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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Zahnstangen, die eine Verzahnung entlang einem Teil der Länge der Stangen
haben. Zahnstangen werden z. B. als Komponenten der Lenkung von
Kraftfahrzeugen verwendet. Die Erfindung stellt ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur rationellen Herstellung von Hohlzahnstangen
durch plastisches Umformen von Stahlrohren bereit.
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Herkömmlich werden
Zahnstangen für
Lenkungen aus Vollstangen hergestellt, aber zur Gewichtseinsparung
von Kraftfahrzeugen ist die Herstellung von Hohlmaterialien beabsichtigt. 7 ist eine
Perspektivansicht einer solchen Zahnstange 1, in der die
Bezugszahl 2 Zähne
der Verzahnung bezeichnet. Ein allgemeines Verfahren zur Herstellung einer
solchen Hohlzahnstange besteht darin, ein Loch in eine Vollstange
zu bohren, nachdem eine Verzahnung auf der Oberfläche geschnitten
ist. Andererseits ist ein Verfahren zur Bildung einer Verzahnung
durch plastisches Umformen auf einem Stahlrohrmaterial in der EP-A-0765793
und JP-A-3-5892 gezeigt.
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Das
Verfahren besteht aus zwei Bearbeitungsstufen, d. h. zunächst Abflachen
eines Teils des Stahlrohrs, der als Verzahnung auszubilden ist,
und anschließend
Bilden einer Verzahnung auf dem abgeflachten Teil. Für dieses
Verfahren ist eine geteilte Form zur Primärumformung, die rechts und
links geöffnet
werden kann, so vorbereitet, daß sie
einen zu bearbeitenden Teil des Stahlsrohrs festhält, wobei die
geteilte Form eine Durchgangsöffnung
an einem als Verzahnung zu bildenden Teil im geschlossenen Zustand
der Form hat. Dann wird ein primär
umgeformtes Werkstück
erhalten, indem ein Stempel mit einem flachen Kopf in die Öffnung eingeführt und
der Teil des Stahlrohrs abgeflacht wird. Als nächstes wird das primär umgeformte
Werkstück
in einer geteilten Form zur Sekundärumformung festgehalten, die rechts
und links geöffnet
werden kann und eine Innenformgestaltung hat, die mit der Außenformgestaltung
eines Zahnstangenprodukts übereinstimmt.
Das heißt,
die geteilte Form zur Sekundärumformung
hat ein Matrizenmuster aus Verzahnungszähnen in ihrem Oberteil in einem
geschlossenen Zustand der Form. Danach werden Dorne in das Stahlrohr
eingeführt,
um ein Abstreckziehen des zuvor abgeflachten Teils vom Inneren des
Stahlrohrs aus durchzuführen. Dadurch
wird die Außenfläche des
primär
umgeformten Werkstücks
ausgebaucht, und eine Verzahnung gemäß der Formgestalt der geteilten
Form zur Sekundärumformung
wird gebildet.
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Dieses
Verfahren verschwendet kein Material aufgrund des plastischen Formgebungsverfahrens im
Vergleich zu einem Schneidverfahren und kann hochqualitative Produkte
infolge von Verfestigung durch plastisches Umformen erzeugen. Bei
Anwendung dieses Verfahrens in der Praxis wurde aber festgestellt,
daß es
aufgrund recht hoher Kosten von Formen Raum für Verbesserungen gibt. Die
geteilte Form zur Primärumformung
hat nämlich
eine lange Standzeit, da die Form keiner Abnutzung unterliegt, während die
geteilte Form zur Sekundärumformung eine
relativ kurze Standzeit hat, da der Teil mit dem Matrizenmuster
der Verzahnungszähne
Verschleiß ausgesetzt
ist. Das Muster der Verzahnungszähne unterliegt
keiner starken Abnutzung, die das eingedrungene Ausbauchungsmaterial
verformt, da aber wiederholt eine große Spannung im Bildungsverfahren
der Verzahnung wirkt, wird das Muster der Verzahnungszähne beschädigt, was
dazu führt,
daß die Form
durch Risse ausfällt,
die an Füßen der
Zähne auftreten.
