EP1654078A1 - Verfahren zum herstellen einteiliger hohlkörper, hohlkörper und verwendung des hohlkörpers - Google Patents
Verfahren zum herstellen einteiliger hohlkörper, hohlkörper und verwendung des hohlkörpersInfo
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- EP1654078A1 EP1654078A1 EP04738786A EP04738786A EP1654078A1 EP 1654078 A1 EP1654078 A1 EP 1654078A1 EP 04738786 A EP04738786 A EP 04738786A EP 04738786 A EP04738786 A EP 04738786A EP 1654078 A1 EP1654078 A1 EP 1654078A1
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- B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
- B21D22/14—Spinning
- B21D22/16—Spinning over shaping mandrels or formers
Definitions
- the invention relates to a method for producing one-piece hollow bodies from a tubular workpiece, in particular hollow shafts, with at least one step-shaped shoulder, wherein in a first step at least one conical area is formed on the tubular workpiece, which has a first workpiece section with a larger one! Connects diameter with a second workpiece section with a smaller diameter, and at least a portion of the workpiece is formed in a second step. It also relates to a hollow body and the use of the hollow body.
- Hollow drive shafts are increasingly being used in automobile construction because, due to their lower weight compared to solid shafts, they make a contribution to compensate in part for the weight gain brought about by measures in the comfort and safety areas.
- the hollow drive shaft has the option of contributing to the improvement of comfort with appropriate geometric adjustments.
- the monoblock hollow shaft is often preferred because of its more cost-effective production and the increasing comfort requirements for new applications of the 3-part, hollow shaft only in the central area.
- DE 30 09 277 C2 describes a drive shaft in which the diameter is reduced and the wall thickness increases from the center to the ends. The end areas are provided with splines. In this version of the introduction of force / torque, high voltage peaks occur under load.
- the "method for producing targeted material accumulations on hollow shafts" described in DE 101 29 671 A1 relates to the production of a shaft collar with locally increased wall thickness by kneading and upsetting.
- a hollow shaft is known from DE 40 22 692 C2, in which the central roll area is hammered and / or stretched to a reduced wall thickness and optionally expanded hydraulically.
- the end areas are formed by hammering, forging or pressing.
- DE 100 05 578 AI describes a method for producing a hollow body with a step-shaped shoulder from a tubular workpiece, in which a conical region is first formed on the tubular workpiece and is specifically heated. An axial compressive force is then exerted on the workpiece, so that the heated conical region is compressed and shaped into the step-shaped shoulder.
- the object of the invention is to provide a method which, with greater flexibility in terms of shape and production sequence, enables an application-optimized hollow body at lower production costs.
- This object is achieved according to the invention by a method for producing one-piece hollow bodies according to the preamble, wherein at least in the second step the forming process is pressure rolling, reducing, thickening or moving off the contour or a combination of these steps, the deformed area being cooled during the forming process ,
- the procedure according to the invention brings improvements in terms of production technology, such as a continuous flow of material during cold forming, a smaller number of operations, a small number of different tools and a long service life of the tools, which in addition can often be reworked in the simplest way.
- the advantages of the invention lie essentially in a lower investment, in lower unit costs and in the fact that no noise protection housing is required.
- the forming process can be pressure rolling, reducing, thickening or traversing the contour or a combination of these steps.
- the method according to the invention makes it possible, by displacing or deliberately stowing the material in the longitudinal direction, to carry out a relatively variable shape with regard to the respective material thickness and contour.
- forming operations are carried out with spinning rollers, a wide range of forming operations can be carried out with a small number of tools.
- a further development of the method according to the invention is that the ends are embossed in a further step. According to the invention it is provided that the workpiece is clamped in a non-machined area during the three steps.
- a mandrel is introduced into the machined area of the workpiece during each of the three steps.
- rolled, laser-welded tubes are used as semi-finished products.
- the tubular workpiece consists of a tempered or case hardening steel.
- Such a hollow body can be used in numerous areas.
- the hollow body as a drive shaft, as a semi-finished product for further deformation, in particular by hammering, or as a construction element, in particular a spaceframe component, is also in accordance with the invention.
- a laser-welded, inductively welded or seamless tube 1 is used as the starting product, which consists for example of a tempered or case hardening steel.
- a first processing step (FIG. 1), the tube 1 is stretched to the desired outside diameter in its central region by means of a pressure tube A, in the present case a mandrel 3 being inserted into the interior of the tube 1. Press rolling without mandrel 3 is also possible.
