DE3718884A1 - Verfahren und werkzeuge zum kalt-, halbwarm- und warmquerfliesspressen von werkstuecken mit genauen verzahnungen aus metall, vorzugsweise stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie verschiedene Werkzeug­ varianten auf dem Gebiet der Fließpressverfahren zur Herstellung von Zahnrädern. Hierbei handelt es sich um das Querfließpressen, mit dem sowohl Gerad- und Schrägverzahnungen, als auch eine Kombination daraus mit unterschiedlichen Verzahnungsgeometrien, Modulen und Stei­ gungswinkeln hergestellt werden können. Je nach Werkstückgeometrie kann das Verfahren kalt, halbwarm, oder warm durchgeführt werden. Die Verfahrensgrenzen bilden Modul, Zahnform, Kopfkreisdurchmesser, Schrägungswinkel, die Werkstoffe und die daraus resultierenden Werk­ zeugbeanspruchungen.

Die in den folgenden Abschnitten aufgeführten Druckschriften befas­ sen sich mit Möglichkeiten zur umformtechnischen Herstellung von Verzahnungskörpern.

Die Druckschriften (DEPS 8 99 892; DEPS 7 03 370; DEOS 29 18 472; DEOS 28 48 091; CH 6 51 232; FR 22 75 261; US 33 98 444 und US 33 5 5 930) be­ fassen sich mit Möglichkeiten zum Formpressen (axiales Stauchen mit radialem Verdrängen des Werkstoffs) von Stirnrad-, in Einzelfällen auch Kegelradverzahnungen mit Werkzeugen, die aus einer Matrize mit einer zur Werkstückverzahnung komplementären Innenverzahnung, einem Stempel, einem Gegenstempel oder Matrizeneinsatz, jeweils mit oder ohne Verzahnung, bestehen.

Die Druckschriften DEOS 29 18 472 und CH 6 51 232 befassen sich mit zweistufigem Umformen, wobei die zweite Stufe zur Werkstückkali­ brierung benötigt wird. In FR 22 75 261 wird eine Vorrichtung be­ schrieben, die eine gesteuerte Drehbewegung zum Ausstoßen der schrägverzahnten Räder ermöglicht. Die Steigung der dabei verwen­ deten Kulissenführung muß dem Steigungswinkel der Zahnflanken genau angepasst werden. Eine Änderung der Zahnflankensteigung be­ dingt somit immer eine Anpassung der Kulissenführung, wodurch eine starke Einschränkung in der Flexibilität gegeben ist.

Bei den übrigen Verfahren handelt es sich um Verfahren zur Herstel­ lung von geradverzahnten Stirnrädern.

In den Druckschriften (DEOS 34 33 515; DEOS 23 25 837; EP 01 63 922; EP 00 50 576; FR 21 59 569; GB 13 76 547; GB 13 73 547 und US 35 99 469) wer­ den weitere Fließpressverfahren zur Darstellung von Gerad- und zum Teil Schrägverzahnungen beschrieben. Dabei sind in (EP 00 50 576; EP 01 63 922 und GB 13 73 547) Möglichkeiten zur Erzeugung einer Drehbe­ wegung von Stempel und Gegenstempel erläutert. In (EP 00 50 576) wird die Drehbewegung über die ineinandergreifende Stempel- und Matrizen­ geometrie erzeugt. Eine genaue Anpassung der beiden Verzahnungs­ geometrien ist daher erforderlich. In EP 1 63 922 werden die Drehbewe­ gungen mit Hilfe von quer zur Pressrichtung verlaufenden Zahn­ stangen erzeugt. In GB 13 73 547 erfolgt die Drehbewegung über einen stirnseitigen Reibschluß zwischen Stempel und Zahnradrohteil. Die Presskräfte werden beim Pressvorgang über die Stempellagerung ge­ führt, wodurch eine weitere Verfahrensgrenze durch die Lagerbean­ spruchung gegeben ist.

Der neuen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein energie- und werkstoffsparendes Verfahren zur Herstellung von Innen- und Außen­ verzahnungen oder einer Kombination daraus, mit gleichen oder unter­ schiedlichen Steigungswinkeln mit günstigen mechanischen und ge­ ometrischen Eigenschaften bei möglichst hoher Werkzeugflexibilität, zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein zylindrisches Rohteil (1) mit einem je nach Verzahnungstyp (Stirnrad, Hohlrad) dem Fußkreis des Zahnrades entsprechenden Außen- bzw. Innendurchmesser axial, mit teilweise axialer Führung gestaucht wird, und der Werkstoff damit radial in die formgebende, verzahnte Matrize (2) oder auf den verzahnten Dorn (3) verdrängt wird.

