EP2888064A1 - Umformverfahren und ein nach diesem umformverfahren hergestelltes verzahnungsbauteil - Google Patents

Umformverfahren und ein nach diesem umformverfahren hergestelltes verzahnungsbauteil

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EP2888064A1
EP2888064A1 EP13752631.5A EP13752631A EP2888064A1 EP 2888064 A1 EP2888064 A1 EP 2888064A1 EP 13752631 A EP13752631 A EP 13752631A EP 2888064 A1 EP2888064 A1 EP 2888064A1
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EP
European Patent Office
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forming
tool
workpiece
forming method
force
Prior art date
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Granted
Application number
EP13752631.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2888064B1 (de
Inventor
Sönke RÜSCH
Lars WETTERAU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP2888064A1 publication Critical patent/EP2888064A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2888064B1 publication Critical patent/EP2888064B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/06—Heating or cooling methods or arrangements specially adapted for performing forging or pressing operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J9/00—Forging presses
    • B21J9/02—Special design or construction
    • B21J9/025—Special design or construction with rolling or wobbling dies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/28—Making machine elements wheels; discs
    • B21K1/30—Making machine elements wheels; discs with gear-teeth

Definitions

  • the invention relates to a forming method in which a workpiece is formed at room temperature or a certain temperature by means of a forming tool. Furthermore, the invention relates to a molded part produced by this forming process.
  • DE 10 2007 023 087 A1 relates to a method for producing cams from a hardenable steel material for a camshaft in an internal combustion engine of a
  • the manufacturing method comprises a forming of a semifinished product for producing a cam blank and a subsequent heat treatment of the
  • the rod material or the cam disk may be heated to a temperature of up to 400 ° C.-500 ° C., depending on the material, in order to facilitate the forming, so that the deformation takes place as warm forging. Such a temperature increase naturally increases the deformability.
  • Temperature is chosen in such a way that the forming without
  • Microstructure occurs and no scaling occurs.
  • WO 2005/021 177 A1 discloses a method for shaping sheets, in particular for hot or hot forging of blanks, in a forming tool.
  • a high degree of deformation proves advantageous due to the use of a warm or hot forging in contrast, for example, to a cold forming such as deep drawing.
  • the pressing tools used can be spared.
  • high degrees of deformation require a high forming temperature.
  • a high forming capacity of ⁇ > 4 is achieved.
  • this is associated with a high energy consumption in the heating of the workpiece to the high temperature.
  • Another major disadvantage associated with hot forming is the high cost of post-machining, particularly the required removal of the scale resulting from the high temperatures, for example by means of blasting.
  • the loss of material proves to be disadvantageous because considerable oversizes must be provided to compensate for the deviations and inaccuracies that occur. Due to the
  • a die part performs one during the pressing process
  • Essentially circular cross-section inserted between the molds.
  • one second step is then exerted on at least one of the molds a force in a direction by which move the molds relative to each other.
  • the starting material is formed into a blank for the rack, which receives in the axial region of the rack toothing deviates from a circular cylinder shape.
  • the starting material can be formed without major work hardening in those areas of the blank, which undergo larger deformations in the course of the production of the rack.
  • An additional advantage of this method is that a blank shape can be achieved in a simple manner, with which in a subsequent forming process, in particular in a tumbling process, burr formation is avoided.
  • the invention is based on the object, the advantages of
  • Forming process at high temperatures to combine with the advantages of forming at low temperatures in an optimal manner.
  • a high degree of deformation at relatively low temperatures should be realized.
  • a manufactured according to this forming process toothing component to be created.
  • Forming force transferred during forming only acts on a small partial area as a partial surface of the reshaping forming surface of the workpiece, wherein the partial surface is changed continuously during the action of a substantially constant forming force in particular, so that after completion of a cycle, the total area is subjected to a forming force.
  • a significantly improved forming capacity can be achieved if the forming force is not transferred simultaneously to the entire forming surface, but successively acting on a gradually or continuously changing partial surface until the entire forming surface is loaded at least once with the forming force.
  • the forming force is thus transferred partially or incrementally to the partial surface, wherein the selected partial surface is in particular changed continuously in relation to the forming surface after a predetermined cycle.
  • the method can be in the temperature range of Lauwarmumformung a surprisingly high formability of ⁇ > 4 reach, which corresponds to the forming capacity of a hot forming and thereby even exceeds the forming capacity of warm forging significantly.
