EP0313985B1 - Method of making a camshaft - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle aus einem Rohling, der eine Nockenform aufweist, und eine danach hergestellte Nockenwelle, wobei in den Rohling durch Rundhämmern bzw. Rundkneten durch Werkzeugsegmente, die den Rohling wenigstens teilweise umgeben und die radiale Druckkräfte auf diesen ausüben und dabei die Form und den Querschnitt des Rohlings verändern, die Gestalt der Nockenwelle mit den Nocken und den Lagerstellen eingeformt wird.The invention relates to a method for producing a camshaft from a blank, which has a cam shape, and a camshaft produced thereafter, wherein in the blank by rotary hammers or round kneading by tool segments, which at least partially surround the blank and exert the radial compressive forces thereon change the shape and cross section of the blank, the shape of the camshaft is molded with the cams and the bearings.
Nockenwellen werden im allgemeinen aus einem Werkstück zusammen mit den Lagerstellen und den auf einem Grundkörper angeordneten Nocken, z.B. durch Gießen oder Schmieden, hergestellt. An diese Herstellung schließt sich eine relativ zeit- und kostenaufwendige Bearbeitung an. So muß die Nockenwelle geschliffen, die Nocken müssen gehärtet und die Nockenwelle am Ende ausgewuchtet werden. Neben dem hohen Aufwand ist weiterhin nachteilig, daß eine Nockenwelle dieser Art aus vollem Material besteht und daher relativ schwer ist. Die Automobilindustrie fordert jedoch zunehmend leichtere Nockenwellen.Camshafts are generally made from a workpiece together with the bearings and the cams arranged on a base body, e.g. by casting or forging. This production is followed by a relatively time-consuming and costly processing. The camshaft must be ground, the cams hardened and the camshaft must be balanced at the end. In addition to the high expenditure, it is also disadvantageous that a camshaft of this type consists of full material and is therefore relatively heavy. However, the automotive industry is increasingly demanding lighter camshafts.
Aus diesem Grunde ist bereits vorgeschlagen worden, als Grundkörper ein Rohr zu verwenden, auf das Sinternocken aufgebracht worden sind. Auch diese Herstellungsart ist noch relativ aufwendig und hat noch nicht den gewünschten Erfolg gebracht.For this reason, it has already been proposed to use a tube as the base body to which sintering cams have been applied. This type of production is still relatively complex and has not yet brought the desired success.
In der DE-OS 35 28 464 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle beschrieben, wobei ein Rohr mit einem Außenumfang gleich oder größer dem der Lagerabschnitte und/oder der Nocken verwendet und durch Rundhämmern umgeformt wird.DE-OS 35 28 464 describes a method for producing a camshaft, wherein a tube with an outer circumference equal to or greater than that of the bearing sections and / or the cams is used and is formed by round hammers.
Neben einem kreissymmetrischen Rohr wird auch ein bereits in Nockenform gezogenes Rohr vorgeschlagen.In addition to a circularly symmetrical tube, one is already tube drawn in cam form proposed.
In der Praxis hat sich jedoch nun herausgestellt, daß ein derartiges Herstellungsverfahren nicht verwirklichbar ist. So müßte beim Rundkneten innen und außen gegengehalten werden. Die dabei auftretenden Belastungen sind jedoch zu groß und die Dimensionierungen sind zu schwach. Außerdem würden erhebliche Probleme beim Herausholen der Gegenhalter entstehen, da diese sich nicht über die engeren Stellen der Nockenwellenlagerung herausziehen ließen. Beim Rundkneten oder Rundhämmern eines Rohlings in Oval- bzw. Nockenform trifft der Hammer zum Formen der runden Lagerstellen stets zuerst auf die erhöhte Nockenstelle, wodurch eine unkontrollierte Formung im Bereich der Lagerstellen eintreten würde. Der Rohling kann sich einbeulen und gegebenenfalls sogar umbördeln. Außerdem würde sich der Rohling in diesem Bereich durch das einseitige Daraufschlagen durchbiegen, was zu erheblichen Problemen führen würde.In practice, however, it has now been found that such a manufacturing process cannot be implemented. So should be countered inside and outside when kneading. However, the loads that occur are too great and the dimensions are too weak. In addition, considerable problems would arise when removing the counterholders, since these could not be pulled out over the narrower points of the camshaft bearing. When kneading or hammering a blank in an oval or cam shape, the hammer for forming the round bearing points always hits the raised cam point first, which would result in an uncontrolled shaping in the area of the bearing points. The blank can bulge and possibly even flare. In addition, the blank would bend in this area by hitting it on one side, which would lead to considerable problems.