DE60315987T2 - Verfahren zur Herstellung einer hohlen Zahnstange - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen einer Zahnstange aus einem Metallrohr, welche für eine Lenkeinrichtung in einem Automobil u. a. verwendet wird.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine Zahnstange als ein Teil für eine Lenkeinrichtung eines Automobils wird konventionellerweise aus einem Vollstangenelement durch eine Bearbeitung, wie z. B. Räumen, hergestellt. Bei einer derartigen konventionellen Zahnstange ist jedoch nachteilig, dass sie infolge ihrer massiven Struktur ein erhöhtes Gewicht aufweist. Ferner ermöglicht das Räumen es nicht, eine Zahnstange mit variablem Übersetzungsverhältnis (VGR) zu erhalten, weil eine Bearbeitung von gezahnten Bereichen veränderlicher Breite durch das Räumen unmöglich ist.
  • Im Hinblick auf das oben Gesagte ist mit dem Ziel der Gewichtsverringerung sowie zum Erhalt einer übersetzungsveränderlichen Konstruktion in neuerer Zeit die Bildung einer hohlen Zahnstange aus einem Rohrrohling, hergestellt durch einen Formprozess vorgeschlagen worden. Siehe die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 3-5892 , die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 5-169181 oder die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 6-246379 oder die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 2001-300677 .
  • Beim Formen einer hohlen Zahnstange wird ein Rohrrohling von einem gezahnten Gesenk gehalten. Sodann wird ein Dorn unter einem Druck in den durch das Gesenk gehaltenen Rohrrohling eingeführt, so dass eine radiale Ausdehnung des Metalls (plastisches Fließen des Metallmaterials) in Richtung der gezahnten Bereiche erzeugt wird, wodurch eine Zahnstange geformt wird. Also ist eine gewünschte Kontrolle des Querschnittsbereichs im Wesentlichen erforderlich, um eine gewünschte Präzision der Zahnstange zu erhalten. Jedoch sind die von den Herstellern gelieferten Rohrrohlinge, was ihre Innen- und Außendurchmesserwerte anbelangt, lediglich in einem Toleranzbereich unter staatlicher Regulierung kontrolliert, z. B. in einem Japanese Industrial Standard (JIS). Somit ist eine Präzision dieser Rohrrohlinge z. B. für das Formen von Zahnstangen unzureichend, woraus eine Variation im Metallfluss sowie eine erhöhte Umformkraft während der Durchführung des Formprozesses resultieren. Somit wird einerseits eine Produktionseffizienz verringert, und andererseits wird eine Nutzungsdauer der Werkzeuge (Gesenke) reduziert infolge der übermäßigen Belastung, die während der Durchführung der Bearbeitung darin auftritt.
  • Ein typisches konventionelles Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange aus einem Rohrmaterial ist in der Patentschrift US 4 598 451 offenbart, welche die Grundlage für den Oberbegriff von Anspruch 1 bildet. Gemäß diesem Verfahren wird das Rohrmaterial in einem ersten Paar von geteilten Formgesenken fest geklemmt, um einen ersten rohrförmigen Formling zu formen, der einen zylindrischen Wandteil und einen flachen Wandteil umfasst, und sodann wird der erste Formling in einem zweiten Paar von geteilten Formgesenken fest geklemmt, deren Inneres so geformt ist, dass es komplementär zu einer Zahnstange ist, welche an dem flachen Wandteil erzeugt werden soll. Sodann wird ein Dorn mit einer Kraft, entweder mit oder ohne Vibration, in die Bohrung des ersten Formlings eingeführt, während dieser innerhalb der zweiten Formge senke gehalten wird, so dass die Zähne einer Zahnstange an der flachen Wand des ersten Formlings durch plastische Verformung gebildet werden.
  • Das konventionelle Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange ist nachteilig im Hinblick auf Schwierigkeiten in einem nachfolgenden Härteprozess. Namentlich wird bei einem üblichen Härteprozess eine Zahnstange durch ein Gesenk nur an einer Außendurchmesserseite gehalten. In diesem Falle ist keine Begrenzung des Entweichens der thermischen Verformung in Richtung der Innendurchmesserseite möglich. Ferner ist eine Einführung eines Kerns nicht effektiv zum Erhalt einer gewünschten Präzision wegen einer reduzierten Präzision eines Innendurchmessers eines Rohrrohlings innerhalb einer Toleranz. Als eine Folge ist eine speziell ausgerichtete Technik erforderlich zum Durchführen des Härtens der hohlen Zahnstange, was einerseits den Härteprozess zeitaufwändig macht und andererseits die Produktionskosten erhöht. Ferner ist es bei einem Zahnstangen-Formprozess wahrscheinlich, dass ein Metallfluss in der Richtung erzeugt wird, in der eine Bewegungsdistanz kurz, d. h. der Metallfluss leicht ist. Dies führt dazu, dass bei Verwendung eines Dorns vom vereinfachten Typ mit gleichmäßigem Querschnitt in einem Zahnstangen-Formprozess damit zu rechnen ist, dass ein lokal exzessiver oder lokal verkürzter Fluss des Metalls zu einem gezahnten Gesenk erzeugt wird, woraus ein vermindertes Leistungsverhalten resultiert. Im Hinblick hierauf ist eine Verbesserung vorgeschlagen worden, wobei eine Mehrzahl von Dornen von nichtgleichmäßiger Form bereitgestellt werden, um nicht-gleichmäßig gemachte Metallflüsse zu erhalten. Jedoch ist dieses verbesserte Verfahren nachteilig, weil es einerseits mit erhöhten Kosten verbunden ist und andererseits nicht die Möglichkeit bietet, den Metallfluss in der Axialrichtung einzustellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Nachteile zu überwinden, welche im Stand der Technik anzutreffen sind.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Präzision des Produkts zu erhöhen und dabei gleichzeitig eine Nutzungsdauer von Bearbeitungswerkzeugen zu verbessern.
