DE4220523A1 - Verfahren zum Herstellen eines einen Preßabschnitt aufweisenden Werkstücks und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 7.

Bei der spanlosen Umformung von Werkstücken wird vorzugsweise der Umformvorgang Schmieden angewendet, weil hierdurch nicht nur eine kostengünstige Herstellung möglich ist, sondern beim Schmieden wird auch die Festigkeit des Werkstücks vergrößert, was in den meisten Anwendungsfällen erwünscht ist.

Ein Mangel der Umformung durch Schmieden besteht jedoch darin, daß paßgenaue Flächen nicht erzeugt werden können. Dies beruht zum einen darauf, daß die Oberflächenqualität einer geschmiedeten Fläche nicht den Anforderungen einer Paß­ fläche entspricht und zum anderen bei der nach dem Warm­ schmieden erfolgenden Abkühlung mit Spannungsverzug zu rech­ nen ist, der zu einer weiteren Beeinträchtigung der Oberflä­ chenqualität und Maßgenauigkeit führen kann.

Insbesondere bei solchen Werkstücken, die einen Abschnitt ho­ her Paßgenauigkeit und einen Abschnitt mit geringeren Anfor­ derungen an die Paßgenauigkeit aufweisen, ist man dazu über­ gegangen, das Werkstück zweistückig herzustellen, wobei der Werkstückabschnitt mit geringerer Anforderung an die Paß­ genauigkeit geschmiedet wird und der Werkstückabschnitt hoher Paßgenauigkeit z. B. durch besondere Bearbeitungsmaßnahmen, gegebenenfalls spanabhebend, paßgenau hergestellt wird.

Das vorliegende Problem stellt sich insbesondere bei einem Werkstück mit zwei, insbesondere hinsichtlich ihrer Oberflä­ chenpräzisionen unterschiedliche, vorzugsweise mit einem Po­ sitionierabschnitt wie einem Befestigungsfuß und einem eine andere Funktion, z. B. eine Antriebsfunktion ausübenden Werk­ stückabschnitt. Ein typischer Fall für ein solches Werkstück ist ein an einem Rad oder eine Stange montierbarer Zahn eines Zahnrads. Für ein solches Werkstück ist eine hohe Festigkeit erwünscht, wobei das Befestigungs- oder Fußteil des Zahnes paßgenau gehalten werden muß. Bisher war es üblich, ein sol­ ches Werkstück zweistückig herzustellen und die beiden Werk­ stückabschnitte miteinander zu verschweißen, wobei der Befe­ stigungsabschnitt vor oder nach dem Schweißen gegebenenfalls spanabhebend auf Maßgenauigkeit bearbeitet wurde.

Bei einem bekannten montierbaren Zahn ist ein solcher Befe­ stigungsabschnitt durch einen plattenförmigen Steg gebildet, der eine paßgenaue Breitenabmessung aufweist und damit zwi­ schen zwei Befestigungsflansche eines Rades paßt und daran verschraubt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art so zu verbessern, daß das Werkstück bei Gewährleistung einer hohen Festigkeit und Paßgenauigkeit einstückig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 7 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Profilabschnitt am Werkstück einteilig durch insbesondere warmes Schmieden her­ gestellt, wobei der den Profilabschnitt auf Paßmaß bringende Bearbeitungsvorgang dadurch erfolgt, daß der Abschnitt durch eine Reduzieröffnung gedrückt wird. Hierdurch erhält der Pro­ filabschnitt nicht nur eine hohe Paßgenauigkeit, sondern die Oberfläche des Profilabschnitts wird durch das Reduzieren weiter verfestigt, wobei eine einfache, schnelle und somit kostengünstige Herstellung möglich ist.

Der Reduziervorgang findet vorzugsweise bei Raumtemperatur statt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bei allen kaltver­ formbaren Werkstoffen, insbesondere Metallen, vorzugsweise Stahl, vorteilhaft durchführen.

Es ist zwar an sich bekannt, Werkstücke durch ein sog. Ver­ jüngen bzw. Reduzieren paßgenau zu verformen, jedoch ist dies bisher nur an im Querschnitt runden Profilabschnitten mittels einer Matrize mit einem entsprechenden runden Matrizenloch durchgeführt worden.