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit dem die vorstehend genannten Probleme nicht auftreten, insbesondere nach dem Nockenwellen großer Festigkeit und hoher Formgenauigkeit mit geringem Aufwand hergestellt werden können.The present invention has for its object to provide a method of the type mentioned, with which the problems mentioned above do not occur, especially after the camshafts of great strength and high dimensional accuracy with little effort can be produced.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Rohling in Nockenform in einem ersten Schritt im Bereich der Lagerstellen der Nockenwelle durch eine Vorformung durch Schmieden oder Hämmern in eine wenigstens annähernd kreisförmige Form gebracht wird, und daß anschließend in einem zweiten Schritt sowohl im Bereich der Lagerstellen als auch in den übrigen Bereichen der Nockenwelle durch das Hämmern und Rundkneten durch Werkzeugelemente, die den Rohling wenigstens teilweise umgeben und die radiale Druckkräfte auf diesen ausüben und dabei dessen Form und Querschnitt verändern, die Gestalt der Nockenwelle mit den Nocken und den Lagerstellen eingeformt wird.According to the invention, this object is achieved in that the blank in cam form is brought into an at least approximately circular shape in a first step in the area of the bearing points of the camshaft by preforming by forging or hammering, and that in a second step both in the area of the bearing points and in the other areas of the camshaft by hammering and kneading by tool elements that at least partially surround the blank and exert the radial compressive forces on it and thereby change its shape and cross-section, the shape of the camshaft with the cams and the bearing points is molded.
Eines der wesentlichen Merkmale der Erfindung besteht nunmehr darin, daß durch die Vorformung anschließend ein wesentlich gleichmäßigeres Rundkneten bzw. Rundhämmern im Bereich der Lagerstellen vorgenommen werden kann. Die Hämmerwerkzeuge können praktisch über den gesamten Umfang angreifen, so daß es zu keinen Durchbiegungen oder zu einer einseitigen Belastung kommt. Wesentlich ist, daß durch die Vorformung aus dem Rohling im Bereich der Lagerstellen wenigstens annähernd ein kreisrunder Querschnitt erreicht wird.One of the essential features of the invention now consists in that the preforming can then be used to carry out a much more uniform kneading or round hammering in the area of the bearing points. The hammer tools can attack practically over the entire circumference, so that there are no deflections or one-sided loading. It is essential that the preforming from the blank in the area of the bearing points at least approximately achieves a circular cross section.
Diese Vorformung kann auf beliebige Weise erfolgen, wobei man die Vorformung im allgemeinen zur Erleichterung und besseren Verformung im warmen Zustand durchführen wird.This preforming can be carried out in any manner, the preforming generally being carried out to facilitate and improve the deformation in the warm state.
In vorteilhafter Weise wird man die Vorformung so durchfüh ren, daß der dabei erzielte Durchmesser etwas größer ist als der Enddurchmesser der Lagerstellen. Bei dem anschließenden Rundhämmern bzw. Rundkneten wird dann der endgültige Durchmesser der Lagerstellen sehr exakt hergestellt. Ebenso werden die Nocken entsprechend exakt auf Maß gebracht, wobei das verdrängte Material entweder in die Wandstärke oder in die Länge der Nockenwelle eingeht, wobei auch eine Kombination möglich ist.Advantageously, you will perform the preforming so that the diameter obtained is slightly larger than the final diameter of the bearings. The final diameter of the bearing points is then produced very precisely during the subsequent round hammering or round kneading. Likewise, the cams are made exactly to size, the displaced material being included either in the wall thickness or in the length of the camshaft, and a combination is also possible.
Ggf. ist es nicht notwendig, daß der gesamte Rohling erwärmt wird. Eine partielle Erwärmung im Bereich der vorzuformenden Lagerstellen ist ggf. ausreichend. Hierfür können Schmiedepressen oder Schmiedehämmer verwendet werden.Possibly. it is not necessary for the entire blank to be heated. A partial heating in the area of the bearing points to be preformed may be sufficient. Forging presses or forging hammers can be used.
Der Rohling in Nockenform kann aus einem Rohr hergestellt sein, das durch Pressen in die Nockenform umgewandelt wird.The blank in the form of a cam can be made from a tube, which is converted into the shape of a cam by pressing.
