auf den Rohling abgegeben wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, daudrch gekennzeichnet , daß die Obermatrize

(8) eine Halterung (11) umfaßt, welche einen Bereich (4b) des hohlen Rohlings (4) in Lage hält, welcher nicht einem Verformungsvorgang unterworfen wird.