  • a pulsating introduction of force occurs in conjunction with shear forces, which oppose a reduced moment of deformation to the purely axial force introduction customary in the state of the art .
  • the advantages of hot and cold forming are combined by the forming process according to the invention at temperatures of lukewarm forming. Compared to the hot forming reduces the
  • the forming process can be advantageously used in a temperature range between 50 ° C and 450 ° C.
  • a particularly advantageous embodiment of the method is also realized in that the workpiece is heated to a temperature between 100 ° C to 300 ° C, in particular between 150 ° C and 250 ° C and that the temperature is kept substantially constant during the forming.
  • This temperature range forms according to current knowledge an optimum in terms of Umformdozenss and the required Nachbearbeitungsaufwands. It is conceivable that the forming force is first interrupted or reduced after the action on a first partial area, in order subsequently to act on a second partial area deviating from the first partial area. In contrast, it has proven to be particularly practical if the forming force is kept substantially constant during a cycle. As a result, due to the friction caused by the forming tool, which is moved along the surface of the workpiece and thereby loaded a continuously changing surface, the desired abrupt improvement of
  • Target geometry may be performed during a single cycle or multiple full cycles. The production cost is thus significantly reduced. At the same time a matching forming force is ensured in each sub-area in a simple manner.
  • the forming force during a cycle could also be changed so as to realize different degrees of deformation in different sub-areas.
  • the forming tool can be designed so that different positions are adjustable and thus partial areas of different sizes can be applied, so as to increase the pressure locally.
  • the forming tool has an adjustable effective area or is arranged interchangeably on a tool holder, the size of the faces can be easily
  • the forming tool could be temporarily held in a single partial area during the transfer of the forming force, so that the relative position is incrementally changed.
  • a further embodiment of the forming method according to the invention proves to be particularly promising, in which the change of the partial surface takes place continuously, so that therefore the relative movement between the forming tool and the surface of the workpiece is performed continuously parallel to the surface. That way, one becomes achieved homogeneous deformation, which leads to a further improvement of the material quality.
  • the forming process according to the invention is not limited to specific workpiece geometries. However, it has already proved to be particularly practical if the surface to be reshaped is point-symmetrical or essentially rotationally symmetrical, the partial surface on which the reshaping tool acts during the transfer of the reshaping force not exceeding the size of a sector with an area fraction reduced relative to the surface to be reshaped ,
  • workpieces in which a particular at least partially cylindrical blank made of steel is used.
  • the workpiece can be fixed in place during the deformation or moved relative to the forming tool.
  • the partial application of force of the forming force results essentially from an inclination of the
  • Forming tool by the active surface of the forming tool is not aligned parallel to the partial surface of the workpiece.
  • the forming tool can act with a single tool on a partial surface of the workpiece, which rests on its side facing away from the tool support surface in a die over its entire outer surface and is thereby fixed.
  • a variant has proven particularly advantageous in which the forming tool acts with a first tool on a partial surface of the first forming surface of the workpiece and acts with a second tool on a particular to the partial surface of the first forming surface uniform partial surface of a second forming surface of the workpiece.
  • a double partial deformation is realized in which both tools are tilted relative to the workpiece.
  • a low friction is achieved both on the upper and on the lower tool.
  • high degrees of deformation can be achieved on both outer surfaces of the workpiece, resulting in
  • the method is suitable, for example, for spur gears with a small toothing module or for
  • Scaling limit can be produced by forming.
  • the two tools are moved synchronously with each other, in particular thus perform uniform rotational movements.
  • the two tools each have a tool axis which, for example, also coincides with the central axis of the workpiece between 0 ° and 7 °.
  • the tools may also have different angles to the workpiece.
  • both tools or only one tool can perform a feed motion.
  • a substantial increase in the achievable degrees of deformation can be achieved by applying a liquid or solid lubricant to the workpiece or the forming tool prior to forming.
  • the second-mentioned object to provide a toothing component produced by the forming process, is achieved according to the invention due to the high accuracy requirements with a toothed component, in particular a bevel, crown or spur gear.
  • a toothed component in particular a bevel, crown or spur gear.
  • this also relates to those components in which a degree of deformation of partial ⁇ > 4 is necessary during the forming with a stroke without intermediate annealing, as for example in flange shafts.