In vorteilhafter Weise wird man einen Rohling mit einem Außendurchmesser verwenden der etwas größer ist als der größte Durchmesser bzw. Querschnitt der fertiggestellten Nockenwelle. Dies gilt insbesondere für den Nockenbereich.In an advantageous manner, a blank with an outer diameter that is somewhat larger than the largest diameter or cross section of the finished camshaft will be used. This applies in particular to the cam area.
Damit eine optimale Gewichtsersparnis erreicht wird, kann vorgesehen sein, daß die Durchmesserverhältnisse und die Formkräfte so aufeinander abgestimmt sind, daß neben einem hohlen Rohr mit hohlen Lagerstellen auch die Nocken wenigstens teilweise im Inneren hohl verbleiben.So that an optimal weight saving is achieved, it can be provided that the diameter ratios and the shaping forces are coordinated with one another in such a way that, in addition to a hollow tube with hollow bearing points, the cams remain at least partially hollow inside.
Im allgemeinen wird man aus dem Rohling in Nockenform die Nocken beim Rundkneten alle in einer Ebene bzw. einer Flucht kneten, wonach anschließend in einem dritten Schritt die Nockenwelle einem Twistvorgang unterworfen wird, um die Nocken in die gewünschten Lagen zu drehen.In general, from the blank in the form of a cam, the cams will be kneaded all in one plane or in an alignment during the round kneading, after which the camshaft is then subjected to a twisting process in a third step in order to turn the cams into the desired positions.
Im Vergleich zu vollwandigen, geschmiedeten oder gegossenen Nockenwellen kann eine Gewichtsminderung von bis zu 50 % erreicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäß hergestellte Nockenwelle geringere Auswirkungen bezüglich Massenunwuchten zeigt.In comparison to full-walled, forged or cast camshafts, a weight reduction of up to 50% can be achieved. Another advantage is that the camshaft produced according to the invention has less effects with regard to mass imbalance.
Trotz ihrer Leichtgewichtigkeit und ihrer Herstellung aus einem Rohr ist die Nockenwelle relativ steif und verwindungsfest. Es wurde nämlich festgestellt, daß gerade in den Bereichen, die besonders wichtig bzw. besonders belastet sind, Materialverstärkungen durch das Rundkneten bzw. Rundhämmern erreicht wird.Despite its light weight and being made from a single tube, the camshaft is relatively stiff and torsion-resistant. It has been found that in the areas that are particularly important or particularly stressed, material reinforcement is achieved by kneading or hammering.
Ein weiterer großer Vorteil durch das erfindungsgemäße Rundkneten liegt darin, daß man die Formgebung der Nockenwelle leichter an die an sie gestellten Anforderungen anpassen kann. So können z.B. die Seiten der Nocken mit besseren Übergängen zur Nockenwelle versehen werden. Im Unterschied zu einer spanabhebenden Bearbeitung der Nockenwelle wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in den Faserverlauf nicht eingegriffen.Another great advantage of the round kneading according to the invention is that it is easier to adapt the shape of the camshaft to the requirements placed on it. For example, the sides of the cams can be provided with better transitions to the camshaft. In contrast to machining the camshaft, at the method according to the invention did not intervene in the fiber course.
Durch das Rundkneten und insbesondere durch das Rundhämmern wird eine Materialverbesserung erreicht, wodurch ggf. als Ausgangsmaterial für die Nockenwelle ein einfacheres und damit billigeres Material verwendet werden kann, das anschließend durch die Bearbeitung eine höhere Härte bzw. Festigkeit erreicht.Through the round kneading and in particular through the round hammering, an improvement in the material is achieved, as a result of which, if necessary, a simpler and therefore cheaper material can be used as the starting material for the camshaft, which material then achieves a higher hardness or strength.
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren prinzipmäßig beschrieben.The production method according to the invention is described in principle below with reference to the drawing.
Es zeigt:
- Fig. 1:
- ein Werkzeug zur Herstellung einer Nockenwelle in schematischer Darstellung
- Fig. 2:
- einen Längsschnitt (ausschnittsweise) in vergrößerter Darstellung mit zwei Werkzeugen und einem Rohling
- Fig. 3:
- eine Nockenwelle in Seitenansicht
- Fig. 4:
- Stirnansicht eines Rohlings in Nockenform.
- Fig. 1:
- a tool for producing a camshaft in a schematic representation
- Fig. 2:
- a longitudinal section (in sections) in an enlarged view with two tools and a blank
- Fig. 3:
- a camshaft in side view
- Fig. 4:
- Front view of a blank in the form of a cam.
