EP1743720A1 - Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Werkstücke mit oder ohne Verzahnungsprofil - Google Patents

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EP1743720A1
EP1743720A1 EP05015102A EP05015102A EP1743720A1 EP 1743720 A1 EP1743720 A1 EP 1743720A1 EP 05015102 A EP05015102 A EP 05015102A EP 05015102 A EP05015102 A EP 05015102A EP 1743720 A1 EP1743720 A1 EP 1743720A1
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die
tool
starting material
forming
central axis
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French (fr)
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Matthias Dipl.-Ing. Prussak (FH)
Ralf Dr.-Ing. Bernhardt
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CDP Bharat Forge GmbH
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CDP Bharat Forge GmbH
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    • B21K1/28—Making machine elements wheels; discs
    • B21K1/30—Making machine elements wheels; discs with gear-teeth

Definitions

  • the present invention relates to a method for chipless production of substantially rotationally symmetrical workpieces, in particular of workpieces with tooth profile, as well as a workpiece produced by the method.
  • the Axialgesenkwalzen be mentioned.
  • the entire volume of material to be formed must be placed from the beginning between the molds and must be preformed accordingly, which further increases the workload.
  • the angle of attack of the tool must be kept in a precisely controlled range and other parameters such as rolling speed be observed, which of course further complicates the production.
  • the inventive method for producing substantially rotationally symmetrical workpieces by forming a starting material uses a forming die and a rotatable tool, wherein the die has a bore along its central axis.
  • the starting material is introduced through the bore of the die and pressed between the die and the rotating tool, so that the starting material of the contour of the die accordingly flows from the central axis to the outside.
  • the workpiece is thus manufactured in a single operation.
  • mechanical reworking or calibrations are possible.
  • As a result of the material flow in the die and the rotation of the tool in comparison to conventional methods, only slight forming forces occur, so that the demands on the tools and thus the cost expenditure are reduced. Since the reshaping takes place without cutting, the resulting fiber path of the finished workpiece is also advantageous and gives the workpiece better mechanical properties.
  • the method is further advantageously characterized in that the starting material can be continuously and controlled introduced into the space between the die and the tool.
  • the amount of material to be formed per time unit optimally to the selected Forming conditions are adjusted, which additionally keeps the required forming forces within limits.
  • the die is fixedly mounted.
  • the deformation is thus determined solely by the feed rate of the material and the rotational speed of the tool, so that a simple, cost-effective control of the method can be used.
  • the die can preferably also be rotatably mounted about an axis of rotation, which opens up new possibilities for controlling the forming, but without significantly complicating the control.
  • the speed of the die is preferably controlled independently of the speed of the tool; but the die can also run with the rotating tool compulsory.
  • the friction occurring between the material and the tool can be controlled, resulting in an exceptionally uniform material flow with consequently improved properties of the final product.
  • the speed n of the tool and / or the distance a of the tool from the die during the forming is set.
  • the center axis of the die and the axis of rotation of the tool may be in alignment.
  • the axis of rotation of the tool with an eccentricity e are added to the central axis of the die.
  • the amount of eccentricity can preferably be set by rotating the rotating tool in an oscillating manner about the central axis of the workpiece area to be formed.
  • the eccentricity is adapted to the reshaped starting material or the outer dimensions of the workpiece to be produced.
  • the oscillation is achieved, for example, by a radial feed movement of the tool.
  • the reduction of the friction surface also has the advantage that due to the only partial contact less force and thus energy is required for forming.
  • the die has a, preferably profiled, edge.
  • the inventive method is therefore particularly advantageous for the chip-free production of workpieces with tooth profiles. Due to the uniform flow of material and the mold filling in the die during forming, therefore, an accurate end-face profiling of the workpiece, e.g. a spur toothing allows.
  • the starting material is heated in the step of introducing or pressing. This improves the flow properties of the material, which further reduces forming forces.
  • the stock material is introduced solid or tubular through the bore of the die and into the space between the die and tool.
  • a reversal of the flow direction in the die is thus also possible.
  • the tool has a symmetrical or asymmetrical tool contour. While one side of the finished workpiece is determined by the shape or contour of the die, the possibility is given by the use of a tool with symmetrical or asymmetrical contour to influence the shape of the other side varied.
  • a workpiece produced by the non-cutting method according to the invention is accordingly characterized by a continuous and uninterrupted fiber course which is substantially parallel to the molded-on surface contour.
  • Such a fiber profile increases the material load capacity, life and freedom from errors and thus overall the quality of the workpiece.