- three pressure rollers A are used which are evenly distributed over the circumference. During this process, the outside diameter is reduced in the stretched area, while the outside diameter remains unchanged in the other areas.
- the extension of tube 1 is now:
- the tube 1 is tensioned in the central area and the end areas are reduced with pressure rollers (B, C) in driven roller heads (FIG. 2).
- the end of the hollow body is rolled up in the first process according to FIG. 2 on the right-hand side and the adjustable, variable length growth limiter is moved to the end of the rolled-up section.
- the end region of the hollow body is then reduced from its end in the axial direction by means of the pressure roller (s) (B, C) in the driven rolling head, for example by means of an inserted mandrel and thickened if necessary.
- a desired outer contour can then be rolled.
- both end regions of the hollow body are machined at the same time, which, with a suitable design, leads to a neutralization of the torque in the clamping of the hollow body in its central region.
- a mandrel 4 is introduced into each of the end regions during the reduction processes. The workpiece is cooled during the forming process.
- the end regions can also be thickened in the wall thickness.
- the (reduced) end area is then pressed into the final contour using a mandrel 4, if necessary.
- a third method step (Fig. 3) consists in that the reduced, contoured and possibly thickened end area by means of only radially movable embossing rollers (D, E) in a driven roller head (D, E) via a mandrel 4 with one or more axial longitudinal stops and very tightly toleranced cones.
- the tube 1 remains fixed in the center by means of the clamping 2.
- further processing steps can then be carried out in a known manner, in particular in the end regions, such as machining, cutting to length, grooving grooves or drawing a profile.
- the workpiece is cooled intensively with a cooling liquid, for example an oil-water cooling lubricant.
- a cooling liquid for example an oil-water cooling lubricant.
Landscapes
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper aus einem rohrförmigen Werkstück (1), insbesondere Hohlwellen, mit zumindest einem stufenförmigen Absatz, wobei in einem ersten Schritt an dem rohrförmigen Werkstück (1) mindestens ein konischer Bereich ausgebildet wird, welcher einen ersten Werkstückabschnitt mit einem grösseren Durchmesser mit einem zweiten Werkstückabschnitt mit einem kleineren Durchmesser verbindet, und in einem zweiten Schritt mindestens ein Bereich des Werkstücks (1) umgeformt wird. Um ein derartiges Verfahren zu schaffen, das mit grösserer Flexibilität in der Formgebung und Fertigungsfolge einen anwendungsoptimierten Hohlkörper (1) zu geringeren Herstellungskosten ermöglicht, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass zumindest in dem zweiten Schritt der Umformvorgang ein Drückwalzen, Reduzieren, Aufdicken oder Abfahren der Kontur oder eine Kombination dieser Schritte ist, wobei der umgeformte Bereich während des Umformvorganges gekühlt wird.
Description
BESCHREIBUNG
Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper, Hohlkörper und Verwendung des Hohlkörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper aus einem rohrförmigen Werkstück, insbesondere Hohlwellen, mit zumindest einem stufenförmigen Absatz, wobei in einem ersten Schritt an dem rohrförmigen Werkstück mindestens ein konischer Bereich ausgebildet wird, welcher einen ersten Werkstückabschnitt mit einem größerer! Durchmesser mit einem zweiten Werkstückabschnitt mit einem kleineren Durchmesser verbindet, und in einem zweiten Schritt mindestens ein Bereich des Werkstücks umgeformt wird. Sie betrifft weiterhin einen Hohlkörper und die Verwendung des Hohlkörpers.
Hohle Antriebswellen werden zunehmend im Automobilbau verwendet, da sie infolge ihres gegenüber Vollwellen geringeren Gewichtes einen Beitrag liefern, den durch Maßnahmen im Komfort- und Sicherheitsbereich herbeigeführten Gewichtszuwachs zu einem Teil zu kompensieren. Darüber hinaus besitzt die hohle Antriebswelle die Möglichkeit, bei entsprechender geometrischer Abstimmen zur Komfortverbesserung beizutragen. Häufig wird die Monoblock-Hohlwelle aufgrund ihrer kostengünstigeren Herstellung und der zunehmenden Komfort- Anforderungen bei Neu- Applikationen der 3 -teiligen, nur im mittleren Bereich rohrförmigen, Hohlwelle vorgezogen.
