DE4222748A1 - Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle - Google Patents

Description

Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle, bei dem in ersten Arbeitsgängen in einen Stab zunächst nacheinander die sich zur Achse hin verjüngenden Einschnürungen für die Wellenlager einge­ formt werden, in einem zweiten Arbeitsgang ein zwischen den Wel­ lenlagern liegender Stabbereich in Winkelstellung flachgedrückt wird, in einem weiteren Arbeitsgang das Auspressen der Kurbel­ kröpfung des flachgedrückten Stabbereichs erfolgt, und jeweils eine Gruppe von Arbeitsgängen, mindestens die in der ersten Hitze auszuführende Gruppe der ersten Arbeitsgänge, die unabhän­ gig von der Anzahl der Kröpfungen, in einer Hitze durchgeführt wird.

Die Erfindung geht dabei von einem durch Industrieanzeiger, 91. Jg. (1969) Nr. 75, Seiten 1560 bis 1563 bekannten Verfahren zum Schmieden mehrfach gekröpfter Kurbelwellen aus. Bei diesem be­ kannten Verfahren erfolgt in einem Arbeitsgang 1 das Einpressen der Wellenlager auf den rohen Lagerdurchmesser in vorgeschriebe­ ner Lagermittenentfernung, in einem Arbeitsgang 2 das Flachdrücken der beim Arbeitsgang 1 zwischen den Lagern entstan­ denen Verdickungen auf die rohe Wangen- und Kurbelzapfenbreite in Winkelstellung und schließlich in einem Arbeitsgang 3 das Auspressen der Kurbelkröpfungen in der beim Arbeitsgang 2 einge­ stellten Winkelstellung. Jeder Arbeitsgang wird, unabhängig von der Anzahl der Kröpfungen in einer Hitze durchgeführt. Mit zu­ nehmender Anzahl der Kröpfungen verliert die erwärmte Welle je­ doch an Steifigkeit, so daß ihr Krantransport von einer gewissen Länge an in Frage gestellt ist. Um den Krantransport trotzdem durchzuführen, sind besondere ergänzende Transportmaßnahmen er­ forderlich und dies zweimal vom Ofen zur Schmiedevorrichtung, nämlich nach dem zweiten Erwärmen vor dem Arbeitsgang 2 und dem dritten Erwärmen vor dem Arbeitsgang 3. Da die Hublagerdurchmesser regelmäßig kleiner sind als die Wellenlager, bringt ein entsprechend kleineres Rohmaß beim Arbeitsgang 2 des Flachdrückens eine weitere Schwächung der Transportfähigkeit des warmen, teilweise ge­ schmiedeten Rohlings vom Ofen zur Schmiedevorrichtung des Ar­ beitsganges 3 mit sich. Weiterhin erfordert jede Einstellung ei­ ner neuen Hitze entsprechend auch einen entsprechenden zeitli­ chen Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehenden Nachteile zu ver­ meiden und ein Verfahren zu schaffen, das sich insbesondere zur Herstellung von vielhubigen Kurbelwellen mit Wellenlager­ durchmessern über 350 mm für Schiffsmotoren, Kompressoren oder dergleichen schwere Aggregate eignet und einen zügigen Ablauf des Herstellungsprozesses mit sich bringt. Eine Nebenaufgabe ist die Schaffung einer geeigneten Vorrichtung hierfür.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß in der zweiten Hitze in einer Winkellage sowohl der zweite Arbeitsgang des Flachdrückens eines zwischen den Wellenlagern liegenden Stabbe­ reiches, wie auch der weitere Arbeitsgang des Auspressens der Kurbelkröpfung dieses Stabbereiches erfolgt, daß in der gleichen zweiten Hitze ein weiterer zwischen den Wellenlagern liegender Stabbereich in einem nächsten Arbeitsgang, der dem zweiten Ar­ beitsgang entspricht, flachgedrückt und in einem übernächsten Arbeitsgang, dem weiteren Arbeitsgang entsprechend, die Kurbel­ kröpfung des weiteren Stabbereiches ausgepreßt wird, und daß weiterhin in der gleichen zweiten Hitze jeweils ein Arbeitsgang des Flachdrückens und ein Arbeitsgang des Auspressens der Kur­ belkröpfung aufeinander folgen, bis alle zwischen den Wellenla­ gern liegenden Stabbereiche zu Kurbelkröpfungen umgeformt sind.