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Bei
Formen und Werkzeugen zum Gebrauch in den o. g. Verfahren zur Herstellung
von Zahnstangen ist eine kurze Standzeit aufgrund von Abnutzung in
gewissem Maß unvermeidlich,
da diese Reibung zwischen Materialien, z. B. Dornen, ausgesetzt
sind. Da aber im Gegensatz zu den Dornen die geteilte Form zur Sekundärumformung
eine komplexe Form in dem Teil mit dem Muster der Verzahnungszähne hat
und teuer ist, führt
eine kurze Standzeit der geteilten Form zu hohen Herstellungskosten
von Zahnstangen. Die Erfindung soll ein rationelles Verfahren zur
Herstellung von Zahnstangen bereitstellen, indem diese Probleme
durch Kostensenkung von Formen und Werkzeugen überwunden werden.
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Somit
handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren zur Herstellung
einer Hohlzahnstange durch Bearbeiten eines Teils der Länge eines
Stahlrohrs und Bilden einer Verzahnung darauf, wobei das Verfahren
die folgenden Schritte aufweist: Festhalten des Stahlrohrs in einem
geteilten Formensatz, der eine Innenformgestaltung hat, die einen
Gesamtumfang des Stahlrohrs am zu bearbeitenden Teil der Länge und
seine benachbarten Teile auf beiden Seiten mit der Ausnahme umschließt, daß die Formen eine Öffnung haben,
die dem zu bearbeitenden Teil des Stahlrohrs entspricht; Einführen eines
Stempels in die Öffnung
in einem geschlossenen Zustand der Formen und Abflachen des Teils
des Stahlrohrs; Einführen
eines verzahnungsbildenden Gesenks in die Öffnung der Formen mit der gleichen
Innenformgestaltung wie die Formen; Festhalten des verzahnungsbildenden
Gesenks in Kontakt mit dem abgeflachten Teil in einem geschlossenen
Zustand der Formen; und Einführen
von Dornen in das Innere des Stahlrohrs und Bilden eines Verzahnungsmusters entsprechend
dem verzahnungsbildenden Gesenk durch Abstreckziehen des abgeflachten
Teils vom Inneren des Stahlrohrs aus.
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Ferner
kann dieses Verfahren den Schritt des Einführens einer Kernstange während des
Abflachens des Stahlrohrs durch den Stempel aufweisen. Im diesem
Verfahren können
zudem der Stempel und das verzahnungsbildende Gesenk abwechselnd
in die Öffnung
eines geteilten Formensatzes zum Abflachen des Stahlrohrs und zum
Bilden des Verzahnungsmusters eingeführt werden, oder bei zwei oder mehr
geteilten Formensätzen
mit gleicher Innenformgestaltung können ansonsten ein oder mehrere
Formensätze
mit den Stempeln zum Abflachen des Stahlrohrs ausgestattet sein,
und die anderen Formensätze
können
mit den verzahnungsbildenden Gesenken zum Bilden des Verzahnungsmusters
ausgestattet sein.