  • Ferner besteht ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung darin, die Produktionskosten für eine Zahnstange zu reduzieren.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Formen einer hohlen Zahnstange aus einem Metallrohrrohling die Schritte:
    • (a) Unterziehen des Rohrrohlings unter einen plastischen Verformungsvorgang zur Anpassung einer Querschnittsform des Metallrohrrohlings;
    • (b) Halten des angepassten Metallrohrrohlings mittels eines Gesenks mit gezahnten Bereichen, so dass die gezahnten Bereiche mit dem Rohrrohling an dessen äußerer Oberfläche in Kontakt gebracht werden; und
    • (c) Einführen eines Dorns in den durch das Gesenk gehaltenen Rohrrohling unter Druck, um ein Fließen des Metalls in Richtung der gezahnten Bereiche zu bewirken, wodurch an der äußeren Oberfläche des Rohrrohlings gezahnte Bereiche geformt werden, deren Formen zu denjenigen der gezahnten Bereich des Gesenks korrespondieren.
  • Der Schritt des Anpassens der Querschnittsform umfasst die Schritte: Unterziehen des Rohrrohlings unter einen Gesenkformungsvorgang, um den Durchmesser des Rohrrohlings zu verringern, und Unterziehen des gesenkgeformten Rohrs unter einen Abstreckziehvorgang, um eine gewünschte Querschnittsform des Rohrrohlings zu erzeugen. Das Gesenkformen zur Verminderung des Durchmessers des Rohrrohlings gefolgt von dem Abstreckziehen erlaubt es, den Rohrrohling mit einer gewünschten Querschnittsform mit einem gewünschten Durchmesser sowie einer Dicke mit lokal variierten Dickenbereichen zu formen, was einerseits der Verbesserung der Produktpräzision und andererseits der Verlängerung der Nutzungsdauer des Werkzeugs förderlich ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kontrolle der Querschnittsform des Rohrrohlings durch einen Abstreckziehprozess vor der Zahnstangenformung durchgeführt, so dass eine nicht-gleichmäßige Querschnittsform des Rohrrohlings erhalten wird. Anders ausgedrückt, eine Dicke des Rohrrohlings wird an Enden entlang der Länge und Breite lokal erhöht, wodurch ein gewünschter Metallfluss auch in der Endzone des Gesenks erhalten wird. Auf grund der nicht-gleichmäßigen Querschnittsform wird eine Anpassung an eine gewünschte Änderung in den gezahnten Bereichen möglich, wenn eine Zahnstange vom Schrägverzahnungs- oder VGR-Typ hergestellt werden soll, bei der eine Zahnteilung sowie eine Zahnbreite variiert sind. Ferner ist eine nichtgleichmäßige Querschnittsform gemäß vorliegender Erfindung derart, dass ein Mangel an Metallfluss an geöffneten Enden in der Achsenrichtung und/oder ein Mangel an Metallfluss an Enden der Zahnbreitenrichtung ausgeglichen wird. Kurz, aufgrund dieser Lösung mit der unregelmäßigen Form wird ein gleichmäßig kompensierter Fließwiderstand des Metalls erhalten, unabhängig von der Verwendung eines einzigen gleichmäßig geformten Dorns. Kurz, gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine verminderte Bearbeitungskraft, eine erhöhte Nutzungsdauer, eine erhöhte Präzision sowie eine erhöhte Eingriffseffizienz erhalten, ohne die Verwendung einer Mehrzahl von unregelmäßig geformten Dornen.
  • Weitere Aspekte der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • KURZBESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNERISCHEN DARSTELLUNG
  • Die 1A bis 1E sind Darstellungen, welche Schritte zum Anpassen einer Querschnittsform eines Rohrrohlings unter einem Gesenkformungs- und einem Abstreckziehvorgang illustrieren.
  • 2A zeigt eine Querschnittsform eines Rohrrohlings entlang der Linie A-A in 1D.
  • 2B zeigt eine Querschnittsform eines Rohrrohlings entlang der Linie B-B in 1D.
  • 3 ist eine longitudinale Querschnittsform einer Gesenkeinheit zum Formen einer Zahnstange aus einem Rohrrohling.
  • 4 ist eine Untersicht eines Obergesenks, welches in 3 gezeigt ist.
  • 5A zeigt einen transversalen Querschnitt der Gesenkeinheit entlang der Linie V-V vor Beginn eines Vorgangs zum Formen einer Zahnstange aus einem Rohrrohling.