Durch die im Anspruch 7 enthaltene Vorrichtung wird es dage­ gen auch ermöglicht, von einer runden Form abweichende Quer­ schnittsformen, insbesondere längliche Querschnittsformen durch Verjüngen bzw. Reduzieren herzustellen.

In den Unteransprüchen sind Merkmale enthalten, die zur Pro­ blemlösung beitragen, die Festigkeit und Lebensdauer der Ma­ trize verbessern, reduzierte Flächen hoher Formgenauigkeit ermöglichen, und außerdem vorteilhafte Vorrichtungsmerkmale schaffen, die eine schnelle, genaue und hochleistungsfähige Herstellung ermöglichen.

Nachfolgend werden die Erfindung und weitere durch sie er­ zielbare Vorteile anhand von bevorzugten Ausgestaltungen nä­ her erläutert. Es zeigt.

Fig. 1 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestell­ tes Werkstück in der Seitenansicht;

Fig. 2 das Werkstück in der Stirnansicht von links;

Fig. 3 einen Rohblock in perspektivischer Darstellung, aus dem das Werkstück spanlos durch Umformen herge­ stellt wird;

Fig. 4a einen ersten Umformungsvorgang am Rohblock in der Seitenansicht;

Fig. 4b, 4c zwei weitere Umformungsvorgänge des Werkstücks;

Fig. 5 eine Matrize in der Draufsicht;

Fig. 6 den Halbschnitt VI-VI in Fig. 5;

Fig. 7 den Teilschnitt VII-VII in Fig. 5.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Werkstück ein montierbarer Zahn 1 eines nur in Fig. 2 teilweise angedeute­ ten Zahnrades 2, wobei der Zahn 1 einstückig aus einem Zahn­ kopf 3, einem Befestigungsfuß in Form einer Platte oder eines Steges 4 und einem Basisteil 5 besteht, das zwischen dem Zahnkopf 3 und dem Steg 4 angeordnet ist, und von dem sich der Zahnkopf 3 und der Steg 4 einander entgegengesetzt er­ strecken, nämlich bei der Anordnung gemäß Fig. 1 vertikal nach oben bzw. vertikal nach unten entlang der vertikalen Mittellinie 6, zu der der Zahn 1 beim vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel symmetrisch ausgebildet ist.

Im vorliegenden Fall handelt es sich um den Zahn 1 eines Ket­ ten-Zahnrades. In einem solchen Fall weist der Zahnkopf 3 einen zentralen Mitnehmerzapfen 7 auf, der in ein Kettenglied einfaßt und gleichzeitig zwischen zwei mit diesem Kettenglied verbundene Kettenglieder einfaßt. Der Zahnkopf 3 ist an sei­ nen Seitenflächen an die Form der ihm zugewandten Kettenglie­ der angepaßt.

Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist die Breite b der plat­ ten- bzw. stegförmigen Basis schmaler als die Breite B der vorhandenen Zahnkrone 10 und nur geringfügig breiter als die Breite b1 des Stegs 4. Auch bezüglich seiner Länge L ist das Basisteil 5 größer bemessen als der Steg 4 mit seiner Länge L1, so daß das Basisteil an beiden Stirnseiten den Steg 4 zapfenförmig überragt. An beiden Breitseiten des Stegs 4 ist ein sich von seiner Unterseite 11 im mittleren Bereich nach oben erstreckender zungenförmiger Flächenbereich 12 vorhan­ den, der gegenüber der zugehörigen Seitenfläche 13a, 13b ge­ ringfügig vertieft ist. Die zueinander im wesentlichen paral­ lelen Seitenflächen 13a, 13b bilden ein Paßmaß, mit dem der Zahn 1 zwischen parallelen Paßflächen 14a, 14b des Zahnrades 2 eingesetzt und gehalten ist, z. B. durch zwei oder eine an­ gedeutete Querschraube, die den Steg 4 und benachbarte Wände des Zahnrades 2 in Löchern durchfaßt (nicht dargestellt), die vorzugsweise nach dem Umformen gebohrt werden. Die freien Ecken des Stegs 4 sind vorzugsweise gerundet.