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Außerdem betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer Hohlzahnstange
durch Bearbeiten eines Teils der Länge eines Stahlrohrs und Bilden
einer Verzahnung darauf, wobei die Vorrichtung aufweist: einen oder
zwei geteilte Formensätze, die
eine Innenformgestaltung haben, die einen Gesamtumfang des Stahlrohrs
am zu bearbeitenden Teil der Länge
und seine benachbarten Teile auf beiden Seiten mit der Ausnahme
umschließt,
daß die Formen
eine Öffnung
haben, die dem zu bearbeitenden Teil des Stahlrohrs entspricht;
einen Stempel mit einem flachen Kopf zum Einführen in die Öffnung und Abflachen
des Stahlrohrs; ein verzahnungsbildendes Gesenk zum In-Kontakt-halten
mit dem Stahlrohr in der Öffnung
der Formen; und Dorne zum Einführen
in das Innere des Stahlrohrs und Bilden eines Verzahnungsmusters
entsprechend dem verzahnungsbildenden Gesenk durch Abstreckziehen
des abgeflachten Teils vom Inneren des Stahlrohrs aus. In dieser
Vorrichtung kann das verzahnungsbildende Gesenk ferner ein vorstehendes
Teil haben, das an beiden Kanten in Breitenrichtung der Verzahnung
kontinuierlich ist.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung anhand der Zeichnungen exemplarisch erläutert.
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1 ist
eine Querschnittansicht in Längsrichtung
einer Zahnstange, die das Verfahren der Erfindung erläutert.
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2 und 3 sind
Querschnittansichten senkrecht zur Längsrichtung der Zahnstange
an Linien A-A bzw. B-B in 1.
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4 ist
eine Querschnittansicht zur Darstellung des nächsten Schritts nach dem Verfahren von 1 in
der Erfindung.
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5 ist
eine Seitenansicht eines Beispiels für einen Dorn in der Erfindung,
und 6 ist eine Perspektivansicht eines verzahnungsbildenden
Gesenks in der Erfindung.
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7 ist
eine Perspektivansicht einer Hohlzahnstange. 1 ist eine
Querschnittansicht in Längsrichtung
einer Zahnstange zur Erläuterung
des Verfahrens der Erfindung, und 2 und 3 sind Querschnittansichten
senkrecht zur Längsrichtung der
Zahnstange an Linien A-A bzw. B-B in 1. Die Bezugszahlen 5 und 6 bezeichnen
einen geteilten Formensatz, der eine Innenformgestaltung hat, die ein
zu bearbeitendes Stahlrohr 3 umschließt und eine später beschriebene Öffnung hat,
wenn die obere und untere Form geschlossen sind. Diese Formen sind
mit einem in den Zeichnungen nicht gezeig ten Öffnungs- und Schließmechanismus
z. B. durch Betätigung
von Hydraulikzylindern verbunden. Das Stahlrohr ist in den Formen
entlang dem zu bearbeitenden Teil seiner Länge, d. h. dem Teil zur Bildung einer
Verzahnung, und seiner benachbarten Teile auf beiden Seiten untergebracht.
Da gemäß 7 die Verzahnung
nur entlang einem Seitenabschnitt der Länge der Zahnstange liegt, befindet
sich die andere Seite der Länge
des Stahlrohrs außerhalb
der Formen, wenn das Rohr in den Formen aufgenommen ist. Das heißt, die
geteilten Formen können
am Teil an einem Ende des Rohrmaterials geschlossen sein, wobei
es aber gemäß der späteren Erläuterung
günstig
ist, daß die
geteilten Formen in der geschlossenen Position eine Öffnung 7 an
der Verlängerung
des Rohrs so haben, daß die Öffnung zum
Rohr führt,
damit das Einsetzen von Dornen in das Rohr zweckmäßig erfolgt.
Außerdem
kann der geteilte Formensatz natürlich
aus drei oder mehr Formen im Gegensatz zu den zwei mit der oberen
und unteren Form gemäß 1 bestehen.