  • 5B zeigt einen transversalen Querschnitt der Gesenkeinheit entlang der Linie V-V nach Einführung eines Dorns in einen Rohrrohling.
  • 6A zeigt einen transversalen Querschnitt der Gesenkeinheit entlang der Linie VI-VI vor Beginn eines Vorgangs zum Formen einer Zahnstange aus einem Rohrrohling.
  • 6B zeigt einen transversalen Querschnitt der Gesenkeinheit entlang der Linie VI-VI nach Einführung eines Dorns in einen Rohrrohling.
  • 7A ist eine Draufsicht auf eine Zahnstange vom geradverzahnten Typ, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
  • 7B ist eine Draufsicht auf eine Zahnstange vom geradverzahnten Typ in einem Stand der Technik.
  • 8 ist eine Draufsicht auf einen Dorn zum Formen einer Zahnstange gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 9 zeigt eine longitudinale Querschnittsform entlang der Linie IX-IX in 8.
  • 10 ist eine Draufsicht auf einen Dorn zum Formen einer Zahnstange gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 11 zeigt eine longitudinale Querschnittsform entlang der Linie XI-XI in 10.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Vorbearbeitung
  • Es wird nun ein Prozess zum Bilden oder Formen einer Zahnstange gemäß vorliegender Erfindung erläutert. Zunächst werden Rohrrohlinge einem Prozess zum Erhalt einer gewünschten Querschnittsform unterworfen. Namentlich ist es bei Rohrrohlingen von Stahlrohrherstellern so, dass die Außen- und Innendurchmesser dieser Rohrrohlinge in unter staatlicher Regulierung geregelten Toleranzbereichen, z. B. in Japanese Industrial Standard (JIS), stark variieren. Infolge einer derartigen großen Variation in den Außen- und/oder Innendurch messern entsprechen diese Rohrrohlinge bei weitem nicht den gewünschten, was ihre Querschnittsformen anbelangt, wodurch einerseits eine reduzierte Präzision der Produkte (Zahnstangen) bewirkt wird und andererseits eine starke Reduzierung der Nutzungsdauer von Werkzeugen, z. B. eines Gesenks sowie eines Formdorns, bewirkt wird. Gemäß vorliegender Erfindung wird ein vorausgehender plastischer Verformungsprozess, umfassend einen Gesenkformungs- und Abstreckziehvorgang, zum Erhalt einer gewünschten Querschnittsform des Rohrrohlings neu bereitgestellt. Ein Detail eines solchen vorausgehenden Prozesses wird nun erläutert. Namentlich bezeichnet in den 1A bis 1E eine Bezugsziffer 10 einen aus einem Stahl hergestellten Rohrrohling und 12 ein Gesenk in Ringform für einen Gesenkformungsvorgang. In 1A wird der Rohrrohling 10 von einem geeigneten Haltemittel (nicht gezeigt) gehalten, und sodann wird das Formgesenk 12 in der mit einem Pfeil a bezeichneten Richtung bewegt. 2B illustriert einen Zustand, in dem das Gesenk 12 seine vorgesehene Bewegung abgeschlossen hat, so dass eine Verminderung eines Außendurchmessers des Rohrrohlings 10 korrespondierend zu einem Innendurchmesser des Gesenks 12 erhalten wird. Sodann tritt eine Rückwärtsbewegung des Gesenks 12 in Gegenrichtung auf, wie durch einen Pfeil a' gezeigt. Damit ist eine Verminderung (Gesenkformung) des Außendurchmessers des Rohrrohlings beendet.
  • Als nächstes wird ein Prozess zum Erhalt einer gewünschten Querschnittsform, z. B. einer unregelmäßigen Querschnittsform, beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird eine derartige unregelmäßige Form in Bereichen eines Rohrrohlings gebildet, welche zu Enden eines Zahnstangenteils in einer Zahnstange korrespondieren. Namentlich wird während eines Zahnstangen-Formprozesses ein Zahnstangen-Formdorn in einen Rohrrohling eingeführt, der durch ein gezahntes Gesenk gehalten wird, welches gezahnte Bereiche aufweist. Eine derartige Dorneinführung bewirkt ein radiales Ausdehnen oder Fließen eines Metalls in die gezahnten Bereiche des Gesenks, so dass eine Zahnstange (gezahnte Bereiche) an dem Rohrrohling geformt wird. Jedoch tritt an den Enden des Gesenks der Metallfluss leicht mehr in einer Längsrichtung mit einem geringeren Widerstandswert auf als in einer Breitenrichtung mit einem größeren Widerstandswert. Im Ergebnis ist an den Enden des Gesenks der Metallfluss mehr axial "ausgewichen" als in das Gesenk geflossen. Somit ist eine Fließmenge von Metall in das Gesenk ungenügend, wodurch eine verminderte Zahnbreite an den Enden des Gesenks bewirkt wird. In diesem Fall wird eine sogenannte Schiffsbodenform des gezahnten Bereichs (Zahnstange) erhalten, bei Betrachtung des Produkts (Zahnstange) von oben, wie in 7B gezeigt. Um dieses Problem zu vermeiden, wird ein Rohrrohling einer plastischen Vorbearbeitung zur Anpassung einer Querschnittsform des Rohrrohlings unterzogen. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anpassung so, dass der Rohrrohling einer plastischen Vorbearbeitung unterzogen wird, derart, dass eine unregelmäßige Querschnittsform an den Enden des Gesenks erhalten wird. Die unregelmäßige Querschnittsform des Rohrrohlings an den Enden des Gesenks ist derart, dass ein Metallfluss an den Enden des Gesenks erhöht wird, so dass eine vergleichmäßigte Zahnbreite entlang der gesamten Länge des Zahnstangenteils der Zahnstange erhalten wird, wie in 7A gezeigt. Wie in 1C gezeigt, ist eine Vorrichtung zum Erhalt einer gewünschten unregelmäßigen Querschnittsform des Rohrrohlings 10 aufgebaut aus einem Dorn 14 und einer Gesenkeinheit 16. Die Gesenkeinheit 16 ist von einer oberen Gesenkhälfte 16-1 und einer unteren Gesenkhälfte 16-2 gebildet. 1C illustriert einen Zustand, wobei eine Einführung des Dorns 14 abgeschlossen ist. Der Dorn 14 weist an seinem führenden Ende einen vergrößerten Bearbeitungskopf 14-1 zum Abstreckziehen auf. In 1C befindet sich die Gesenkeinheit 16 in einem geöffneten Zustand, wobei die obere und die untere Gesenkhälfte 16-1 und 16-2 voneinander getrennt sind.