  • Fig. 1 is a side view of a forming tool and a workpiece during
  • Fig. 2 is a plan view of a forming surface of the workpiece
  • Fig. 3 is a side view of another forming tool with two tools
  • FIG. 4 is a perspective view of a produced by the forming process
  • Fig. 5 is a perspective view of a produced by the forming process
  • FIG. 1 shows in one
  • a forming tool 1 for producing a designed as a toothed component workpiece 2 in a known tumble or rotary forging method has a rotationally symmetrical tool 3, which is placed for transmitting a forming force to the held in a die 4 workpiece 2 in a tumbling movement relative to the central axis 5 or a rotational movement about the tilted tool axis 6.
  • a rotationally symmetrical tool 3 which is placed for transmitting a forming force to the held in a die 4 workpiece 2 in a tumbling movement relative to the central axis 5 or a rotational movement about the tilted tool axis 6.
  • a forming force F of the tool 3 acts in the region of a partial surface 7 corresponding to a momentary contact surface starting from the central axis 5 to the circumference of the workpiece 2 on the workpiece 2 held in a die 4, wherein the forming force F between the central axis 5 and a circumference of the molded part have their maximum F max and in the edge region their minimum F min .
  • the workpiece 2 is heated to a temperature of about 200 ° C and the
  • Forming force F is not transferred simultaneously to the entire, recognizable in Figure 2 forming surface 8, but successively acting on a gradually or continuously changing partial surface 7 until the entire forming surface 8 is at least once loaded with the forming force F, surprisingly high degrees of deformation in comparatively less
  • the forming force F is partially transferred to the respective part surface 7, the selected one
  • Part surface 7 with respect to the forming surface 8 continuously changes after a predetermined cycle.
  • the thus determined, different sub-areas 7, 7 ', 7 ", 7"' each have a matching size and are shown in Figure 2 suggestively. Due to the continuously progressive application of force F to different partial surfaces 7, 7 ', 7 ", 7"', a swelling force is generated in conjunction with shear forces which oppose a reduced deformation moment of the purely axial force introduction customary in the prior art.
  • a swelling force is generated in conjunction with shear forces which oppose a reduced deformation moment of the purely axial force introduction customary in the prior art.
  • FIG. 3 additionally shows a variant of the forming tool 9 which can be used in the forming method according to the invention with two tools 3, 10 during the execution of the forming process.
  • the forming tool 9 acts with a first tool
  • Forming surface 8 equal part surface of a second forming surface 1 1 of the workpiece 2 a. Since the two tools 3, 10 are not loaded on the entire surface, low friction is achieved at the same time with high degrees of deformation on both outer surfaces of the workpiece 2.
  • the two tools 3, 10 each have a tool axis 6, 12, which correspond to the workpiece 2 Include angle, so that the tool axes 6, 12 of the two tools 3, 10 are each arranged inclined relative to a workpiece center axis.
  • Shaped workpiece 2 shown as a toothed component, wherein in FIG.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Forging (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Umformverfahren, bei dem ein Werkstück (2) bei geringeren Temperaturen, beispielsweise im Bereich der Lauwarmumformung oder der Halbwarmumformung, mittels eines Umformwerkzeugs (1) im Taumelverfahren oder Drehschmiedeverfahren umgeformt wird. Indem die Umformkraft (F) nicht zugleich auf die gesamte Umformfläche übertragen wird, sondern sukzessive auf eine sich schrittweise oder stetig verändernde Teilfläche (7) einwirkt, bis die gesamte Umformfläche zumindest einmal mit der Umformkraft (F) belastet ist, können überraschend hohe Umformgrade bei vergleichsweise geringer Krafteinwirkung realisiert werden.

Description

Beschreibung
Umformverfahren und ein nach diesem Umformverfahren hergestelltes Verzahnungsbauteil
Die Erfindung betrifft ein Umformverfahren, bei dem ein Werkstück bei Raumtemperatur oder einer bestimmten Temperatur mittels eines Umformwerkzeugs umgeformt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit diesem Umformverfahren hergestelltes Formteil.
Die DE 10 2005 027 259 A1 beschreibt ein Schmiedeverfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen durch Halbwarm-Umformung von Rohlingen aus Legierungen mit superplastischem Gefüge. Dadurch wird der Umformdruck im Umformwerkzeug deutlich unterhalb des zum Schmieden benötigten Umformdrucks der entsprechenden Legierung gehalten.