Mitunter problematisch ist hierbei, dass die Monoblock-Hohlwelle bei gleicher adaptierter Gelenkgröße weder statisch noch dynamisch das Drehmomentübertragungspotential der 3- teiligen Hohlwelle erreicht. Verbesserungen wären durch die Anformung dickwandigerer Verzahnungsbereiche an den Wellenenden möglich, jedoch würde mit einer derartigen Maßnahme der Kostenvorteil nicht unwesentlich schrumpfen.
In der DE 30 09 277 C2 ist eine Antriebswelle beschrieben, bei der abgestuft von der Mitte zu den Enden der Durchmesser geringer und die Wandstärke größer wird. Die Endbereiche sind mit einer Längsverzahnung versehen. Bei dieser Ausführung der Kraft-/Momenteneinleitung treten unter Last hohe Spannungsspitzen auf.
Das in der DE 101 29 671 AI beschriebene "Verfahren zur Herstellung gezielter Werkstoffanhäufungen an hohlen Wellen" betrifft die Herstellung eines Wellenbundes mit lokal erhöhter Wandstärke durch Rundkneten und Stauchen.
Aus der DE 40 22 692 C2 ist eine Hohlwelle bekannt, bei der der mittlere Rolirbereich auf eine reduzierte Wandstärke gehämmert und/oder abgestreckt und ggf. hydraulisch aufgeweitet wird. Die Endbereiche werden durch Hämmern, Schmieden oder Pressen angeformt.
In der DE 100 05 578 AI wird ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers mit einem stufenförmigen Absatz aus einem rohrförmigen Werkstück beschrieben, bei dem an dem rohrförmigen Werkstück zunächst ein konischer Bereich ausgebildet wird, der gezielt erwärmt wird. Anschließend wird auf das Werkstück eine axiale Stauchkraft ausgeübt, so daß der erwärmte konische Bereich gestaucht und zu dem stufenförmigen Absatz geformt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das mit größerer Flexibilität in der Formgebung und Fertigungsfolge einen anwendungsoptimierten Hohlkörper zu geringeren Herstellungskosten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper gemäß dem Oberbegriff gelöst, wobei zumindest in dem zweiten Schritt der Umformvorgang ein Drückwalzen, Reduzieren, Aufdicken oder Abfahren der Kontur oder eine Kombination dieser Schritte ist, wobei der umgeformte Bereich während des Umformvorganges gekühlt wird.
Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, daß entgegen der Lehre der DE 100 05 578 AI statt eines Erwärmens des Werkstücks während des Umformvorganges ein Kühlen desselben mittels Kühlflüssigkeit. z.B. mittels eines Wasser-Öl-Kühlschmiermittels, zu einer deutlich besseren Qualität des Endproduktes führt. Eine fortwährend starke Kühlung während der einzelnen Umformungen hat für eine nachfolgende Wärmebehandlung (Härten) den Vorteil, daß infolge der großen Anzahl der durch die Kaltverformung erzeugten Versetzungen im Kristallgitter ein sehr feinkörniges Gefüge mit gutem Fatigue- Verhalten entsteht. Bei der beschriebenen Vorgehensweise, die mit allen kaltumformbaren Werkstoffen möglich ist, kann
ein Einlaufwinkel des konischen Bereichs von 45° und mehr erreicht werden. Bei Stahl als Werkstoff sind Durchmesserdifferenzen bis 60 % des Ausgangsdurchmessers möglich. Die erf dungsgemäße Vorgehensweise ist zudem wesentlich kostengünstiger als herkömmliche Verfahren.
Es ergibt sich eine Verbesserung der Produktqualität, nämlich ein höheres Drehmomentübertragungspotential durch die Möglichkeit der wirtschaftlichen Herstellung dickwandiger Verzahnungsbereiche, eine verbesserte Oberflächenqualität (außen und innen) sowie größere Freiheiten beim Design von Übergängen. Weiterhin bringt die erfindungsgemäße Vorgehensweise Verbesserungen in fertigungstechnischer Hinsicht, wie ein kontinuierlicher Materialfluß während der Kaltumformung, eine geringere Anzahl von Operationen, eine geringe Anzahl unterschiedlicher Werkzeuge und hohe Standzeiten der Werkzeuge, welche zudem vielfach auf einfachste Weise nachgearbeitet werden können, mit sich. Hinsichtlich der Kostensituation liegen die Vorteile der Erfindung im wesentlichen in einem geringeren Investment, in geringeren Stückkosten und in der Tatsache, daß keine Lärmschutzeinhausung erforderlich ist.