  • Aus einem geöffneten Zustand der Gesenkeinheit wird eine Relativbewegung zwischen der oberen und der unteren Gesenkhälfte 16-1 und 16-2 erhalten, derart, dass diese Gesenkhälften 16-1 und 16-2 zusammengeführt oder geschlossen werden, wie in 1D gezeigt. Im geschlossenen Zustand der Gesenkeinheit wird der Rohrrohling 10 in Kontakt mit den Gesenkhälften 16-1 und 16-2 einer Verminderung in seinem Außendurchmesser unterzogen. 2A illustriert Querschnittsformen der oberen und der unteren Gesenkhälfte 16-1 und 16-2 in einer mittleren Position entlang der Länge der Gesenkeinheit. Wie in 2A gezeigt, weisen sowohl die obere als auch die untere Gesenkeinheit 16-1 und 16-2 innere Oberflächen 16-1a und 16-2a von halbkreisför miger Querschnittsgestalt auf. Diese inneren Oberflächen 16-1a und 16-2a wirken zusammen, um einen Bearbeitungshohlraum zu bilden, wenn das obere und das untere Gesenk 16-1 und 16-2 zusammengeführt werden. 2B illustriert Querschnittsformen der oberen und der unteren Gesenkhälfte 16-1 und 16-2 an einem Ende entlang der Länge der Gesenkeinheit 16. Wie in 2B gezeigt, weist die untere Gesenkhälfte 16-2 eine innere Oberfläche 16-2b von halbkreisförmiger Gestalt auf. Im Gegensatz dazu weist die obere Gesenkhälfte 16-1 eine innere Oberfläche 16-1b von unregelmäßiger Querschnittsform auf. Namentlich weist die innere Oberfläche 16-1b des Obergesenks 16-1 ausgesparte oberseitige Bereiche im transversalen Querschnitt auf, wie in 2B gezeigt. Bei dieser Ausführungsform weist die Gesenkeinheit 16 eine unregelmäßige Querschnittsform nur an den Enden 16-1b des Obergesenks entlang ihrer Länge auf. Es ist jedoch natürlich auch möglich, dass der Bearbeitungshohlraum der Gesenkeinheit 16 eine unregelmäßige Querschnittsgestalt entlang der gesamten Länge des Bereichs des Rohrrohlings aufweist, welcher dem Abstreckziehvorgang zu unterziehen ist.
  • Der Abstreckziehvorgang zum Erhalt der gewünschten unregelmäßigen Querschnittsform des Rohrrohlings beginnt durch Zurückziehen des Dorns 14 in der Richtung, die durch einen Pfeil b in 1D bezeichnet ist. Der Dorn 14 hat einen Bearbeitungskopf 14-1 von größerem Außendurchmesser als ein Innendurchmesser des Rohrrohlings 10 an einer durch die Gesenkeinheit 16 gehaltenen Position. Ferner weist der Bearbeitungshohlraum der Gesenkeinheit 16 an seinen Längsenden ausgesparte Bereiche 16-1b auf. Als eine Folge entsteht während der Durchführung des Abstreckziehens durch das Zurückziehen des Dorns 14 ein verstärktes Fließen des Metalls in den ausgesparten Bereichen 16-1b, so dass eine Anpassung einer Querschnittsform eines Rohrrohlings 10 zu einer unregelmäßigen Querschnittsform an den Enden der Gesenkeinheit 16 erfolgt, wie in 2B gezeigt. Namentlich weist an den Enden der Gesenkeinheit 16 der Rohrrohling nach Durchlaufen des Abstreckziehvorgangs in seinem Querschnitt laterale obere Schulterbereiche 100 von erhöhter Dicke t2 auf, wie in 2B gezeigt. Demgegenüber weist der Rohrrohling in Bereichen, welche von den Enden der Gesenkeinheit 16 verschieden sind, nach Durchlaufen des Abstreckziehprozesses (Drückprozesses) eine regelmäßige kreisförmige Querschnittsgestalt auf, wie in 2A gezeigt. Sehr wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch, dass infolge der Durchführung des Abstreckziehprozesses eine präzise Anpassung des Innen- und Außendurchmessers des Rohrrohlings auch in den Bereichen erfolgt, welche von den Enden der Gesenkeinheit 16 verschieden sind.