Ein Rohling in Nockenform, wie er in der Fig. 4 dargestellt ist, dient als Ausgangsmaterial. Der Rohling in dieser Form kann z.B. aus einem Rohr mit einem kreisrunden Querschnitt hergestellt sein, das z.B. durch Pressen in die Nockenform übergeführt worden ist. Als Rohr kann dabei sowohl ein nahtloses als auch ein geschweißtes Rohr eingesetzt werden. Selbstverständlich kann jedoch auch ein auf beliebige Weise hergestellter Rohling verwendet werden, der bereits zu Beginn eine Nockenform aufweist.A blank in the form of a cam, as shown in FIG. 4, serves as the starting material. The blank in this form can e.g. be made from a tube with a circular cross-section, e.g. has been converted into the cam shape by pressing. Both a seamless and a welded tube can be used as the tube. However, it is of course also possible to use a blank which has been produced in any manner and which has a cam shape right from the start.
In einem ersten Verfahrensschritt wird nun der Rohling in Nockenform an den Stellen, an denen die Lagerstellen der Nockenwelle angeordnet bzw. in die diese eingeformt werden sollen, vorgeformt. Ggf. durch eine lediglich partielle Erwärmung in diesem Bereich wird durch zweiteilige Gesenkhämmer die Nockenform in eine kreisrunde Durchmesserform an den Lagerstellen umgeformt. Ebenso kann diese Umformung durch ein Warmschmieden erreicht werden.In a first process step, the blank is now pre-shaped in the form of a cam at the points at which the bearing points of the camshaft are arranged or into which they are to be molded. Possibly. due to only partial heating in this area, the cam shape is converted into a circular diameter shape at the bearing points by two-part drop hammers. This deformation can also be achieved by hot forging.
Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt das Hämmern und Rundkneten.In a second step, hammering and round kneading are carried out.
Das Arbeitsverfahren, der Umformvorgang und das Funktionsprinzip des Rundknetens, welches ein Freiformen zur Querschnittsverminderung in Stäben und Rohren mit zwei oder mehreren Werkzeugen ist, die den zu vermindernden Querschnitt eines Werkstückes ganz oder teilweise umschließen, ist allgemein bekannt, weshalb es nachfolgend nur kurz beschrieben wird. Im Kopf einer Hämmerwelle 1 befinden sich schlitzförmige Aussparungen, welche zur Aufnahme der eigentlichen Hämmerwerkzeuge 2 dienen. Die Hämmerwerkzeuge werden über Hämmerstößel 4 mit dazwischenliegenden Ausgleichsplatten 3 bewegt.The working process, the forming process and the functional principle of the round kneading, which is a free-form to reduce the cross-section in bars and tubes with two or more tools, the cross-section to be reduced Completely or partially enclosing a workpiece is generally known, which is why it is only briefly described below. In the head of a
Der für die Umformung des Werkstückes 9 erforderliche Hämmerhub entsteht durch eine Überhöhung an einer Abrollbahn 5 der Hämmerstößel 4.The hammer stroke required for the forming of the
Ein Rollenkäfig 6 ist frei drehbar zwischen der Hämmerwelle 1 und einem äußeren Haltering 8 angeordnet. Druckrollen 7 sind in Aufnahmebohrungen des Rollenkäfigs 6 gelagert.A
Bei einer rotierenden Hämmerwelle 1 werden nun die Hämmerwerkzeuge 2 über die Stößel 4 durch Fliehkraft nach außen geführt. Im Falle einer stehenden bzw. langsam drehenden Hämmerwelle kann diese Öffnungsbewegung auch von Federn übernommen werden.In the case of a
Bei einer rotierenden Hämmerwelle wälzen sich die Hämmerstößel 4 mit ihrer Abrollbahn 5 an den Druckrollen 7 ab und übermitteln somit dem Rollenkäfig 6 eine Relativbewegung im gleichen Drehsinn, jedoch entsprechend langsamer als die Hämmerwelle selbst. Bei jedem Durchgang der Hämmerstößel 4 unter den Druckrollen 7 erfolgt ein Druckimpuls radial nach innen, der sich als Umformkraft auf die Hämmerwerkzeuge 2 und somit auf das Werkstück überträgt.In the case of a rotating hammer shaft, the
In einer anderen Ausgestaltung kann der Haltering 8 rotieren, wobei die Hämmerwelle 1 entweder still steht oder mit langsamer Drehzahl gleich bzw. gegensinnig angetrieben wird.In another embodiment, the retaining
Art und Ausgestaltung des Werkzeuges richten sich nach dem Einsatzfall und nach der Art des zu bearbeitenden Werkstückes, welches im vorliegenden Falle eine Nockenwelle ist.The type and design of the tool depend on the application and the type of workpiece to be machined, which in the present case is a camshaft.