Die DE 10 2007 023 087 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nocken aus einem härtbaren Stahlwerkstoff für eine Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor eines
Kraftfahrzeugs. Das Herstellungsverfahren umfasst eine Umformung eines Halbzeugs zur Erzeugung eines Nockenrohlings und eine anschließende Wärmebehandlung des
Nockenrohlings. Um die Umformung zu erleichtern, kann das Stangenmaterial bzw. die Nockenscheibe vor der Umformung gegebenenfalls je nach Werkstoff auf eine Temperatur von bis zu 400 °C - 500 °C erwärmt werden, sodass die Umformung als Halbwarmumformung erfolgt. Eine solche Temperaturerhöhung erhöht naturgemäß die Verformbarkeit. Die
Temperatur wird in einer solchen Weise gewählt, dass die Umformung ohne
Gefügebeeinträchtigung erfolgt und keine Verzunderung auftritt.
Durch die WO 2005/021 177 A1 ist ein Verfahren zum Umformen von Blechen, insbesondere zum Halbwarm- oder Warmumformen von Platinen, in einem Umformwerkzeug bekannt. Vorteilhaft erweist sich dabei ein hoher Umformgrad bedingt durch die Verwendung eines Halbwarm- oder Warmumformens im Gegensatz beispielsweise zu einem Kaltumformen wie dem Tiefziehen. Hierdurch können insbesondere die verwendeten Presswerkzeuge geschont werden.
Die DE 10 2009 025 023 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, bei dem ein Halbwarmpressen eingesetzt wird. Beim Halbwarmumformen werden niedrigere Temperaturen verwendet als beim Warmumformen, wodurch im Allgemeinen keine Materialhärtung erfolgt. Es können
beispielsweise jedoch Hochfestmaterialien verwendet werden, die bereits hochfeste
Eigenschaften aufweisen. In diesem Falle braucht lediglich eine Temperaturerhöhung in Bereiche zu erfolgen, die das Umformen erleichtern - insbesondere auf Temperaturen unterhalb 850 °C, bevorzugt zwischen 500 °C und 700 °C.
Grundsätzlich gilt, dass hohe Umformgrade eine hohe Umformtemperatur erfordern. So wird beispielsweise bei einer Warmumformung im Temperaturbereich zwischen 1.000 °C und 1.200 °C ein hohes Umformvermögen von φ > 4 erreicht. Hiermit verbunden ist jedoch ein hoher Energieverbrauch bei der Erwärmung des Werkstücks auf die hohe Temperatur. Ein weiterer wesentlicher Nachteil, der mit der Warmumformung verbunden ist, ist der hohe Aufwand für die spanende Nachbearbeitung, insbesondere durch die erforderliche Entfernung des bei den hohen Temperaturen entstehenden Zunders, beispielsweise mittels Strahlen. Weiterhin erweist sich der Materialverlust als nachteilig, weil zum Ausgleich der auftretenden Abweichungen und Ungenauigkeiten erhebliche Aufmaße vorgesehen werden müssen. Aufgrund der
Zunderschichten ist es in der Praxis zudem ausgeschlossen, mehrere Verfahrensschritte in ein Werkzeug zu integrieren, da störender Zunder die Funktion beeinträchtigen könnte.
Der Vorteil einer Umformung bei geringeren Temperaturen, beispielsweise im Bereich der Lauwarmumformung sowie der Kaltumformung, liegt demgegenüber in dem geringeren
Energieaufwand für die Erwärmung sowie in der so realisierbaren hohen Genauigkeit bei zugleich fehlender Verzunderung. Gegenüber einer Umformung bei hohen Temperaturen ergibt sich jedoch ein wesentlich geringeres Umform vermögen bei hohen Umformkräften.