  • 1E illustriert einen Abschluss des Anpassungsprozesses, wobei ein Zurückziehen des Dorns 14 abgeschlossen ist. In 1E sind ferner die Bereiche 100 erhöhter Dicke an Positionen des Rohrrohlings korrespondierend zu dem Ende der Klemmgesenkeinheit 16 gezeigt. Infolge einer derartigen unregelmäßigen Querschnittsform des Rohrrohlings 10, welche durch die Durchführung des Voranpassungsprozesses bereitgestellt wird, wird eine gewünschte Zahnbreite auch am Ende der Zahnstange während der Zahnstangenformung erhalten.
  • Die obige Ausführungsform ist auf eine Ausführungsform gerichtet, bei welcher der Rohrrohling 10 in Bereichen korrespondierend zu Enden der Gesenkeinheit 16 verdickt ist, um eine gewünschte Zahnbreite an dem Ende der Gesenkeinheit 16 zu wahren. Jedoch kann die Idee der Bereitstellung einer Unregelmäßigkeit in der Querschnittsform eines Rohrrohlings auch eine Lösung sein für das Problem eines "Entweichens" des Metallflusses, welches auch an lateralen Enden entlang der Zahnbreitenrichtung auftritt. Namentlich ist es wahrscheinlich, dass in einem mittleren Bereich des Zahnstangen-Formgesenks ein ungenügender Metallfluss an lateralen Enden in der Zahnbreitenrichtung erzeugt wird, wodurch eine verminderte Zahnhöhe an den lateralen Enden in der Zahnbreitenrichtung bewirkt wird. Zur Bekämpfung dieses Problems kann eine mögliche Lösung sein, dass eine Voranpassung auch so durchgeführt werden kann, dass eine Unregelmäßigkeit in der Querschnittsform des Zahnstangen-Formhohlraums auch in dem mittleren Bereich des Zahnstangen-Formgesenks bereitgestellt wird, in ähnlicher Weise wie in 2B gezeigt. Als eine Folge dieser Lösung ist der Rohrrohling lokal verdickt, resultierend in einer erhöhten fließfähigen Menge an Metall an den lateralen Enden in der Richtung der Zahnbreite. Infolge einer derartigen Lösung wird eine verminderte Metallfließmenge in den lateralen Endregionen kompensiert, wodurch eine Reduzierung der Zahnhöhe an den lateralen Enden in der Zahnbreitenrichtung verhindert wird.
  • Kurz, während der Durchführung des Prozesses, welcher der Querschnittsform eine Unregelmäßigkeit verleiht, wie im Vorstehenden erläutert, wird der Rohrrohling 10, wie durch die Gesenkeinheit 16 fest geklemmt, kräftig einem Abstreckziehvorgang (Drückvorgang) an seiner Wanddicke durch den Dorn 14 unterworfen, was dazu führt, dass einerseits eine Verminderung der Wanddicke eintritt und andererseits ein Oberflächenrauheitsgrad der Bearbeitungsoberfläche der Gesenkeinheit 16 sowie des Dorns 14 auf die äußere Oberfläche des Rohrrohlings 10 "übertragen" wird. Somit ist eine präzise Bearbeitung möglich, derart, dass ein Oberflächenrauheitsgrad so fein wie 1 bis 2 μm ist und eine Differenz zwischen Außen- und Innendurchmessern innerhalb einer Toleranz von einigen μm liegt.