Durch die Erfindung wird gegenüber dem gattungsgemäßen Verfahren eine dritte Hitze vermieden und schon dadurch eine erhebliche Reduzierung der Herstellungsdauer einer Kurbelwelle erreicht. Da je Kurbelkröpfung das Flachdrücken und das Auspressen der Kur­ belkröpfung unmittelbar aufeinanderfolgen, ist hierfür nur eine einmalige Einstellung der Winkellage erforderlich.

Das Flachdrücken und Auspressen der Kurbelkröpfung kann jeweils innerhalb weniger Minuten ausgeführt sein, sodaß die zweite Hitze optimal ausgenutzt werden kann und auch ausreicht, um eine beispielsweise 8-hubige Kurbelwelle Hub für Hub unter den annä­ hernd gleichen Verformungsrandbedingungen ausführen zu können. Insgesamt liegen die in der zweiten Hitze auszuführenden Ar­ beitsvorgänge in einem zeitlichen Rahmen, der etwa dem Ein­ schmieden der Wellenrohlager in der ersten Hitze entspricht.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung nach Anspruch 2 sieht vor, daß in den ersten Arbeitsgängen das Einformen jeden Wellenlagers unter freier Längung des Stabes - bzw. des zuvor eingeformte Einschnürungen aufweisenden Stabes - erfolgt. Die dadurch gege­ bene Streckung läßt sich durch geeignete Kalkulationsmethoden vorausberechnen, so daß in dem die rohen Wellenlager enthaltenden Zwischenrohling vorgegebene Abstände der rohen Wellenlager zu­ einander erreichbar sind.

Dies gilt auch für die Abwicklung der Fertigung nach Anspruch 3, die vorsieht, daß der beim Ausdrücken der Kurbellager überschüs­ sige Werkstoff in Richtung auf die benachbarten Wellenlager und unter Streckung derselben in diese fließt.

Die Maßnahmen der Ansprüche 2 und 3 sichern unter anderem einen optimalen Faserverlauf.

Die Anbindung der Erfindung an vorgeschaltete Stufen der Kurbel­ wellenherstellung bei einem Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem ein Freiformschmiedevorgang in einer Vorhitze zur Herstellung des Stabes vorgeschaltet ist, zeichnet sich dadurch aus, daß die Restwärme der Vorhitze und die Restwärme der ersten Hitze erhal­ ten werden, indem zum Einbringen der ersten Hitze der freiform­ geschmiedete Stab ein erstes Nachwärmen, zum Einbringen der zweiten Hitze der mit den rohen Wellenlagern versehene Stab ein zweites Nachwärmen erfährt. So wird ein besonders zügiger Ablauf der Herstellung erreicht.

Die Erfindung befaßt sich weiterhin mit einer Vorrichtung, näm­ lich mit einer Schmiedepresse zum Warmausformen einer Kurbel­ kröpfung an einem Stababschnitt, der zwischen zwei jeweils als Wellenlager eingeformten, sich zur Achse hin verjüngenden Ein­ schnürungen eines zu einer Kurbelwelle umzuformenden Stabes liegt, mit einem Untergesenk auf dem unteren Pressentisch, des­ sen seitliche Gesenkwangen den Einschnürungen angepaßt sind und das die Kontur des achsfernen Bereiches einer Kurbelkröpfung be­ stimmt, einem am Laufsattel zu befestigenden Obergesenk, dessen Gesenkkontur den achsnahen Bereich einer Kurbelkröpfung be­ stimmt, einer zusätzlichen Querstauchvorrichtung, deren zum Flachdrücken eines Stababschnittes bestimmte Stauchwerkzeuge über seitliche Keilepaare mit dem Laufsattel verbindbar und durch diesen bewegbar sind, und bei dem erfindungsgemäß vorgese­ hen ist, daß das Untergesenk in der durch die Stabachse eines in die Vorrichtung eingesetzten, zu verformenden Stabes bestimmten senkrechten Ebene in zwei quer zur Stabachse zwischen einer of­ fenen und einer geschlossenen Arbeitsposition verfahrbare Ge­ senkhälften geteilt ist, daß in der offenen Arbeitsposition die Gesenkhälften Abstand von einem eingelegten Stab haben, daß die Gesenkhälften, die gleichzeitig die Stauchwerkzeuge sind auch gegen den Verformungswiderstand des zwischen zwei Einschnü­ rungen des eingesetzten Stabes liegenden Stababschnittes bis zur geschlossenen Arbeitsstellung, in der sie gesichert aneinander anliegen, verfahrbar sind, und daß die unteren Gegenkeile der Keilepaare an den Gesenkhälften befestigt sind.