Aus der DE 32 02 254 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Zahnstange durch
Kaltumformung bekannt, bei dem ein zylindrischer Rohling zwischen einem Ober- und
Unterwerkzeug umgeformt wird. Ein Gesenkteil führt während des Pressvorgangs eine
Taumelbewegung auf dem Rohling aus. Durch den partiellen Umformbereich im Vergleich zum Stauchen wird eine geringere Normalspannung erreicht, die zu einer Erhöhung der
Werkzeugstandzeit führt.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Rohlings für eine Zahnstange gemäß der DE 198 39 428 A1 wird unter Verwendung einer Prägevorrichtung mit wenigstens drei relativ zueinander beweglichen Formwerkzeugen in einem ersten Schritt ein Ausgangsmaterial mit im
Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt zwischen die Formwerkzeuge eingelegt. In einem zweiten Schritt wird dann auf wenigstens eines der Formwerkzeuge eine Kraft in einer Richtung ausgeübt, durch die sich die Formwerkzeuge relativ zueinander bewegen. Dadurch wird das Ausgangsmaterial in einen Rohling für die Zahnstange umgeformt, der im axialen Bereich der Zahnstangenverzahnung eine von einem Kreiszylinder abweichende Form erhält. Durch die Einleitung einer Kraft in die drei relativ zueinander beweglichen Formwerkzeuge kann das Ausgangsmaterial ohne größere Kaltverfestigung in diejenigen Bereiche des Rohlings geformt werden, die im weiteren Verlauf der Herstellung der Zahnstange größere Verformungen erfahren. Ein zusätzlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass auf einfache Weise eine Rohlingsform erreicht werden kann, mit der bei einem nachfolgenden Umformprozess, insbesondere bei einem Taumelverfahren, eine Gratbildung vermieden wird.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorteile eines
Umformverfahrens bei hohen Temperaturen mit den Vorteilen einer Umformung bei geringen Temperaturen in optimaler Weise zu verbinden. Insbesondere soll ein hoher Umformgrad bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen realisiert werden. Außerdem soll ein nach diesem Umformverfahren hergestelltes Verzahnungsbauteil geschaffen werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Umformverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Umformverfahren vorgesehen, bei dem die durch das
Umformwerkzeug übertragene Umformkraft während der Umformung lediglich auf eine geringe Teilfläche als Partialfläche der umzuformenden Umformfläche des Werkstücks einwirkt, wobei die Teilfläche während der Einwirkung einer im Wesentlichen konstanten Umformkraft insbesondere stetig verändert wird, sodass nach Abschluss eines Zyklus die Gesamtfläche mit einer Umformkraft beaufschlagt ist. Die Erfindung geht dabei von der überraschenden
Erkenntnis aus, dass sich bei einer vergleichsweise geringen Temperatur, die im Bereich der Kaltumformung oder nur geringfügig darüber und damit weit unterhalb der Temperatur einer Halbwarmumformung liegt, ein wesentlich verbessertes Umformvermögen erzielen lässt, wenn die Umformkraft nicht zugleich auf die gesamte Umformfläche übertragen wird, sondern sukzessive auf eine sich schrittweise oder stetig verändernde Teilfläche einwirkt, bis die gesamte Umformfläche zumindest einmal mit der Umformkraft belastet wird. Insbesondere wird die Umformkraft also partiell bzw. inkrementell auf die Teilfläche übertragen, wobei die ausgewählte Teilfläche in Bezug auf die Umformfläche nach einem vorbestimmten Zyklus insbesondere kontinuierlich verändert wird. Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens lässt sich in dem Temperaturbereich der Lauwarmumformung ein überraschend hohes Umformvermögen von φ > 4 erreichen, was dem Umformvermögen einer Warmumformung entspricht und dabei sogar das Umformvermögen der Halbwarmumformung deutlich übertrifft. Obwohl der diesem hervorragenden Umformvermögen zugrunde liegende physikalische Effekt noch nicht vollständig verstanden worden ist, wird derzeit davon ausgegangen, dass aufgrund der veränderlichen Teilflächen eine schwellende Krafteinleitung in Verbindung mit Scherkräften erfolgt, die der nach dem Stand der Technik üblichen rein axialen Krafteinleitung ein reduziertes Verformungsmoment entgegensetzt. Im Ergebnis werden durch das erfindungsgemäße Umformverfahren bei Temperaturen der Lauwarmumformung die Vorteile der Warm- und der Kaltumformung kombiniert. Gegenüber der Warmumformung reduziert sich der
Energieaufwand, der anderenfalls für die Erwärmung des Werkstücks erforderlich ist. Weiterhin entfällt das aufwendige Entfernen von Zunder, wobei zugleich eine hohe Genauigkeit erreicht wird. Somit sind geringe Aufmaße erforderlich, die zu einer deutlich verminderten spanenden Nacharbeit und zugleich zu Materialeinsparungen führen. Gegenüber der Halbwarmumformung ergeben sich ein ebenfalls noch deutlich reduzierter Energieaufwand für die Erwärmung sowie das erhöhte Umformvermögen bei geringeren Umform kräften. Ferner kann auch der
Anschaffungsaufwand für die zur Umformung eingesetzten Vorrichtungen gesenkt werden. Darüber hinaus wird auch der Werkzeugverschleiß minimiert. Aber auch gegenüber der Kaltumformung ergeben sich wesentliche Vorteile hinsichtlich des beschriebenen hohen Umformvermögens bei zugleich reduzierten Umform kräften. Zur Umformung eignen sich beispielsweise an sich bekannte Taumelumformverfahren ebenso wie Drehschmiedeverfahren. Das Umformverfahren ist dabei vorzugsweise ohne Zwischenglühen durchführbar. Außerdem kann die Wirkrichtung der Umformkraft sowohl eine horizontale als auch eine vertikale
Orientierung aufweisen.