  • Hauptprozess zur Zahnstangenformung
  • Die 3 bis 7 illustrieren eine Gesenkeinheit 18 zum Formen einer Zahnstange aus einem Rohrrohling 10, nachdem dieser den Voranpassungsprozess durchlaufen hat, wie im Vorstehenden erläutert. Die Gesenkeinheit 18 zum Formen einer Zahnstange umfasst ein Obergesenk 20 und ein Untergesenk 22. Das Obergesenk 20 ist mit einem Stützglied 24, einem Halter 26, einem gezahnten Stück 28, einem Feststellstück 30 und Ausstoßstiften 32 und 33 versehen. Das gezahnte Stück 28 weist an seiner unteren Oberfläche gezahnte Bereiche 28-1 auf, die Formen aufweisen, welche zu gezahnten Bereichen einer an einem Rohrrohling 10 zu formenden Zahnstange korrespondieren. 7A illustriert eine Draufsicht auf eine aus dem Rohrrohling geformte Zahnstange 34. Die aus einem Rohrrohling 10 zu formende Zahnstange 34 ist bei dieser Ausführungsform vom Typ mit schrägverzahnten Bereichen 34-1. Somit, wie in den 3 und 4 gezeigt, ist das gezahnte Stück 28 mit schrägverzahnten Bereichen 28-1 ausgebildet, welche zu den schrägverzahnten Bereichen einer aus einem Rohrrohling zu formenden Zahnstange korrespondieren. Der Halter 26 ist an dem Stützglied 24 durch beliebige geeignete Befestigungsmittel fixiert. Ferner ist der Halter 26 mit einer in Axialrichtung länglichen Öffnung 26A ausgebildet, in welcher das gezahnte Stück 28 aufgenommen ist. Das gezahnte Stück 28 ist über eine Auskleidung 35 in die Öffnung 26A eingeführt. Weiter: in dem Zustand, in dem das gezahnte Stück 28 in der länglichen Öffnung 26A installiert ist, wie in 3 gezeigt, stehen die gezahnten Bereiche 28-1 am Boden des gezahnten Stücks 28 etwas von dem Halter 26 vor, und die Feststellglieder 30 sind in Zwischenräume zwischen dem gezahnten Stück 28 und gegenüberliegenden Innenwänden des Halters 26 eingeschlagen. Das Feststellglied 30 weist eine verjüngte Form auf, so dass das Einschlagen des Feststellgliedes 30 die Erzeugung einer Keilfunktion bewirkt, was zur Folge hat, dass das gezahnte Stück 28 durch den Halter 26 fest gehalten wird. Der Halter 26 ist mit Zylinderbohrungen 26-1 ausgebildet, in welchen die Auswerferstifte 32 und 33 jeweils verschieblich eingeführt sind. Die Auswerferstifte 32 und 33 werden durch einen selektiven Wechsel in der Einführungsrichtung eines Fluiddrucks in die Zylinderbohrungen 26-1 aus- oder eingefahren. Namentlich erlaubt ein Ausfahren der Auswerferstifte 32 und 33 die Entnahme eines geformten Artikels, d. h. einer Zahnstange. Obschon es sich bei den Stiften 32 und 33 um hydraulisch betätigte handelt, kann auf jegliche Dichtungselemente verzichtet werden, wodurch das Gesamtsystem vereinfacht wird. Einige Hydraulikleitungen zum Verbinden der Zylinderbohrungen 26-1 mit einer Hydraulikdruckquelle sowie ein oder mehrere Steuer- und/oder Regelventile zum Umschalten der Verbindung zwischen der Hydraulikdruckquelle und den Zylinderbohrungen 26-1 sind erforderlich, um den gewünschte Ausfahr- und/oder Einfahrvorgang der Stifte 32 und 33 zu erhalten. Jedoch sind diese Teile konventionell und daher aus Gründen der Einfachheit in der zeichnerischen Darstellung nicht gezeigt.
  • Vor der Durchführung des Zahnstangen-Formvorgangs werden das Ober- und das Untergesenk 20 und 22 zueinander hin bewegt, so dass sie zusammengeführt werden, wie in 3 gezeigt. In diesem zusammengeführten Zustand von Ober- und Untergesenk stehen die gezahnten Bereiche 28-1 an dem unteren Ende des gezahnten Stücks 28 in Kontakt mit dem oberen Teil des Rohrrohlings 10, so dass die obere Oberfläche (Zahnstangenbildungsoberfläche) 10A des Rohrrohlings 10, welche in Kontakt mit den gezahnten Bereichen 28-1 des Stücks 28 steht, annähernd flach verformt wird, wie in den 5A und 6A gezeigt. Wie in 6A gezeigt, sind die verdickten Bereiche 100, wie sie durch den Gesenkformungsvorgang während der Vorbear beitung erhalten werden, an lateralen Enden der annähernd flach gepressten Zahnstangenbildungsoberfläche 10A lokalisiert.
  • Wie durch 3 gezeigt, ist ein Zahnstangen-Formdorn 40 so angeordnet, dass er der axialen Öffnung des Rohrrohlings 10 gegenüberliegt. In 3 ist ein Zahnstangen-Formdorn 40 nur auf der linken Seite der Gesenkeinheit 18 gezeigt. Jedoch ist, wie in der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (Kokai) Nr. 2001-300677 offenbart, ein weiterer Zahnstangen-Formdorn auch auf der rechten Seite der Gesenkeinheit 18 angeordnet. Bei dieser Konstruktion wird ein abwechselndes Einführen der Dorne, wechselweise zwischen dem rechten und dem linken Dorn, durchgeführt, wie in dem genannten Patent offenbart. Wie in 3 gezeigt, ist der Dorn 40 mit einem Führungsbereich 40-1 an seinem führenden Ende, vergrößerten Köpfen 40-2 und 40-3 mit graduell zunehmenden Bearbeitungsdurchmesserwerten und hinter den vergrößerten Köpfen 40-2 und 40-3 lokalisierten Ölnuten 40-4 bzw. 40-5 versehen. Die Bearbeitungsköpfe 40-2 und 40-3 wirken mit dem Bereich 10A des Rohrrohlings 10 