  • the finished workpiece is produced in a much shorter time, which has a positive effect on the cost-benefit ratio.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of a die and a tool used in the method according to the invention, the material flow being indicated.
  • a schematic tool structure which shows a die 1 and a tool 2 arranged above.
  • the die has a bore 11 through its central axis and a contour in the form of a tooth profile 12, as well as a boundary 13 on the side facing the tool.
  • the tool is rotated at a speed n and the distance a between the tool and the die can be adjusted by a feed movement.
  • the starting material 3 is by means of a punch (not shown) introduced continuously at a feed rate into the bore 11 (arrow S), from where it is pressed into the space between the contour 12 of the die and the tool 2.
  • the material flows radially outward along the contour of the die until, due to the boundary 13, material finally fills the shape of the die and produces the finished workpiece.
  • the distance a of the amount of material in the die is adjusted. The material supply is controlled so that only as much material is pressed in as is necessary for forming under the given conditions.

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Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung im Wesentlichen rotationssymmetrischer Werkstücke durch Umformung eines Ausgangsmaterials (3) mithilfe einer formgebenden Matrize (1) und eines drehbaren Werkzeugs (2), wobei die Matrize (1) eine Bohrung (11) entlang ihrer Mittelachse aufweist, werden die folgenden Schritte durchgeführt: Einführen des Ausgangsmaterials (3) durch die Bohrung (11) der Matrize (1), und Einpressen des Ausgangsmaterials (3) zwischen die Matrize (1) und das sich drehende Werkzeug (2), so dass das Ausgangsmaterial (3) der Kontur der Matrize (1) entsprechend von der Mittelachse nach außen fließt.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanlosen Erzeugung von im Wesentlichen rotationssymmetrischen Werkstücken, insbesondere von Werkstücken mit Verzahnungsprofil, sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Werkstück.
    • Stand der Technik
  • Bisherige, aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, welche durch spanlose Umformung rotationssymmetrische Werkstücke wie z.B. Tellerräder erzeugen, sind vor allem durch die benötigten kostenintensiven Werkzeuge gekennzeichnet. So treten bei den Umformprozessen hohe Umformkräfte auf, welche in den Werkzeugen Spannungen mit zum Teil extremen Kerbspannungsspitzen hervorrufen, was sich negativ auf die Lebensdauer der Werkzeuge und daher auf deren Kosten auswirkt.
  • Als Beispiel eines solchen herkömmlichen Verfahrens ist das Axialgesenkwalzen zu nennen. Hierbei muss das gesamte umzuformende Materialvolumen von Beginn zwischen die Formwerkzeuge platziert werden und muss dementsprechend vorgeformt werden, was den Arbeitsaufwand zusätzlich vergrößert. Auch müssen beim Axialgesenkwalzen der Anstellwinkel des Werkzeugs in einem genau kontrollierten Bereich gehalten sowie weitere Parameter wie Walzgeschwindigkeit beachtet werden, was die Herstellung natürlich weiter verkompliziert.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erzeugung im Wesentlichen rotationssymmetrischer Werkstücke, insbesondere mit Verzahnungsprofilen zu entwickeln, welches eine einfachere, und damit schnellere und kostengünstigere Bearbeitung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen folgen aus den Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung im Wesentlichen rotationssymmetrischer Werkstücke durch Umformung eines Ausgangsmaterials verwendet eine formgebende Matrize und eine drehbares Werkzeug, wobei die Matrize eine Bohrung entlang ihrer Mittelachse aufweist. Hierbei wird das Ausgangsmaterial durch die Bohrung der Matrize eingeführt und zwischen die Matrize und das sich drehende Werkzeug eingepresst, so dass das Ausgangsmaterial der Kontur der Matrize entsprechend von der Mittelachse nach außen fließt. Das Werkstück wird somit in einem einzigen Arbeitsgang gefertigt. Je nach Anforderungen an die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte sind mechanische Nachbearbeitungen oder Kalibrierungen möglich. Durch den Materialfluss in der Matrize und die Rotation des Werkzeugs entstehen hierbei im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren nur geringe Umformkräfte, so dass die Anforderungen an die Werkzeuge und somit der Kostenaufwand reduziert werden. Da die Umformung spanlos erfolgt, ist auch der resultierende Faserverlauf des fertigen Werkstücks vorteilhaft und verleiht dem Werkstück bessere mechanische Eigenschaften.