Das Umformverfahren ist vorteilhaft einsetzbar in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 450 °C. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird auch dadurch realisiert, dass das Werkstück auf eine Temperatur zwischen 100 °C bis 300 °C, insbesondere zwischen 150 °C und 250 °C erwärmt wird und dass die Temperatur während der Umformung im Wesentlichen konstant gehalten wird. Dieser Temperaturbereich bildet nach derzeitigen Erkenntnissen ein Optimum hinsichtlich des Umformvermögens sowie des erforderlichen Nachbearbeitungsaufwands. Es ist denkbar, dass die Umformkraft nach der Einwirkung auf eine erste Teilfläche zunächst unterbrochen oder reduziert wird, um anschließend auf eine von der ersten Teilfläche abweichende zweite Teilfläche einzuwirken. Im Gegensatz hierzu hat es sich als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die Umformkraft während eines Zyklus im Wesentlichen konstant gehalten wird. Hierdurch wird aufgrund der Reibung, bedingt durch das Umformwerkzeug, welches entlang der Oberfläche des Werkstücks bewegt wird und dadurch eine sich stetig verändernde Teilfläche belastet, die gewünschte sprunghafte Verbesserung des
Umformvermögens erreicht. Zugleich wird der Steuerungsaufwand reduziert, welcher anderenfalls bei einer Trennung des Werkzeugs von der jeweiligen Teilfläche des Werkstücks einen zusätzlichen Aufwand für die erneute relative Positionierung erfordert.
Dadurch kann die Umformung von einem Ausgangszustand zu einer vorbestimmten
Sollgeometrie während eines einzigen Zyklus oder mehrerer vollständiger Zyklen durchgeführt werden. Der Herstellungsaufwand wird somit wesentlich verkürzt. Zugleich wird in einfacher Weise eine übereinstimmende Umformkraft in jeder Teilfläche sichergestellt.
Selbstverständlich könnte die Umformkraft während eines Zyklus auch verändert werden, um so unterschiedliche Umformgrade in verschiedenen Teilflächen zu realisieren. Weiterhin kann auch das Umformwerkzeug so beschaffen sein, dass unterschiedliche Positionen einstellbar sind und somit Teilflächen unterschiedlicher Größe beaufschlagt werden können, um so lokal den Druck zu erhöhen. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn die jeweils von der Umformkraft beaufschlagten Teilflächen während eines Zyklus im Wesentlichen gleich groß bemessen werden. Hierdurch wird eine konstante Krafteinleitung und somit eine homogene Umformung sichergestellt. Zugleich wird die Oberfläche geglättet und eine hohe Maßhaltigkeit gewährleistet.
Indem das Umformwerkzeug eine einstellbare Wirkfläche aufweist oder austauschbar an einer Werkzeugaufnahme angeordnet ist, lässt sich die Größe der Teilflächen problemlos
vorbestimmen.
Das Umformwerkzeug könnte während der Übertragung der Umformkraft vorübergehend in einer einzigen Teilfläche gehalten werden, sodass die relative Position inkrementell verändert wird. Als besonders Erfolg versprechend erweist sich eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformverfahrens, bei dem die Änderung der Teilfläche stetig erfolgt, sodass also die Relativbewegung zwischen dem Umformwerkzeug und der Oberfläche des Werkstücks parallel zur Oberfläche kontinuierlich durchgeführt wird. Auf diese Weise wird eine homogene Umformung erreicht, welche zu einer weiteren Verbesserung der Materialqualität führt.