Wie zuvor erwähnt,
haben die geteilten Formen 5 und 6 eine Formgestalt,
die den Gesamtumfang des Stahlrohrs 3 umschließt, aber
in einem Gebiet, das dem zu bearbeitenden Teil des Rohrs entspricht,
haben die Formen eine Öffnung, die
sich senkrecht zur Rohrachse erstreckt. Das heißt, die Bezugszahl 8 in 1 und 2 bezeichnet
eine Öffnung
in der oberen Form, wobei die Öffnung
eine rechtwinklige Form in Entsprechung zu dem als Verzahnung auszubildenden
Teil hat. Nachdem das Stahlrohr in der geteilten Form wie zuvor
beschrieben festgehalten ist, wird ein Stempel 9 mit einem
flachen Kopf in die Öffnung 8 eingeführt, um
diesen Teil des Stahlrohrs 3 zu pressen und eine flache Oberfläche darauf
zu bilden. Der Stempel 9 ist mit einem in den Zeichnungen
nicht gezeigten Preßmechanismus
z. B. durch Betätigung
von Hydraulikzylindern verbunden und hat vorzugsweise ein solches Profil,
daß er
die rechtwinklige Öffnung
ohne Zwischenräume
gerade füllt.
Während
des Preßvorgangs
kann das Innere des Rohrmaterials leer sein, aber es kann auch eine
Kernstange 10 gemäß 1 und 2 eingeführt sein,
die einen Querschnitt hat, der einer Innenformgestaltung des abgeflachten Rohrs
entspricht, bei der es sich um ein Kreissegment handelt. Durch Vorhandensein der
Kernstange lassen sich die Dicke und Querschnittform des abgeflachten
Teils durch Pressen zwischen dem Stempel und der Kernstange steuern.
Eine Folge plastischer Umformschritte in der Erfindung, u. a. dieses
Abflachen, kann als Kaltumformung durchgeführt werden, läßt sich
aber natürlich
auch als Warmumformung durchführen,
indem die Werkstücke
auf hohe Temperaturen erwärmt
werden.
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4 ist
eine Querschnittansicht der gleichen Position wie in 1 und
erläutert
das im folgenden beschriebene Verfahren. Darstellungsgemäß wird ein
verzahnungsbildendes Gesenk 11 in die Öffnung 8 in der oberen
Form 5 der geteilten Formen anstelle des Stempels 9 eingeführt und
mit dem abgeflachten Teil des Stahlrohrs 3 in Kontakt gehalten.
In dieser Ausrichtung wird ein Dorn 12 in das Rohr gedrückt, um
eine Verzahnung auf dem Rohr entsprechend dem verzahnungsbildenden
Gesenk 11 durch Abstreckziehen des abgeflachten Teils aus
dem Rohrinneren zu bilden. Das verzahnungsbildende Gesenk hat die
gleiche Formgestalt wie der zum Abflachen im vorherigen Schritt
verwendete Stempel 9 mit der Ausnahme eines Matrizenmusters
aus Verzahnungszähnen
auf dem Kopf und hat einen Querschnitt, der die Öffnung der geteilten Formen
gerade füllt.
Indem man also das Rohrmaterial in denselben geteilten Formen 5 und 6 behält, kann
der Stempel 9 durch das verzahnungsbildende Gesenk 11 ersetzt werden.
Natürlich
kann nach Durchführen
des Abflachungsverfahrens durch den Stempel für mehrere Rohrmaterialien das
Verzahnungsbildungsverfahren für
diese mehreren Rohrmaterialien erfolgen, indem der Stempel durch
das verzahnungsbildende Gesenk ersetzt wird. Somit läßt sich
im Verfahren der Erfindung allein das verzahnungsbildende Gesenk
mit kurzer Standzeit austauschen.
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Außerdem können in
der Großserienfertigung
die geteilten Formen in Kombination mit dem Stempel und die geteilten
Formen in Kombination mit dem verzahnungsbildenden Gesenk jeweils
für eine exklusive
Verwendung vorgesehen sein, und das Verfahren kann dann durch Überführen von
Werkstücken
zwischen ihnen durchgeführt
werden. Natürlich ist
es unnötig,
Dorne und ihren Schiebemechanismus für die geteilten Formen in Kombination
mit dem Stempel vorzusehen, wenn das Verfahren zum Abflachen von
Stahlrohren exklusiv durchgeführt
wird. Andererseits kann für
die geteilten Formen in exklusiver Kombination mit dem verzahnungsbildenden
Gesenk das verzahnungsbildende Gesenk an einer der geteilten Formen,
z. B. der oberen Form, befestigt sein. Auch in diesem Fall bleibt
der Vorteil erhalten, daß allein
das verzahnungsbildende Gesenk ausgetauscht werden kann.