  • Das Verfahren ist weiter in vorteilhafter Weise dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial kontinuierlich und kontrolliert in den Raum zwischen die Matrize und das Werkzeug eingeführt werden kann. Dadurch kann die umzuformende Materialmenge pro Zeiteinheit optimal an die gewählten Umformbedingungen angepasst werden, was zusätzlich die benötigten Umformkräfte in Grenzen hält.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Matrize feststehend gelagert. Die Umformung wird somit lediglich von der Zufuhrrate des Materials und der Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs bestimmt, so dass eine einfache, kosteneffiziente Steuerung des Verfahrens verwendet werden kann.
  • Die Matrize kann aber bevorzugt auch drehbar um eine Rotationsachse gelagert sein, was neue Möglichkeiten zur Steuerung der Umformung eröffnet, ohne jedoch die Steuerung wesentlich zu verkomplizieren.
  • Um weiter Steuerungsmöglichkeiten zu erhalten, wird bevorzugt die Drehzahl der Matrize von der Drehzahl des Werkzeugs unabhängig gesteuert; die Matrize kann aber auch mit dem sich drehenden Werkzeug zwangfrei mitlaufen. So kann die zwischen dem Material und dem Werkzeug auftretende Reibung kontrolliert werden, was zu einem außergewöhnlich gleichmäßigen Werkstofffluss mit folglich verbesserten Eigenschaften des Endprodukts führt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Drehzahl n des Werkzeugs und/oder der Abstand a des Werkzeugs von der Matrize während des Umformens eingestellt. Damit lässt sich die Umformung auch bei bereits laufendem Verfahren den auftretenden Gegebenheiten anpassen.
  • Für Anwendungen, in denen es erwünscht ist die zwischen dem umzuformenden Werkstück in der Matrize und dem Werkzeug befindliche Reibfläche hoch zu halten, können sich die Mittelachse der Matrize und die Rotationsachse des Werkzeugs in Flucht befinden. Wenn jedoch eine niedrigere Reibung, das heißt geringere Reibfläche gewünscht wird, wie zum Beispiel bei massiven Werkstücken, können entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Drehachse des Werkzeugs mit einer Exzentrizität e zur Mittelachse der Matrize versetzt werden. Der Exzentrizitätsbetrag kann bevorzugt dadurch eingestellt werden, dass sich das rotierende Werkzeug oszillierend um die Mittelachse des umzuformenden Werkstückbereichs dreht. Die Exzentrizität wird dabei dem umzuformenden Ausgangsmaterial bzw. den Außenabmessungen des zu fertigenden Werkstücks angepasst. Die Oszillation wird zum Beispiel durch eine radiale Zustellbewegung des Werkzeugs erzielt. Die Verminderung der Reibfläche hat zudem den Vorteil, dass aufgrund des nur partiellen Kontakts weniger Kraft und damit Energie zur Umformung benötigt wird.
  • Um eine optimale Formfüllung der Matrize zu erreichen, weist in einer bevorzugten Ausführungsform die Matrize eine, vorzugsweise profilierte, Berandung auf. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher insbesondere für die spanfreie Herstellung von Werkstücken mit Verzahnungsprofilen vorteilhaft. Durch den gleichmäßigen Materialfluss und die Formfüllung in der Matrize während der Umformung wird daher eine genaue stirnseitige Profilierung des Werkstücks, z.B. eine Stirnverzahnung, ermöglicht.
  • Bevorzugt wird das Ausgangsmaterial beim Schritt des Einführens oder des Einpressens erwärmt. Dadurch verbessern sich die Fließeigenschaften des Materials, wodurch Umformungskräfte weiter reduziert werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich nicht nur massive, sondern auch hohle Ausgangsmaterialien umformen. Das heißt, dass bevorzugt das Ausgangsmaterial massiv oder rohrförmig durch die Bohrung def Matrize und in den Zwischenraum zwischen Matrize und Werkzeug eingeführt wird. Bei Rohrmaterial ist damit auch eine Umkehr der Fließrichtung in der Matrize möglich.
  • Vorteilhafterweise weist das Werkzeug eine symmetrische oder asymmetrische Werkzeugkontur auf. Während die eine Seite des fertigen Werkstücks durch die Form oder Kontur der Matrize bestimmt wird, ist durch den Einsatz eine Werkzeugs mit symmetrischer oder asymmetrischer Kontur die Möglichkeit gegeben, die Form der anderen Seite vielfältig zu beeinflussen.