Der Pressvorgang läuft dabei im Einzelnen wie folgt ab (Bild 1):

Mit Hilfe von Druckstiften (4.1; 4.2) wird die für den Pressvorgang notwendige Schließkraft über zwei Ziehkissen (5.1; 5.2) eingeleitet. Die beiden unverzahnten Stempel (6.1; 6.2), deren Durchmesser dem Rohteildurchmesser entsprechen und deren Stirnflächen je nach Roh­ teil profiliert sind, pressen mit den Werkstoff in die formgebende Matrize hinein. Dabei fährt der Preßstempel (6.1) mit Stößelgeschwin­ digkeit v _z vor. Der Gegenstempel (6.2), abgestützt über den Pressen­ tisch, bleibt stehen. Um eine komplementäre Vorschubgeschwindigkeit beider Stempel zu erreichen, wird der Matrizenverband axial in Pressrichtung mit halber Stößelgeschwindigkeit verfahren. Dies wird dadurch erreicht, daß die oberen Druckstifte (4.1) mit halber Stößel­ geschwindigkeit v _z und konstanter Schließkraft vorfahren sowie die unteren Druckstifte (4.2) entsprechend zurückfahren. Dadurch wird erreicht, daß die zylindrische Rohteilrestlänge über den gesamten Pressvorgang stets symmetrisch auf die beiden Aufnehmer (15.1; 15.2) verteilt wird, bis beide Stempel die Matrizenober- bzw. Matrizenun­ terkante erreicht haben. Die ausgedrehten Freiräume (7) an den Stirnseiten der Matrize erlauben eine einwandfreie Kantenfüllung, senken die maximale Umformkraft und dienen gleichzeitig als Freiraum für den Volumenüberschuß.

Das Auswerfen des gepressten Teiles wird wie folgt durchgeführt:

Nach dem Öffnen der Schließvorrichtung wird der Gegenstempel durch einen Auswerferstift (8) axial vorgeschoben und schiebt dabei das Werkstück aus der Matrize heraus. Bedingt durch den Schrägungswinkel der Schraubenverzahnung dreht sich der durch den Lagersatz (9) frei gelagerte Matrizenverband durch die in Umfangsrichtung wirkende Kraftkomponente der Auswerferkraft weg, so daß das Fertigteil heraus­ gehoben werden kann.

Eine andere Möglichkeit zum Auswerfen zeigt Bild 2. Bei dieser Variante ist der Matrizenverband fest gelagert. Um die für das Auswerfen notwendige Drehbewegung durchführen zu können, ist der Gegenstempel für den Auswerfervorgang drehbar gelagert. Das Lager (10) ist von einem Zwischenring (11), dessen Innendurchmesser größer ist als der Stempeldurchmesser an dieser Stelle, unterlegt. Dadurch werden die Auswerferkräfte der mindestens zwei Auswerferstifte (12) auf den gesamten Umfang verteilt, wodurch eine Senkung der Lagerbe­ lastung erreicht wird. Die Auswerferstifte (12) werden durch einen Sternauswerfer (13) angesteuert und axial vorgeschoben. Durch die Kraftkomponente in Umfangsrichtung, die sich durch die Auswerfer­ kraft und den Schrägungswinkel der Verzahnung ergibt sowie der Reibkraft zwischen Stempelstirnfläche und Zahnrad, dreht sich der Stempel konform zum Zahnrad, so daß das Zahnrad aus der Matrize herausgedreht werden kann. Die Höhe des Lagers und Zwischenringes ist dabei geringfügig kleiner als die Stempelzapfenhöhe, so daß die Presskräfte nicht über das Lager laufen.

In Bild 3 wird eine Möglichkeit zum Herstellen von Innenverzahnungen dargestellt. Als Rohteil wird dabei ein Ring verwendet, dessen Innendurchmesser etwa dem Fußkreisdurchmesser der Innenverzahnung entspricht. Analog zu den in Bild 1 und Bild 2 beschriebenen Verfahren wird hierbei der Werkstoff durch Querfließpressen auf den verzahnten Dorn (3) gepreßt. Matrize und Dorn werden beim Pressvor­ gang synchron, mit halber Stößelgeschwindigkeit in Pressrichtung verfahren, so daß sich, wie beim Pressen von Stirnrädern, der Werkstoff symmetrisch auf beide Hohlstempel (14.1; 14.2) verteilt. Das Auswerfen des gepreßten Hohlrades erfogt durch den Gegenstempel (14.2).

Hierzu ist der Dorn (3) drehbar in der Grundplatte (16) oder fest im Ziehkissen gelagert. Eine Verfahrensgrenze bilden die auf das Lager wirkenden Auswerferkräfte.