Wie oben dargelegt wurde, kann der Umformvorgang ein Drückwalzen, Reduzieren, Aufdicken oder Abfahren der Kontur oder eine Kombination dieser Schritte sein.
Bei dem Reduzieren wird das Material verdrängt und es ergibt sich ein Längenwachstum; bei dem Aufdicken wird das Längenwachstum gezielt behindert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, durch Verdrängen bzw. gezieltes Aufstauen des Materials in Längsrichtung eine relativ variable Formgebung hinsichtlich der jeweiligen Materialstärke und Kontur vorzunehmen.
Dadurch, daß die Umformvorgänge mit Drückrollen erfolgen, kann mit einer geringen Zahl von Werkzeugen ein breites Spektrum von Umformvorgängen vorgenommen werden.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß in einem weiteren Schritt ein Prägen der Enden erfolgt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Werkstück während der drei Schritte in einem jeweils nicht bearbeiteten Bereich eingespannt ist.
Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, daß während der drei Schritte jeweils ein Dorn in den bearbeiteten Bereich des Werkstücks eingebracht ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden gerollte, lasergeschweißte Rohre als Halbzeug verwendet.
Ebenso ist es erfindungsgemäß, daß das rohrförmige Werkstück aus einem Vergütungs- oder Einsatzstahl besteht.
Hieraus resultieren Verbesserungen im technischen wie auch im wirtschaftlichen Bereich : kontinuierlicher Verlauf der Umformung und somit des Materialflusses über den Querschnitt und in Längsrichtung verbesserte Oberflächenqualität am Außenumfang (keine Riefen und Scharten) wie auch am Innenumfang (bei starker Reduktion: geringere Fältelung, keine Materialausquetschung in den Ecken sich ausbildender Polygone) Wanddickenunterschiede eines Hohlkörperrohlings werden besser ausgeglichen größere Freiheiten beim Design von Übergängen und Absätzen einfache Erzeugung dick-/dünnwandiger Hohlkörper insbesondere bei außen zylindrischen Hohlkörpern infolge starker Kühlung während der Kaltumformung Bildung eines sehr feinkörnigen Gefüges nach einer Rekristallisation oder dem Härten (sehr gute Fatigue-Eigenschaften) geringere Anzahl von Operationen geringeres Investment geringerer Platzbedarf geringerer Energieverbrauch geringerer Personalbedarf wenige unterschiedliche, einfache Werkzeuge mit hohen Standzeiten und einfacher Aufarbeitung -> wesentlich geringere Werkzeugkosten
wesentlich geringerer Geräuschpegel, so daß eine Lärmschutzeinhausung der Anlage nicht erforderlich ist.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Hohlkörper mit mindestens einem profilierten Endbereich, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Ein derartiger Hohlköper kann in zahlreichen Bereichen eingesetzt werden.
Schließlich ist auch eine Verwendung des Hohlkörpers als Antriebswelle, als Halbzeug für die weitere Verformung, insbesondere durch Hämmern, oder als Konstruktionselement, insbesondere Spaceframe-Komponente erfindungsgemäß.
Nachfolgend wird ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 bis
Fig. 3 die einzelnen Verfahrensschritte zur Erstellung einer Antriebswelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird als Ausgangsprodukt ein Laser-geschweißtes, induktiv geschweißtes oder nahtloses Rohr 1 verwendet, das beispielsweise aus einem Vergütungsoder Einsatzstahl besteht.
In einem ersten Bearbeitungsschritt (Fig. 1) wird das Rohr 1 in seinem mittleren Bereich mittels DrüclcroUen A auf den gewünschten Außendurchmesser die gewünschte Wanddicke abgestreckt, wobei im vorliegenden Fall ein Dorn 3 in den Innenbereich des Rohres 1 eingebracht ist. Ebenso ist ein Drückwalzen ohne Dorn 3 möglich. Vorteilhafterweise werden drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Drückrollen A verwendet. Während dieses Vorganges wird der Außendurchmesser im abgestreckten Bereich reduziert, während der Außendurchmesser in den übrigen Bereichen unverändert bleibt. Die Verlängerung des Rohres 1 beträgt nun:
DL= LQ ((AHKθ/AHKabgestr) "!)■
Es liegt also als Halbzeug ein Rohr 1 mit dünner Wandstärke im mittleren Bereich und dickerer Wandstärke in den Endbereichen vor.