  • Ein mit dem erfindungsgemäßen, spanlosen Verfahren hergestelltes Werkstück ist demnach durch einen zur angeformten Oberflächenkontur im Wesentlichen parallelen, durchgängigen und nicht unterbrochenen Faserverlauf gekennzeichnet. Ein solcher Faserverlauf erhöht die Materialbelastbarkeit, Lebensdauer und Fehlerfreiheit und somit insgesamt die Qualität des Werkstücks. Zudem wird das fertige Werkstück in einer wesentlich kürzeren Zeit hergestellt, was sich positiv auf das Kosten-Nutzen-Verhältnis auswirkt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 beschrieben.
  • Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Matrize und eines Werkzeugs, wobei der Materialfluss angedeutet ist.
    • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • In Fig. 1 ist ein schematischer Werkzeugaufbau dargestellt, der eine Matrize 1 und ein darüber angeordnetes Werkzeug 2 zeigt. Die Matrize weist eine Bohrung 11 durch ihre Mittelachse und eine Kontur in Form einer Verzahnungs-Profilierung 12, sowie eine Berandung 13 an der zum Werkzeug hingewandten Seite auf. Das Werkzeug wird mit einer Drehzahl n gedreht und der Abstand a zwischen Werkzeug und Matrize kann durch eine Zustellbewegung eingestellt werden. Das Ausgangsmaterial 3 wird mittels eines Stempels (nicht gezeigt) kontinuierlich mit einer Zuführgeschwindigkeit in die Bohrung 11 eingeführt (Pfeil S), von wo es in den Zwischenraum zwischen der Kontur 12 der Matrize und dem Werkzeug 2 eingepresst wird. Durch das Einpressen und die Rotation des auf das Material wirkenden Werkzeugs fließt das Material radial der Kontur der Matrize entlang nach außen, bis es aufgrund der Berandung 13 schließlich Material die Form der Matrize ausfüllt und das fertige Werkstück erzeugt. Hierbei wird auch der Abstand a der Materialmenge in der Matrize angepasst. Die Materialzufuhr wird so gesteuert, dass nur soviel Material eingepresst wird wie zur Umformung unter den gegebenen Bedingungen notwendig ist.
  • Das in den folgenden Patentansprüchen offenbarte Verfahren ermöglicht es, durch spanloses Umformen rotationssymmetrische Werkstücke, mit oder ohne Verzahnungsprofil aus massivem oder rohrförmigem Ausgangsmaterial herzustellen. Der Fachmann wird zweifelsfrei weitere vorteilhafte Ausführungsformen anhand des hier dargestellten Beispiels erkennen können, die ebenso im Umfang dieser Erfindung liegen.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung im Wesentlichen rotationssymmetrischer Werkstücke durch Umformung eines Ausgangsmaterials (3) mithilfe einer formgebenden Matrize (1) und eines drehbaren Werkzeugs (2), wobei die Matrize eine Bohrung (11) entlang ihrer Mittelachse aufweist, die folgenden Schritte umfassend:
    - Einführen des Ausgangsmaterials durch die Bohrung der Matrize
    - Einpressen des Ausgangsmaterials zwischen die Matrize und das sich drehende Werkzeug, so dass das Ausgangsmaterial der Kontur (12) der Matrize entsprechend von der Mittelachse nach außen fließt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausgangsmaterial kontinuierlich und kontrolliert eingeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Matrize feststehend gelagert ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Matrize drehbar um eine Rotationsachse gelagert ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Drehzahl der Matrize von der Drehzahl des Werkzeugs unabhängig gesteuert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Matrize mit dem sich drehenden Werkzeug zwangfrei mitläuft.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehzahl n des Werkzeugs und/oder der Abstand a des Werkzeugs von der Matrize während des Umformens eingestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehachse des Werkzeugs mit einer Exzentrizität e zur Mittelachse der Matrize versetzt sein kann.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Exzentrizitätsbetrag dadurch eingestellt wird, dass das rotierende Werkzeug oszillierend um die Mittelachse der Matrize gedreht wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrize eine vorzugsweise profilierte Berandung (13) aufweist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausgangsmaterial beim Schritt des Einführens oder des Einpressens erwärmt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausgangsmaterial massiv oder rohrförmig eingeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug eine symmetrische oder asymmetrische Werkzeugkontur aufweist.
  14. Mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestelltes Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass es zu den angeformten Oberflächenkonturen im Wesentlichen parallele, durchgängige und nicht unterbrochene Fasern aufweist.
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