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Der
Dorn wird in das Stahlrohr eingeführt, während er an einem in den Zeichnungen
nicht gezeigten Preßmechanismus
angebaut ist. Im Prinzip hat das Einführen in jede Seite des Rohrs
keine unterschiedlichen Auswirkungen auf das plastische Umformen,
aber das Einführen
von der Seite nahe dem als Verzahnung auszubildenden Teil kann den Dorn
kürzer
sein lassen. Dazu sollten, wie zuvor anhand von 1 erwähnt, die
geteilten Formen 5, 6 in der geschlossenen Position
eine Öffnung 7 an
der Verlängerung
des Stahlrohrs so haben, daß die Öffnung zum
Rohr führt.
Außerdem
kann durch alternatives Einführen
von Dornen von beiden Enden aus Umformzeit eingespart werden.
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Das
Abstreckverfahren durch Einführen
von Dornen läßt sich
bei Raumtemperatur durchführen, wobei
aber die Formgebung einer Verzahnung in einem einzelnen Schritt
unmöglich
ist und die Verzahnungszähne
in mehreren Schritten ausgebildet werden sollten, indem Dorne mit
schrittweisen Größen eingeführt werden.
Dazu läßt sich
durch Verwendung eines in Seitenansicht in 5 gezeigten
und mehrere Stufen 14 mit schrittweisen Größen aufweisenden Dorns
an der Abstreckposition die Anzahl von Hüben reduzieren. Zudem kann
der Dorn eine solche Form haben, daß die Abstreckpositionen stückförmig (engl. lump-shape
form) vom anderen Teil ansteigen. Das heißt, der Dorn mit einer Folge
von Stücken
(engl. lumps) mit zunehmender Höhe
kann die gleiche Leistung wie der Dorn mit mehreren Stufen gemäß 5 haben.
Eine ausreichende Schmierung, z. B. Ölzufuhr beim Einführen von
Dornen, kann Abnutzung an Dornen reduzieren und die Umformkraft
verringern.
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Die
Erfindung kann Hohlzahnstangen in einer Folge von Umformvorgängen gemäß der vorstehenden
Darstellung produzie ren. Da in der Vorrichtung, die in der o. g.
JP-A-3-5892 offenbart ist, die geteilte Form und die Verzahnungszähne in einem
Körper
kombiniert sind, muß der
ganze Körper
ausgetauscht werden, wenn das Zähneteil
beschädigt
ist. Im Gegensatz dazu reicht es bei der Vorrichtung der Erfindung
aus, nur das Teil des verzahnungsbildenden Gesenks auszutauschen,
das starkem Verschleiß ausgesetzt
ist. Außerdem
sind die geteilten Formen in Kombination mit dem Muster aus Verzahnungszähnen wegen
ihrer komplizierten Formgestalt schwierig herzustellen, wogegen
das erfindungsgemäße verzahnungsbildende
Gesenk eine relativ einfache Formgestalt hat, die leicht herzustellen
ist. Daher sind in der Erfindung die Kosten der Formen gering.