derart zusammen, dass ein radialer Fluss (plastische Verformung) von Metall in Richtung der gezahnten Bereiche 28-1 des Stücks 28 erzeugt wird, so dass ein Formen einer Zahnstange aus einem Rohrrohling erfolgt. Namentlich werden Zahnstangenzähne mit Formen korrespondierend zu denjenigen der gezahnten Bereiche 28-1 des gezahnten Stücks 28 an dem Rohrrohling 10 geformt. Die 5B und 6B illustrieren Zustände nach Abschluss des Formens durch das wiederholte Einführen des Dorns 40 in den Rohrrohling 10. Namentlich bewirkt die Einführung des Dorns 40, dass an dem oberen flachen Teil 10A des Rohrrohlings 10 das Metall radial auswärts gedrückt wird, so dass der Bereich 10'' des Metalls in die Aussparungen zwischen den gezahnten Bereichen 28-1 des Gesenks 28 fließt, resultierend in der Bildung von Zahnstangenzähnen 34-1 wie in 7A gezeigt. Im mittleren Teil, wie in 5A gezeigt, ein relativ gleichmäßiger Fluss des Metalls entlang der Zahnbreitenrichtung, resultierend in der Bildung von Zähnen gewünschter Breite. An den Enden des Zahnstangen-Formgesenks 18 (axiale Enden der Zahnstangenbildungsoberfläche 10A des Rohrrohlings 10) aber kommt es leicht zu einem Entweichen des Metallflusses, wodurch eine Verminderung der Zahnbreite bewirkt wird. Als eine Folge kommt es in einem Stand der Technik leicht zur Bildung eines Zahnstangenbereichs von "Schiffsboden"-Form, wobei die Zahnbreite im mittleren Bereich groß und an den axialen Enden klein ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Rohrrohling 10 einem vorbereitenden Schritt unterworfen zur Anpassung der Querschnittsform in Bereichen des Rohrrohlings, welche zu axialen Enden des gezahnten Bereichs 28-1 des Gesenks 16 korrespondieren, derart, dass die Dicke des Rohrrohlings 10 an den lateralen Enden 100 des oberen Teils des Rohrrohlings in der Zahnbreitenrichtung erhöht ist. Als eine Folge wird bei Einführung des Dorns 40 eine erhöhte Fließmenge an den Enden des oberen Teils des Rohrrohlings erhalten, so dass ein Produkt (Zahnstange) mit gleichmäßig gemachter Breite der gezahnten Bereiche entlang der gesamten Länge der Zahnstange erhalten wird, wie in 7A gezeigt.
  • Wie oben erläutert, werden während des Formens durch eine Ausdehnung für die Innendurchmesserseite mittels eines Dorns axiale Enden des gezahnten Teils eines Zahnstangen-Formgesenks in der Axialrichtung zu "geöffneten" Bereichen mit vermindertem Metallfließwiderstand, an denen ein Entweichen eines Metallflusses wahrscheinlich ist, resultierend in einer Verminderung einer Metallfließmenge zu dem Zahnstangen-Formgesenk 18. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird, wie oben erläutert, ein vorausgehender plastischer Verformungsprozess (1A bis 1E) durchgeführt zum Erhalt einer unregelmäßigen Querschnittsform, derart, dass eine Wanddicke an den Endbereichen 100 entlang der Breite lokal erhöht wird. Namentlich weist in den oberen lateralen Endbereichen 100 die Wanddicke einen erhöhten Wert t2 auf, verglichen mit der Wanddicke t1 an einer von den Bereichen 100 verschiedenen Position. Als eine Folge dieser Lösung, welche eine Bearbeitung zum Erhalt der unregelmäßigen Querschnittsform vor dem Formprozess umfasst, ist ein Formprozess unter einem einzigen Gesenk ausreichend, um eine gewünschte Zahnbreite an dem geöffneten Teil zu erhalten, unabhängig von einer großen Entweichmenge des Metalls. Ferner weist bei der Zahnstangenformung das Gesenk 18 geöffnete Teile an lateralen Enden der gezahnten Bereiche des Gesenks auf, an denen es ebenfalls leicht zu einem Entweichen des Metalls kommt. Im letzteren Fall wird ein Rohrrohling einem Prozess unterworfen zum Erhalt lokal verdickter Teile (einer unregelmäßigen Querschnittsform) an Posi tionen des Rohrrohlings, welche zu den lateralen Enden des gezahnten Teils des Gesenks korrespondieren. Kurz, gemäß der erfindungsgemäßen Lösung wird vor dem Zahnstangen-Formprozess der Rohrrohling einem Prozess unterworfen zur Anpassung der Wanddicke an Positionen, wo ein Entweichen des Metalls während des Formprozesses wahrscheinlich ist. Als eine Folge wird bei einem nachfolgenden Zahnstangen-Formprozess ein gewünschter oder kompensierter Fluss des Metalls zu dem Gesenk (gezahnten Bereich des Gesenks) auch an den Positionen erhalten, wo ein Entweichen des Metallflusses wahrscheinlich ist. Infolge der lokal erhöhten Wanddicke wird eine relative Zunahme eines Fließwiderstandes zu dem Gesenk kompensiert, wodurch die gewünschte Zahndicke gewahrt wird. Eine Lösung nach dem Stand der Technik, welche die Bereitstellung einer Mehrzahl von Dornen von unregelmäßiger Form vorsieht, ist nicht effektiv, um das Problem des oben erwähnten Entweichens des Metallflusses in der Längsrichtung zu bekämpfen. Die vorliegende Erfindung macht es möglich, nicht nur das Problem des Entweichens in einer Zahnbreitenrichtung zu bekämpfen, sondern auch das Problem des Entweichens in einer Axialrichtung.