Eine solche Vorrichtung erlaubt es, die beiden Gesenkhälften zunächst zum Flachdrücken und zusammengefahren als Gesenk zu verwenden.

Nach der Weiterentwicklung gemäß Anspruch 6 enthält die Schmie­ depresse an den Gesenkhälften des Untergesenkes je einen Stellzylinder zum Öffnen und bedingten, d. h. teilweisem Schließen des geteilten Gesenkes, wobei weiterhin vom Beginn des Kontaktes einer Gesenkhälfte mit dem flachzudrückenden Stabteil an bis zum Ende des Flachdrückens die unteren Gegenkeilflächen mit den am Laufsattel lösbar befestigten Oberkeilen in Wirkkon­ takt stehen.

Diese Weiterentwicklung der Erfindung erlaubt eine erste Schließbewegung der Gesenkhälften, bis diese am umzuformenden Teil des Stabes anliegen oder nahezu anliegen, um danach die Presse selbst zum Flachdrücken und anschließend (nach dem Lösen der Oberkeile vom Laufsattel und dem Befestigen des oberen Ge­ senkes an diesem) nahezu in einem Zuge zum Ausdrücken der be­ troffenen Kurbelkröpfung zu nutzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und eine erfindungsgemäß gestal­ tete Schmiedepresse werden nachfolgend anhand der beigefügten Abbildungen beschrieben.

Von diesen zeigt

Fig. 1 ein Blockbild zum Verfahrensablauf gemäß Anspruch 1 Fig. 2 ein Blockbild zum Verfahrensablauf gemäß Anspruch 4

Fig. 3 bis Fig. 10 eine Schmiedepresse mit Querstauchvorrich­ tung in Seiten- und Stirnansichten, - jeweils als sche­ matisierter Ausschnitt und teilweise im Schnitt, sowie mit einem eingesetzten, weiter umzuformenden Stab - nämlich in

Fig. 3 und Fig. 4 eine erste Arbeitsposition mit geöffnetem Untergesenk,

Fig. 5 und Fig. 6 eine Arbeitsposition vor dem Beginn des Flach­ drückens,

Fig. 7 und Fig. 8 eine Arbeitsposition nach Ende des Flach­ drückens

Fig. 9 und Fig. 10 eine Arbeitsposition nach Ende des Aus­ drückens der Kurbelkröpfung

Das Blockbild nach Fig. 1 stellt beispielhaft den Verfahrensab­ lauf bei der Herstellung einer 8-fach gekröpften Kurbelwelle aus einem zunächst kalten Rundstab aus einem Vergütungsstahl der Werkstoffgruppe 42 CrMo 4, als Stab, bezeichnet dar. Hierbei wird dieser Stab zunächst durch Wärmen auf eine Schmiedetempera­ tur von etwa 1230°C gebracht und dann in ersten Arbeitsgängen nacheinander die sich zur Achse hin verjüngenden Einschnürungen für die Wellenlager eingeformt. Dies geschieht in der 1. Hitze.

Danach kann das so aus dem Stab erzeugte Werkstück, aus welchen Gründen auch immer, erkalten, um später durch weiteres Wärmen in die 2. Hitze gebracht zu werden. In dieser 2. Hitze wird in ei­ nem zweiten Arbeitsgang ein zwischen den Wellenlagern liegender stabbereich des Werkstückes in Winkelstellung flachgedrückt und in einem weiteren Arbeitsgang das Auspressen der Kurbelkröpfung des soeben flachgedrückten Stabbereichs vorgenommen. So wird verfahren, bis in der 2. Hitze alle 8 Kurbellager in ihrer rohen Form fertiggestellt sind.