Das erfindungsgemäße Umformverfahren ist nicht auf bestimmte Werkstückgeometrien beschränkt. Als besonders praxisgerecht hat es sich allerdings bereits erwiesen, wenn die umzuformende Fläche punktsymmetrisch oder im Wesentlichen rotationssymmetrisch ist, wobei die Teilfläche, auf die das Umformwerkzeug während der Übertragung der Umformkraft einwirkt, die Größe eines Sektors mit einem gegenüber der umzuformenden Fläche reduzierten Flächenanteil nicht überschreitet.
Beispielsweise eignen sich Werkstücke, bei denen ein insbesondere zumindest abschnittsweise zylindrischer Rohling aus Stahl verwendet wird. Dabei kann das Werkstück während der Umformung ortsfest fixiert oder relativ zu dem Umformwerkzeug bewegt werden. Die partielle Krafteinleitung der Umformkraft resultiert dabei im Wesentlichen aus einer Neigung des
Umformwerkzeugs, indem die Wirkfläche des Umformwerkzeugs nicht parallel zu der Teilfläche des Werkstücks ausgerichtet wird.
Bei der Durchführung des Umformverfahrens kann das Umformwerkzeug mit einem einzigen Werkzeug auf eine Teilfläche des Werkstücks einwirken, welches auf seiner dem Werkzeug abgewandten Auflagefläche in einem Gesenk flächig über seine gesamte Außenfläche aufliegt und dadurch fixiert ist. Besonders vorteilhaft hat sich bereits eine Variante erwiesen, bei welcher das Umformwerkzeug mit einem ersten Werkzeug auf eine Teilfläche der ersten Umformfläche des Werkstücks einwirkt und mit einem zweiten Werkzeug auf eine insbesondere zu der Teilfläche der ersten Umformfläche gleichförmige Teilfläche einer zweiten Umformfläche des Werkstücks einwirkt. Hierdurch wird eine doppelte partielle Umformung realisiert, bei der beide Werkzeuge gegenüber dem Werkstück gekippt sind. Hierdurch wird eine geringe Reibung sowohl an dem oberen als auch an dem unteren Werkzeug erreicht. Zudem lassen sich an beiden Außenflächen des Werkstücks hohe Umformgrade erreichen, wodurch sich
beispielsweise Stirnräder optimal herstellen lassen. Dadurch eignet sich das Verfahren beispielsweise auch für Stirnräder mit einem geringen Verzahnungs-Modul oder für
Hochverzahnungen, die dadurch erstmals auch bei Temperaturen unterhalb der
Verzunderungsgrenze durch Umformung herstellbar sind.
Dabei können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die beiden Werkzeuge synchron zueinander bewegt werden, insbesondere also gleichförmige Rotationsbewegungen durchführen. Vorzugsweise weisen die beiden Werkzeuge jeweils eine Werkzeugachse auf, die mit der Mittelachse des Werkstücks einen beispielsweise auch übereinstimmenden Winkel zwischen 0° und 7° einschließen. Selbstverständlich können die Werkzeuge auch unterschiedliche Winkel gegenüber dem Werkstück aufweisen. Weiterhin können beide Werkzeuge oder lediglich ein Werkzeug eine Vorschubbewegung durchführen.
Weiterhin hat es sich als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn das Werkstück mit seiner Mittelachse gegenüber den Werkzeugachsen der beiden Werkzeuge jeweils relativ geneigt angeordnet ist, wobei sowohl das Werkstück als auch zumindest ein Werkzeug bewegt werden. Insbesondere wird also zumindest ein Werkzeug zur Übertragung einer Umformkraft auf das Werkstück in eine Taumelbewegung oder beide Werkzeuge in eine Drehbewegung um die Werkzeugachsen, von denen zumindest eine gegenüber der Mittelachse gekippt ist, versetzt.
Eine wesentliche Steigerung der erzielbaren Umformgrade lässt sich dabei erreichen, indem das Werkstück oder das Umformwerkzeug vor der Umformung mit einem flüssigen oder festen Schmierstoff beaufschlagt werden.