Im folgenden wird die Herstellung des Zahnes 1 durch spanlo­ ses Umformen beschrieben. Gemäß Fig. 4a wird zunächst der Steg 4 in einem andeutungsweise schematisch dargestellten Ge­ senk mit einem Gesenkunterteil 15a und einem Gesenkoberteil 15b aus einem quaderförmigen Rohling 17 warm vorgeschmiedet, wobei der geschmiedete Abschnitt sich zweidimensional aus­ dehnt und den flachen Steg 14 bildet.

Für einen weiteren Umformschritt wird der zu bildende Zahn 1 in ein anderes, ebenfalls nur schematisch angedeutetes Gesenk mit einem Gesenkunterteil 16a und einem Gesenkoberteil 16b eingesetzt und längs der Mittellinie 6 wirksame Druckkräfte warm geschmiedet, wobei insbesondere die Zahnkrone 10 in ihre endgültige Form gebracht wird. Der im Gesenkunterteil 16a aufgenommene Steg 4 wird bei dem vorherigen Schmiedevorgang oder bei dem jetzigen Schmiedevorgang auf eine Breite b2 vor­ geformt, die nicht nur gegenüber der Breite b1 ein Übermaß von einigen Zehntel Millimetern aufweist, sondern auch zur Unterseite 12 hin konvergent, d. h. leicht keilförmig geformt ist bzw. wird, um ihn aus dem Gesenkunterteil 16a herausneh­ men zu können, was aufgrund der leicht keilförmigen Formge­ bung gewährleistet ist. In den Fig. 4a bis 4c ist diese Koni­ zität zwecks Verdeutlichung größer dargestellt, in Wirklich­ keit beträgt die vorhandene Neigung etwa 0° 30′.

Ein weiterer Umformschritt besteht gemäß Fig. 4c darin, den Steg 4 bezüglich seiner Breite b2 mittels einer Matrize 18 bei Relativverschiebung zu reduzieren und zwar auf das Fer­ tigmaß b1. Bei dieser Reduzierung wird die Breite b1 um einige Zehntel Millimeter verringert, wobei ebene, saubere und maß- bzw. paßgenaue Seitenflächen 13a, 13b mit einer fei­ nen Oberflächengüte entstehen. Das Reduzieren kann durch eine Verschiebung der Matrize 18 relativ zum ortsfest gehaltenen Zahn 1 erfolgen, wie es in Fig. 4c dargestellt ist. In diesem Fall ist der Zahn 1 durch ein gegen die Zahnkrone 10 entgegen der vorzugsweise vertikal, insbesondere nach unten gerichte­ ten Schubrichtung 19 der Matrize 18 wirksames Druckstück 21 abgestützt. Es ist auch möglich, die Matrize 18 ortsfest zu halten und den Zahn 1 mittels des Druckstücks 21 durch die Matrizenöffnung 22 zu drücken. Nach dem jeweiligen Vorschub ist die Matrize 18 wieder abzuziehen, wobei der Zahn 1 zu halten ist. Bei dem Druckstück 21 kann es sich um ein Aufnah­ meteil handeln, das einem Gesenkteil ähnlich ist. Nach oder parallel zum Abziehen der Matrize 18 kann der soweit fertig geformte Zahn 1 aus seiner Halterung entnommen oder ausgesto­ ßen werden. Die Matrize 18 ist in einem ortsfesten oder hin und her beweglichen Matrizenhalter 18a drehfest gehalten.

Abschließend sei bemerkt, daß die der Reduzierkraft 23 entge­ gengesetzte Stützkraft 24, die gegen die Formfläche der Zahn­ krone 10 wirkt, keine Verformungen dieser Formfläche hervor­ ruft, wenn eine flächige Anlage vorhanden ist.

Die Matrize 18 weist ein längliches, hier etwa rechteckiges Matrizenloch 22 auf, wobei die Materialbreite b3 an den Breitseiten 26 des Matrizenlochs 22 größer ist als die Materialbreite b4 an den Schmalseiten 27 des Matrizenlochs 22.

Vorzugsweise ist die Matrize 18 außen kreisrund und in einer entsprechend geformten Aufnahme des Matrizenhalters 18a drehgesichert aufgenommen.