In Fig. 2 ist in den Verfahrensablauf der vorgeschaltete Abguß des Rohblockes mit einbezogen, dem zum Erzeugen einer Vorhitze, d. h. der zum Rundstabschmieden geeigneten Temperatur, ein Wärmen folgt. Nach dem Rundstabschmieden wird der noch, aber nicht mehr ausreichend warme Stab einem Nachwärmen 1 unterzogen - das dem Erzeugen der ersten Hitze entspricht - und danach entsprechend dem zu Fig. 1 beschriebenen Ablauf verfahren, ohne jedoch das Werkstück nach dem Wellenlager-Schmieden erkalten zu lassen. Dem Ausdrücken des 8. Kurbellagers folgen übliche weitere Bearbei­ tungsvorgänge, wie das Brennen auf Länge, Vergüten, Flämmen und Prüfen, gegebenenfalls ein Warmrichten und Entspannen, schließ­ lich die Erprobung vor dem Versand der Kurbelwelle zum Motoren­ hersteller.

Zu Fig. 3 bis Fig. 10: In den auf je einem Blatt jeweils in Sei­ ten- und Stirnansicht dargestellten maschinentechnischen Gege­ benheiten des Verfahrensablaufes ist die Bezeichnung des Werk­ stückes 1 durchgehend beibehalten, obwohl es beginnend als Stab mit der Stabachse 2, mit Einschnürungen 3 für die Wellenlager und mit zunächst zylindrischen Stabbereichen 4 zwischen den Ein­ schnürungen 3 von Bearbeitungsstufe zu Bearbeitungsstufe seine Form bis hin bis zur Kurbelkröpfungen 5 aufweisende Kurbelwelle ändert.

Zur Schmiedepresse, die auch eine Querstauchvorrichtung zum seitlichen Flachdrücken enthält, gehören, wie Fig. 3 und Fig. 4 zeigen, ein unterer Pressentisch 6 und ein Untergesenk 7 mit stirnseitigen Führungen 8.

Das Untergesenk 7 ist geteilt und setzt sich aus den Gesenkhälf­ ten 9 und 10 zusammen, wobei die Gesenkhälfte 9 Stirnwangen 11, die andere Gesenkhälfte 10 Stirnwangen 12 aufweisen. Die Stirn­ wangen 11, 12 sind der sich zur Stabachse 2 hin verjüngenden Kontur der Einschnürungen 3 angepaßt und damit seitliche Begren­ zung des Untergesenkes 7. Pfeile 13 und 14 deuten die Bewegungs­ richtung der Gesenkhälften 9 und 10 zum Schließen des in Fig. 3 und Fig 4 voll geöffneten Untergesenkes 7 an. In dieser Stellung sind die Gesenkhälften 9, 10 von auch zum Öffnen des Untergesen­ kes 7 verwendbaren Schließzylindern 15 an seitliche Widerlager 16 des Pressentisches 6 zum Anschlag gebracht. An den Gesenk­ hälften 9, 10 sind Gegenkeile 17 und 19 angeordnet. Weiterhin sind Senkkeile 19 und 20 vorgesehen und Senkpfeilen 21 entspre­ chend absenkbar.

In Fig. 3 ist erkennbar, daß eine Kurbelkröpfung 5 bereits fer­ tiggestellt ist und nun der dieser benachbarte Stabbereich 4 zur Umformung ansteht. Dieser Vorgang beginnt damit, daß die Gesenk­ hälften 9, 10 mittels der Schließzylinder 15 den Pfeilen 13 und 14 entsprechend zusammengefahren und die Senkkeile 19, 20 abge­ senkt werden.

In Fig. 5 und Fig. 6 sind die Gesenkhälften 9, 10 am Werkstück 1 zur Anlage gebracht, wobei die Stirnwangen in die entsprechenden Einschnürungen greifen. Die Senkkeile 19 und 20 liegen an den entsprechend keilförmigen Gegenkeilen 17 und 18 und andererseits auch an den Widerlagern 16 an.