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Weiterhin
wurde nachgewiesen, daß die Standzeit
des verzahnungsbildenden Gesenks durch Optimieren der Gesenkform
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Herstellung von Zahnstangen verlängert werden kann. Das heißt, für das erfindungsgemäße verzahnungsbildende
Gesenk wäre denkbar,
das Matrizenmuster der Verzahnungszähne über die gesamte Breite gemeinhin
so zu formen, daß es
die gleiche Schnittform hat, schneidet man es an einer beliebigen
Position parallel zur Längsrichtung
des verzahnungsbildenden Gesenks. Das verzahnungsbildende Gesenk
mit einer solchen Form läßt sich
leicht durch Auskehlen mit einem Fräser herstellen. Jedoch wurde
nachgewiesen, daß sich die
Standzeit des verzahnungsbildenden Gesenks stark verbessert, indem
das Gesenk gemäß der Perspektivansicht
von 6 so geformt ist, daß es ein vorstehendes Teil 16 hat,
das an beiden Kanten in Breitenrichtung der Verzahnung kontinuierlich
ist. Durch diese Konfiguration werden die Köpfe 15 der Zähne auf
dem verzahnungsbildenden Gesenk, d. h. der Teil, der Zahnfüßen einer
zu bildenden Verzahnung entspricht, an beiden Kanten in Breitenrichtung der
Verzahnung fortgeführt.
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Das
heißt,
eine Bruchbedingung am Ende der Standzeit eines verzahnungsbildenden
Gesenks ist durch Auftreten von Rissen an den Zahnfüßen des Gesenks
gekennzeichnet, d. h. an dem Teil, der den Zahnköpfen einer zu bildenden Verzahnung
entspricht. Man geht davon aus, daß dieses Ergebnis von Biege spannung
an den Zähnen
des Verzahnungsgesenks ist, wenn das sich vom abgeflachten Teil
des Rohrs ausbauchende Material durch das verzahnungsbildende Gesenk
blockiert wird. Als Ergebnis der Spannungskonzentration auf den
Fuß der konkaven
Stellen des Gesenks nimmt man an, daß die Bruchfestigkeit dieses
Teils nicht der Spannung widerstehen kann und Risse leicht auftreten.
Der Grund für
die Gestaltung des verzahnungsbildenden Gesenks, bei dem die Köpfe 15 der
Zähne an
beiden Kanten in Breitenrichtung der Verzahnung fortgeführt sind,
beruht auf dieser Überlegung.
Durch diese Konfiguration konzentriert sich die Biegespannung an den
Zähnen
des verzahnungsbildenden Gesenks nicht auf die Füße 17 der konkaven
Stellen am Gesenk, sondern wird im kontinuierlichen vorstehenden Teil
verteilt. Damit ist Rißentstehung
an den Füßen der
konkaven Stellen am verzahnungsbildenden Gesenk verhindert, was
zu langer Standzeit des Gesenks führt. Außerdem ist im Gebrauch des
verzahnungsbildenden Gesenks, bei dem das vorstehende Teil an den
Kanten in Breitenrichtung der Verzahnung kontinuierlich ist, die
Breite gebildeter Verzahnungszähne
kleiner als im Gebrauch des verzahnungsbildenden Gesenks mit einem
Matrizenmuster der Zähne über die
gesamte Breite, wenn Größen der
geteilten Formen und anderer Werkzeuge identisch sind. Allerdings
ist dies kein Problem in der Gestaltungspraxis von Zahnstangen.
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Die
Erfindung sollte nicht auf die zuvor anhand der Zeichnungen erläuterte Ausführungsform beschränkt werden.
In der Praxis kann die Erfindung, ohne ihrer Wirksamkeit beraubt
zu werden, innerhalb der technologischen Konzepte und Merkmale der
Erfindung geeignet abgewandelt oder verbessert werden. Zum Beispiel
sollten bei Abflachung eines Teils der Außenfläche eines Stahlrohrs Abweichungen
von einfacher Ebenheit zum Schutzumfang der Erfindung gehören, solange
sie nicht vom Schutzumfang der Erfindung gemäß der Festlegung durch die
beigefügten
Ansprüche
abweichen. Gleichermaßen
kann in einigen Fällen
die Oberfläche
eines Dorns, die mit der Innenfläche
des abgeflachten Teils eines Stahlrohrs in Kontakt zu bringen ist,
von einfacher Ebenheit abweichen.