Weitere Werkzeugvarianten, bei gleichem Fließpressverfahren, erfor­ dern die in den Bildern 4 bis 9 dargestellten Zahnräder. Ent­ sprechend den Verzahnungstypen sind Kombinationen der oben beschrie­ benen Auswerfersysteme notwendig. Für das Zahnrad nach Bild 7 werden die in Bild 3 dargestellte Vorrichtung für Innenverzahnungen und die in Bild 1 beschriebene Vorrichtung der drehbar gelagerten Matrize benötigt. Zur Herstellung des Rades aus Bild 8 bedarf es der Kombination der Variante aus Bild 1 und Bild 3, bei gleichzeitiger Verwendung dieser Kombination im Oberwerkzeug (Bild 10). Entsprechen­ der Kombinationen bedarf es zur Herstellung der anderen Teile aus dem Teilespektrum.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Fertigungsverfahren und Werk­ zeugen lassen sich mit dem neuen Verfahren bei einfachen, kompati­ blen Werkzeugen, insbesondere einfachen Stempelgeometrien, verschie­ dene Werkstücke herstellen. Eine Variation der Verzahnungsgeometrie, des Steigungswinkels der Zahnflanken, des Moduls, der Stirnseitengeo­ metrien, oder eine Kombination daraus können durch das Auswechseln einzelner Werkzeugteile erreicht werden, ohne daß dabei der gesamte Werkzeugsatz ausgetauscht werden muß. Innerhalb geringer Toleranzen können auch unterschiedliche Fußkreisdurchmesser mit dem gleichen Stempeldurchmesser gepreßt werden.

Durch das neue Verfahren werden folgende Vorteile erzielt:

• - Werkstoffersparnis durch möglichst einbaufertig umgeformte Werk­ stücke. Es müssen nur die Funktionsflächen durch Schleifen, Scha­ ben oder Honen bearbeitet werden.
• - Zeitersparnis durch einstufige oder zweistufige Umformung.
• - Werkstücke mit engen Toleranzen und guter Wiederholgenauigkeit können hergestellt werden.
• - Einfache Werkzeuge erhöhen die Wartungsfreundlichkeit und verein­ fachen die Werkzeuginstandsetzung.
• - Gleiche Werkzeuge ermöglichen innerhalb geringer Toleranzen das Pressen von Zahnrädern mit unterschiedlichen Fußkreisdurchmessern aus dem gleichen Rohteilausgangsdurchmesser.
• - Die Umformkraft wird nicht über die für die Drehbewegung notwen­ digen Lager geleitet.
• - Durch das Baukastensystem wird eine hohe Werkzeug/Werkstück­ flexibilität erreicht.

Claims (9)

1. Verfahren und Werkzeug zum Kalt-, Halbwarm- und Warmquerfließ­ pressen von Werkstücken mit genauen Verzahnungen aus Metall, vorzugsweise Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Rohteil ausgegangen wird, dessen Außendurchmesser etwa dem Fußkreisdurch­ messer der Verzahnung entspricht und der Werkstoff radial in eine verzahnte Matrize fließt, die zusammen mit der Schließvorrichtung eine geschlossene Pressform bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrizentiefe der Zahnbreite entspricht und das Umformen zwischen nicht verzahntem Stempel und Gegenstempel, der das Werk­ stück anschließend auswirft, erfolgt.

2. Verfahren und Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verzahnte Matrize drehbar gelagert ist, um das Auswerfen schrägverzahnter Werkstücke zu ermöglichen.

3. Verfahren und Werkzeug nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Stempel und Gegenstempel stirnseitig so ausgebildet sind, daß verzahnte Werkstücke mit Nabe und Bohrung in einem Arbeitsvorgang gepreßt werden können.

4. Verfahren und Werkzeug nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Verminderung der Preßkraft als Rohteil ein dick­ wandiger Ring verwendet wird, der durch kurze stirnseitige An­ sätze an Stempel und Gegenstempel abgestützt ist.

5. Verfahren und Werkzeug nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Rohteil ein Ring verwendet wird, und die Ver­ zahnung durch radiales Verdrängen des Werkstoffs mittels einer am Stempel angebrachten Schulter erzeugt wird, wobei die Bohrung durch einen stempelseitig angebrachten Dorn, der im Gegenstempel in einer entsprechenden Bohrung aufgenommen ist, abgestützt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen von 2 Verzahnungen mit unterschiedlichen Verzahnungsgeometrien an einem Werkstück aus einem Rohteil, die beiden Matrizenhälften nach Anspruch 2 drehbar gelagert sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Preßkräfte als Rohteil ein dickwandiger Ring mit Mehrfachquerschnitt verwendet wird, der durch stirnseitige Ansätze an Stempel und Gegenstempel abgestützt ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem ringförmigen Rohteil, des­ sen Außendurchmesser in etwa dem Außendurchmesser des Hohlrades entspricht und dessen Innendurchmesser etwa gleich dem Fußkreis­ durchmesser der Innenverzahnung ist, ein Hohlrad gepreßt wird, wobei die zum Auswerfen der schrägverzahnten Zahnräder notwendige Drehbewegung vom formgebenden Dorn durchgeführt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem ringförmigen Rohteil ein Hohlrad mit Innen- und Außenverzahnung mit gleichem oder unter­ schiedlichem Schrägungswinkel erzeugt werden kann, wobei die zum Auswerfen notwendige Drehbewegung für die Außenverzahnung von der drehbar gelagerten Matrize und für die Innenverzahnung vom dreh­ bar gelagerten Dorn ausgeführt wird.