Es ist erkennbar, daß die Senkkeile 19, 20 Teil eines Querhauptes 22 sind, das lösbar am Laufsattel der nicht vollständig darge­ stellten Schmiedepresse befestigt und mit der Preßkraft beauf­ schlagbar ist. Das Querhaupt 22 hat einen zentralen Durchbruch 24.

In der in Fig. 6 dargestellt Ausgangsposition übernimmt nun das sich weiter absenkende Querhaupt 22 über die Senkkeile 19 und 20 das weitere Schließen des Untergesenkes 7, d. h. das Zusammenfah­ ren der Gesenkhälften 9 und 10 und bewirkt dabei das Flachdrücken des betroffenen Stabbereiches 4. Der Werkstoff dann dabei nach oben und nach unten fließen, während in Achsrichtung die Stirnwangen 11 und 12 weitgehend Fixierungen sind.

Am Senkkeil 19 ist eine konische Bohrung zur Aufnahme eines ko­ nischen Sicherungsbolzens 26 vorgesehen.

Der Vorgang des Flachdrückens ist in den Darstellungen nach Fig. 7 und Fig. 8 beendet, das Untergesenk 7 ist geschlossen, die Ge­ senkhälften 9 und 10 liegen aneinander. Das Querhaupt 22 hat seine untere Endposition erreicht, ist durch den in Richtung ei­ nes Pfeiles 27 bewegbaren Sicherungsbolzen arretierbar - und verriegelt damit auch die beiden Gesenkhälften 9 und 10 indirekt miteinander - und ist von dem wieder hochgefahrenen Laufsattel 23 gelöst worden. An den Laufsattel 23 ist nun das Obergesenk 28 angehängt worden und mit diesem entsprechend einem weiteren Pfeil 29 durch den zentralen Durchbruch 24 absenkbar.

Die Befestigung des Obergesenkes 28 am Laufsattel 23 ist in Fig. 9 durch Haltebolzen 30 nur angedeutet.

In der Endstellung des Herstellens einer Kurbelkröpfung 5, dar­ gestellt in Fig. 9 und Fig. 10, ist durch den Werkzeugteil 31 des Obergesenkes 28 die Kurbelkröpfung 5 für das entsprechende Kur­ bellager voll ausgedrückt.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahren und der vorstehend beschrie­ benen Schmiedepresse wird beispielsweise aus einem Rundstab (oder einem Vielkant-, wie 6- und 8-kant-Stab) mit einem Durch­ messer von 850 mm und einer Länge von ca. 9 m, der etwa 40 to Ge­ wicht hat, eine 8-hubige Kurbelwelle für einen Schiffsdieselmo­ tor gefertigt, die als Fertigmaße u. a. eine Länge von 8215 mm, einen Wellenlagerdurchmesser von 430 mm und einen Kurbellager­ durchmesser von 410 mm hat.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle, bei dem