Im zweiten Verfahrensschritt wird das Rohr 1 im mittleren Bereich gespannt und die Endbereiche mit Drückrollen (B, C) in angetriebenen Rollköpfen reduziert (Fig. 2). Dabei wird das Ende des Hohlkörpers im ersten Vorgang gemäß Fig. 2 rechte Seite eingerollt und der regelbare, variable Längenwachstumsbegrenzer an das Ende der eingerollten Sektion gefahren. Darauf wird der Endbereich des Hohlkörpers von seinem Ende her in axialer Richtung mittels der Drückrolle(n) (B, C) im angetriebenen Rollkopf z.B über einen eingeschobenen Dorn reduziert und ggf. aufgedickt. In einer letzten Überfahrung durch die Drückrolle(n) (B, C) kann dann eine gewünschte Außenkontur gerollt werden.
Vorteilhafter Weise werden beide Endbereiche des Hohlkörpers gleichzeitig bearbeitet, was bei geeigneter Ausfuhrung zu einer Drehmomenten-Neutralisierung in der Einspannung des Hohlkörpers in seinem mittleren Bereich führt. Während der Reduziervorgänge ist im vorliegenden Beispiel in die Endbereiche jeweils ein Dorn 4 eingebracht. Während des Umformens wird das Werkstück gekühlt.
Wird der Längsfluß des Materials durch seitliche variable Begrenzungen 8 (Fig. 2) am Längsfluß behindert, so können die Endbereiche in der Wandstärke auch aufgedickt werden. Anschließend wird der (reduzierte) Endbereich über einen Dorn 4 ggf. in die endgültige Kontur drückgewalzt.
Ein dritter Verfahrensschritt (Fig. 3) besteht darin, daß der reduzierte, konturierte und ggf. aufgedickte Endbereich mittels nur radial beweglicher Prägerollen (D, E) in einem angetriebenen Rollkopf (D, E) über einen Dorn 4 mit einem oder mehreren axialen Längsanschlägen und sehr eng tolerierten Zapfen versehen wird. Hierbei bleibt das Rohr 1 mittels der Einspannung 2 mittig fixiert.
Nach dem Entfernen der Dome können dann insbesondere in den Endbereichen in bekannter Weise noch weitere Bearbeitungsschritte erfolgen, wie spanende Bearbeitung, Ablängung, Einstechen von Nuten bzw. Aufziehen eines Profils.
Zumindest während des zweiten, vorzugsweise aber wälirend aller Umformschritte wird das Werkstück intensiv mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise einem Öl-Wasser- Kühlschmiermittel gekühlt.
Claims
1. Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper aus einem rohrförmigen Werkstück, insbesondere Hohlwellen, mit zumindest einem stufenförmigen Absatz, wobei in einem ersten Schritt an dem rohrförmigen Werkstück mindestens ein konischer Bereich ausgebildet wird, welcher einen ersten Werkstückabschnitt mit einem größeren Durchmesser mit einem zweiten Werkstückabschnitt mit einem kleineren Durchmesser verbindet, und in einem zweiten Schritt mindestens ein Bereich des Werkstücks umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, zumindest in dem zweiten Schritt der Umfangvorgang ein Drückwalzen, Reduzieren, Aufdicken oder Abfahren der Kontur mittels Drückrollen oder eine Kombination dieser Schritte ist, wobei der umgeformte Bereich während des Umformvorganges gekühlt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt ein Prägen der Enden erfolgt.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück während der drei Schritte in einem jeweils nicht bearbeiteten Bereich eingespannt ist.
4. Verfahren gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der drei Schritte jeweils ein Dom in den bearbeiteten Bereich des Werkstücks eingebracht ist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gerollte, lasergeschweißte Rohre als Halbzeug verwendet werden.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Werkstück aus einem Vergütungs- oder Einsatzstahl besteht.
7. Einteiliger Hohlkörper, der gemäß den Ansprüchenl bis 6 hergestellt ist.
8. Verwendung des Hohlkörpers gemäß Anspruch 7 als Antriebswellen.
9. Verwendung des Hohlkörpers nach Ansprach 7 als Halbzeug für die weitere Verformung, insbesondere durch Hämmern.
10. Verwendung des Hohlkörpers gemäß Anspruch 7 als Konstruktionselement, insbesondere als Spaceframe-Komponenten.
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