  • Die 8 und 9 illustrieren eine weitere Ausführungsform eines Zahnstangen-Formdorns gemäß vorliegender Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein Dorn 140 mit vergrößerten oder Bearbeitungsköpfen 140-1 und 140-2 ausgebildet, die sich in einer Richtung erstrecken, welche mit Bezug auf eine Axiallinie 143 geneigt ist. Der Neigungswinkel der vergrößerten Köpfe 140-1 und 140-2 ist durch θ angegeben. Aufgrund einer solchen geneigten Anordnung wird ein simultaner Ausdehnungsvorgang, d. h. ein Fluss des Metalls zu dem gezahnten Stück 128 zu einer Mehrzahl von benachbarten gezahnten Nuten durch einen einzigen Bearbeitungskopf 140-1 oder 140-2 realisiert. 9 illustriert einen Zustand, in dem eine Ausdehnung (Fließen des Metalls) durch den ersten vergrößerten Kopf 140-1 in Richtung benachbarter Nuten 128-1 und 128-2 erfolgt und ferner eine Ausdehnung durch den zweiten vergrößerten Kopf 140-2 in Richtung benachbarter Nuten 128-3 und 128-4 erfolgt. Durch einen derartigen simultanen Ausdehnungsvorgang zu benachbarten Nuten 128-1 und 128-2 oder 128-3 und 128-4 durch den einzigen vergrößerten Kopf, 128-1 oder 128-2, wird eine in dem gezahnten Gesenk 128 durch den Dorn 140 erzeugte Last lokalisiert und reduziert, woraus eine erhöhte Nutzungsdauer der Bearbeitungswerkzeuge resultiert, welche sind der Dorn und das gezahnte Gesenk.
  • 10 und 11 illustrieren einen Dorn 240 in einer weiteren Ausführungsform. Der Dorn 240 ist vom abgeschrägten Typ und ist mit einem sanft geneigten Bearbeitungskopf versehen, an dem eine Vielzahl von parallelen Nuten 240-1 gebildet sind, wobei jede der Nuten in einem Winkel in Richtung des führenden Endes des Dorns geneigt ist. Als eine Folge dieser Struktur des Dorns 240 wird ein vermehrfachter Eingriff mit einer Anzahl von 4 bis 6 oder mehr Stufen erhalten, woraus eine geglättetere Bewegung der Last resultiert. Namentlich macht es die einzige, kontingente, abgeschrägte Oberfläche dieser Ausführungsform möglich, ein Ausmaß an Ausdehnung zu erhalten, welches zu demjenigen korrespondiert, das durch 4 bis 6 vergrößerte Köpfe erhalten wird. Ferner können die winkligen Ölnuten leicht durch einen späteren Bearbeitungsprozess bereitgestellt werden, wodurch die Produktionskosten des Dorns verringert werden. Eine derartige Kostenreduzierung ist wünschenswert, weil üblicherweise ein System mit mehreren Dornen mit einer Anzahl von ca. 10 Dornen verwendet wird. An Stelle der winkligen Nuten 240-1 können auch rein parallele geneigte Nuten verwendet werden.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Formen einer hohlen Zahnstange (34) aus einem Metallrohrrohling (10), umfassend die Schritte: (a) Unterziehen des Rohrrohlings (10) unter einen plastischen Verformungsvorgang zur Anpassung einer Querschnittsform des Metallrohrrohlings (10); (b) Halten des angepassten Metallrohrrohlings (10) mittels eines Gesenks (18) mit gezahnten Bereichen (28-1), sodass die gezahnten Bereiche (28-1) mit dem Rohrrohling (10) an dessen äußerer Oberfläche in Kontakt gebracht werden; und (c) Einführen eines Dorns (40) in den durch das Gesenk (18) gehaltenen Rohrrohling (10) unter Druck, um ein Fließen des Metalls in Richtung der gezahnten Bereiche (28-1) zu bewirken, wodurch an der äußeren Oberfläche des Rohrrohlings gezahnte Bereiche (34-1) geformt werden, deren Formen zu denjenigen der gezahnten Bereiche (28-1) des Gesenks (18) korrespondieren; dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) das Unterziehen des Rohrrohlings (10) unter einen Gesenkformungsvorgang umfasst, um den Durchmesser des Rohrrohlings (10) zu verringern, und dass Schritt (a) das Unterziehen des gesenkgeformten Rohrs unter einen Abstreckziehvorgang umfasst, um eine gewünschte Querschnittsform des Rohrrohlings (10) zu erzeugen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anpassungsschritt den inneren und äußeren Durchmesser des Rohrrohlings (10) an einen vorgegebenen Wert anpasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gesenkformungsvorgang mittels eines ringförmigen Gesenks (12) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Abstreckziehvorgang mittels einer Gesenkeinheit (16) mit einem Bearbeitungshohlraum und mittels eines Dorns (14) erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Bearbeitungshohlraum der Gesenkeinheit (16) an seinen Längsenden ausgesparte Bereiche (16-1b) aufweist, sodass während der Durchführung des Abstreckziehens durch Zurückziehen des Dorns (14) ein verstärktes Fließen des Metalls in den ausgesparten Bereichen (16-1b) bewirkt wird, und eine unregelmäßige Querschnittsform des Rohrrohlings (10) erhalten wird.
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