Die Länge L2 des Matrizenlochs 22 ist um einige mm größer be­ messen als die Länge L1 des Stegs 14, so daß er nur breitsei­ tig reduziert wird.

Formendes Element der Matrize 18 ist je ein Wulst 28 auf den breitseitigen Wänden des Matrizenlochs 22, der im Querschnitt keilförmig oder gerundet geformt ist, so daß sich konvergente Reduzierflächen 28a und hinterschnittene Freiflächen 28b er­ geben. Der Neigungswinkel W1 der Reduzierflächen 28a beträgt vorzugsweise etwa 15°, der der Freiflächen 28b vorzugsweise etwa 9° In den außerhalb des Reduzierbereichs R liegenden Innenecken ist das Matrizenloch 18 gerundet, siehe Radien r1. Vorzugsweise sind die Wülste 28 in ihrer Längsrichtung ge­ ringfügig konvex gekrümmt, was durch den Radius r2 verdeut­ licht ist. Dies deshalb, weil im mittleren Bereich der redu­ zierten Fläche das Material beim Reduzieren einen größeren Widerstand entgegensetzt als im äußeren Bereich und deshalb nach dem Reduzieren im mittleren Bereich etwas oder mehr ex­ pandiert als im Außenbereich. Dies wird durch die geringfügig konvexen Wülste 28 ausgeglichen, so daß sich nach dem Redu­ zieren ebene und parallele Seitenflächen 13a, 14a ergeben.

Die plattenförmige Matrize 18 besteht aus hochfestem, harten Material, insbesondere legierten Stahl.

Um bis in den Bereich des Basisteils 5 reduzieren zu können, sind an der Eingangsseite und schmalseitig am Matrizenloch 22 zwei Freiräume in Form von Ausnehmungen 31 für die stirn­ seitigen Zapfen des Basisteils in der Matrize 18 vorgesehen, deren Ecken 32 ebenfalls gerundet sind, wodurch die Festig­ keit der Matrize 18 vergrößert wird.

An den Schmalseiten 27 des Matrizenlochs 18 sind in den vor­ handenen Wandungen Sollbruchstellen 33 vorzugsweise in Form von keilförmigen Kerben vorgesehen, die sich über die gesamte Länge der schmalseitigen Wandungen erstrecken.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen eines einen Profilabschnitt (4) aufweisenden Werkstücks (1) aus kalt verformbarem metal­ lischen Material, bei dem ein Rohling (17) zunächst durch vorzugsweise warmes Schmieden in eine vorläufige Form gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (4) an den Rohling (17) durch den Schmiedevorgang mit Übermaß vorgeformt wird und der Ab­ schnitt (4) dann zur Erzeugung des Profils mit Endmaß (b1) vorzugsweise kalt (Raumtemperatur) durch eine Reduktionsöffnung (22) gedrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (4) bei einem ersten Formvorgang flach gedrückt wird (Fig. 4a).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (4) bei einem zweiten Formvorgang (Fig. 4b) in Richtung auf das Werkstück (1) mit Schmie­ dedruck vorzugsweise in einem Gesenk beaufschlagt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim zweiten Formvorgang (Fig. 4b) gleichzeitig das Werkstück (1) durch entgegengesetzten Druck vorzugsweise im Gesenk geschmiedet wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (4) mit länglicher Querschnittsform vorgeformt und nur an seinen breitseitigen Seitenflächen (13a, 14) reduziert wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) mit einer Form für einen Ketten­ zahn geformt wird.

7. Vorrichtung oder Matrize zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrizenöffnung (22) eine längliche, insbeson­ dere im wesentlichen rechteckige, Querschnittsform auf­ weist und nur die breitseitigen Wandungen (26) der Matrizenöffnung (22) Reduzierflächen, insbesondere Redu­ zierwülste (28) aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitenabmessungen (b3) der Matrize (18) zwi­ schen ihrem Umfang und der Breitseite (26) des Matrizen­ lochs (22) größer sind als an den Schmalseiten (27) des Matrizenlochs (22).

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierflächen (28) in Umfangsrichtung gering­ fügig konvex gekrümmt sind.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform der Matrize (18) rund ist.