In der Fig. 2 ist prinzipmäßig der vorgeformte Rohling dargestellt, in dessem Inneren bei Bedarf ein Dorn 10 angeordnet sein kann.2 shows the preformed blank, in the interior of which a
Das Werkstück wird dabei in axialer Richtung zwischen die Hämmerwerkzeuge 2 eingeschoben.The workpiece is inserted between the
Dadurch, daß beim Rundkneten im Bereich der Lagerstellen durch die Vorformung bereits ein kreisrunder Durchmesser vorliegt, läßt sich auch in diesem Bereich ein Hämmern und Rundkneten in die gewünschte Form mit den daraus sich ergebenden Vorteilen erreichen.The fact that the circular kneading already has a circular diameter in the area of the bearing points due to the preforming means that hammering and round kneading into the desired shape can also be achieved in this area with the advantages resulting therefrom.
In der Fig. 3 sind die einzelnen Verfahrensschritte anhand einer Seitenansicht einer Nockenwelle (ausschnittsweise) dargestellt.The individual method steps are shown in FIG. 3 a side view of a camshaft (partially) shown.
Ausgehend von einem Rohling 9, wie er in der Fig. 4 dargestellt ist und der eine Nockenform aufweist (siehe die beiden äußeren gestrichelten Linien 11 und 12), wird in einem ersten Schritt eine Umformung der Nockenform im Bereich der Lagerstellen 13 vorgenommen und zwar bis zu einem Durchmesser, der geringfügig größer ist als der Enddurchmesser der Lagerstellen. Der vergrößerte Durchmesser ist durch die gestrichelten Linien 14 und 15 dargestellt. Die ausgezogenen Linien der Nockenwelle stellen die Enddurchmesser bzw. Endquerschnitte dar. Wenn der Rohling 9 in Nockenform einen geringfügig größeren Durchmesser als der größte Durchmesser bzw. Querschnitt der fertiggestellten Nockenwelle aufweist, sind ggf. die beiden gestrichelten Linien 11 und 12 noch etwas außerhalb der Nocken 16, die in diesem Falle auf den Enddurchmesser in der ausgezogenen Linie geknetet werden.Starting from a blank 9, as shown in FIG. 4 and which has a cam shape (see the two outer dashed
Eine Vorformung in dem angegebenen Sinne kann ggf. auch für Teile der Nockenwelle vorgenommen werden, die sich zwischen Lagerstellen 13 und Nocken 16 befinden und die ebenfalls einen runden Querschnitt im Endzustand aufweisen sollen.A preforming in the specified sense can optionally also be carried out for parts of the camshaft which are located between bearing
Claims (8)
- Method of making a camshaft from a blank (9) having a cam shape, the configuration of the camshaft with the cams (16) and the bearings (13) being moulded into the blank (9) by swaging and circular kneading by means of tool segments which at least partially surround the blank (9) and exert radial compressive forces thereon and thus alter the shape and the cross section of the blank (9), characterised in that, in a first step, the cam-shaped blank (9) is given an at least approximately circular shape by preforming by means of forging or hammering in the region of the bearings (13) of the camshaft, and that subsequently, in a second step, the configuration of the camshaft with the cams (16) and the bearings (13) is moulded by swaging and circular kneading by means of tool elements which at least partially surround the blank and exert radial compressive forces thereon and thus alter its shape and cross section both in the region of the bearings (13) and in the remaining regions of the camshaft.
- Method according to claim 1, characterised in that the blank (9) is formed from a tube which is converted into a cam shape.
- Method according to claim 2, characterised in that it is converted into the cam shape by pressing.
- Method according to claim 1, characterised in that the preforming is carried out under heat.
- Method according to claim 1 or claim 4, characterised in that the diameter obtained upon preforming is larger than the final diameter of the bearings (13).
- Method according to one of claims 1 - 5, characterised in that the blank (9) used has an outer diameter which is slightly larger than the largest diameter or cross section of the finished camshaft.
- Method according to one of claims 1 - 6, characterised in that the diameter ratios and the moulding forces are adapted to one another in such a manner that, in addition to a hollow tube with hollow bearings (13), the cams (16) also remain at least partially hollow in the interior.
- Method according to one of claims 1 - 7, characterised in that, in a third step, the camshaft is subjected to a twisting process in order to rotate the cams (16) into the desired positions.
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