• a) in ersten Arbeitsgängen in einen Stab zunächst nacheinan­ der die sich zur Achse hin verjüngenden Einschnürungen für die Wellenlager eingeformt werden,
• b) in einem zweiten Arbeitsgang ein zwischen den Wellenlagern liegender Stabbereich in Winkelstellung flachgedrückt wird,
• c) in einem weiteren Arbeitsgang das Auspressen der Kurbel­ kröpfung des flachgedrückten Stabbereichs erfolgt,
• d) und jeweils eine Gruppe von Arbeitsgängen, mindestens die in einer ersten Hitze auszuführende Gruppe der ersten Arbeits­ gänge, unabhängig von der Anzahl der Kröpfungen, in einer Hitze durchgeführt wird,
  dadurch gekennzeichnet
• e) daß in der zweiten Hitze in einer Winkellage sowohl der zweite Arbeitsgang des Flachdrückens eines zwischen den Wellen­ lagern liegenden stabbereiches, wie auch der weitere Arbeitsgang des Auspressens der Kurbelkröpfung dieses Stabbereiches erfolgt,
• f) daß in der gleichen zweiten Hitze ein weiterer zwischen den Wellenlagern liegender stabbereich in einem nächsten Ar­ beitsgang, der dem zweiten Arbeitsgang entspricht, flachgedrückt und in einem übernächsten Arbeitsgang, dem weiteren Arbeitsgang entsprechend, die Kurbelkröpfung des weiteren Stabbereiches aus­ gepreßt wird,
• g) und daß weiterhin in der gleichen zweiten Hitze jeweils ein Arbeitsgang des Flachdrückens und ein Arbeitsgang des Aus­ pressens der Kurbelkröpfung aufeinander folgen, bis alle zwi­ schen den Wellenlagern liegenden stabbereiche zu Kurbelkröpfun­ gen umgeformt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• h) daß in den ersten Arbeitsgängen das Einformen jeden Wel­ lenlagers unter freier Längung des Stabes - bzw. des zuvor ein­ geformte Einschnürungen aufweisenden Stabes - erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der beim Ausdrücken der Kurbellager überschüssige Werkstoff in Richtung auf die benachbarten Wellenlager und unter Streckung derselben in diese fließt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dem ein Frei­ formschmiedevorgang in einer Vorhitze zur Herstellung des Stabes vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Restwärme der Vorhitze und die Restwärme der ersten Hitze erhalten werden, indem zum Einbringen der ersten Hitze der freiformgeschmiedete Stab ein erstes Nachwärmen, zum Einbringen der zweiten Hitze der mit den rohen Wellenlagern versehene Stab ein zweites Nachwärmen erfährt.

5. Schmiedepresse zum Warmausformen einer Kurbelkröpfung an einem Stababschnitt, der zwischen zwei jeweils als Wellenlager eingeformten, sich zur Achse hin verjüngenden Einschnürungen ei­ nes zu einer Kurbelwelle umzuformenden Stabes liegt, mit

• - einem Untergesenk auf dem unteren Pressentisch, dessen seitli­ che Gesenkwangen den Einschnürungen angepaßt sind und das die Kontur des achsfernen Bereiches einer Kurbelkröpfung bestimmt,
• - einem am Laufsattel zu befestigenden Obergesenk, dessen Ge­ senkkontur den achsnahen Bereiches einer Kurbelkröpfung be­ stimmt,
• - einer zusätzlichen Querstauchvorrichtung, deren zum Flachdrücken eines Stababschnittes bestimmte Stauchwerkzeuge über seitliche Keilepaare mit dem Laufsattel verbindbar und durch diesen bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Untergesenk (7) in der durch die Stabachse (2) eines in die Vorrichtung eingesetzten, zu verformenden Stabes bzw. Werk­ stückes (1) bestimmten senkrechten Ebene in zwei quer zur Stabachse (2) zwischen einer offenen und einer geschlossenen Ar­ beitsposition verfahrbare Gesenkhälften (9, 10) geteilt ist, daß in der offenen Arbeitsposition die Gesenkhälften (9, 10) Ab­ stand von einem eingelegten Stab/Werkstück (1) haben, daß die Gesenkhälften (9, 10), die gleichzeitig die Stauchwerk­ zeuge sind auch gegen den Verformungswiderstand des zwischen zwei Einschnürungen (3) des eingesetzten Stabes (1) liegenden Stababschnittes (4) bis zur geschlossenen Arbeitsstellung, in der sie gesichert aneinander anliegen, verfahrbar sind, und daß die unteren Gegenkeile (17, 18) der Keilepaare an den Ge­ senkhälften (9, 10) befestigt sind.

6. Schmiedepresse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Gesenkhälften (9, 10) des Untergesenkes (7) je ein Stellzylinder (15) zum Öffnen und bedingten Schließen des ge­ teilten Gesenkes (7) angreift und vom Beginn des Kontaktes einer Gesenkhälfte (9 bzw. 10) mit dem flachzudrückenden Stababschnitt (4) an bis zum Ende des Flachdrückens die unteren Gegenkeilflä­ chen (17, 18) mit den am Laufsattel (23) lösbar befestigten Ober­ keilen (19, 20) in Wirkkontakt stehen.