Die zweitgenannte Aufgabe, ein mit dem Umformverfahren hergestelltes Verzahnungsbauteil zu schaffen, wird erfindungsgemäß aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen mit einem Verzahnungsbauteil, insbesondere einem Kegel-, Kronen- oder Stirnrad gelöst. Vorzugsweise betrifft dies auch solche Bauteile, bei denen während der Umformung mit einem Hub ohne Zwischenglühen ein Umformgrad von partiell φ > 4 notwendig ist, wie beispielsweise bei Flanschwellen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
Fig. 1 eine Seitenansicht auf ein Umformwerkzeug und ein Werkstück während
der Durchführung des Umformverfahrens;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Umformfläche des Werkstücks;
Fig. 3 eine Seitenansicht auf ein weiteres Umformwerkzeug mit zwei Werkzeugen
während der Durchführung des Umformverfahrens; Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines mit dem Umformverfahren hergestellten
Kegelrades;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines mit dem Umformverfahren hergestellten
Stirnrades.
Das erfindungsgemäße Umformverfahren wird nachstehend zur Verdeutlichung des
Grundprinzips anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben. Figur 1 zeigt in einer
Seitenansicht ein Umformwerkzeug 1 zur Herstellung eines als Verzahnungsbauteil ausgeführten Werkstücks 2 in einem an sich bekannten Taumel- oder Drehschmiedeverfahren. Hierzu hat das Umformwerkzeug 1 ein rotationssymmetrisches Werkzeug 3, welches zur Übertragung einer Umformkraft auf das in einem Gesenk 4 gehaltene Werkstück 2 in eine Taumelbewegung gegenüber der Mittelachse 5 oder eine Drehbewegung um die gekippte Werkzeugachse 6 versetzt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird also keine reversierende, sondern eine umlaufende, rotierende Bewegung erzeugt. Dadurch wirkt im Bereich einer Teilfläche 7 entsprechend einer momentanen Kontaktfläche ausgehend von der Mittelachse 5 zum Umfang des Werkstücks 2 eine Umformkraft F des Werkzeugs 3 auf das in einem Gesenk 4 gehaltene Werkstück 2, wobei die Umformkraft F zwischen der Mittelachse 5 und einem Umfang des Formteils ihr Maximum Fmax und in dem Randbereich ihr Minimum Fmin hat. Indem das Werkstück 2 auf eine Temperatur von ca. 200 °C erwärmt wird und die
Umformkraft F nicht zugleich auf die gesamte, in Figur 2 erkennbare Umformfläche 8 übertragen wird, sondern sukzessive auf eine sich schrittweise oder stetig verändernde Teilfläche 7 einwirkt, bis die gesamte Umformfläche 8 zumindest einmal mit der Umformkraft F belastet ist, können überraschend hohe Umformgrade bei vergleichsweise geringer
Krafteinwirkung realisiert werden.
Wie insbesondere in Figur 2 in einer Draufsicht auf die Umformfläche 8 erkennbar, wird die Umformkraft F partiell auf die jeweilige Teilfläche 7 übertragen, wobei die ausgewählte
Teilfläche 7 in Bezug auf die Umformfläche 8 nach einem vorbestimmten Zyklus kontinuierlich wechselt. Die so bestimmten, verschiedenen Teilflächen 7, 7', 7", 7"' weisen jeweils eine übereinstimmende Größe auf und sind in Figur 2 andeutungsweise dargestellt. Aufgrund der kontinuierlich fortschreitenden Krafteinwirkung F auf unterschiedliche Teilflächen 7, 7', 7", 7"' wird eine schwellende Krafteinleitung in Verbindung mit Scherkräften erzeugt, die der nach dem Stand der Technik üblichen rein axialen Krafteinleitung ein reduziertes Verformungsmoment entgegensetzt. Im Ergebnis werden durch das erfindungsgemäße Umformverfahren bei Temperaturen der Lauwarmumformung die Vorteile der Warm- und der Kaltumformung kombiniert.
In Figur 3 ist ergänzend noch eine Variante des bei dem erfindungsgemäßen Umformverfahren einsetzbaren Umformwerkzeugs 9 mit zwei Werkzeugen 3, 10 während der Durchführung des Umformverfahrens dargestellt. Dabei wirkt das Umformwerkzeug 9 mit einem ersten Werkzeug
3 auf eine in Figur 2 näher dargestellte Teilfläche 7 der ersten Umformfläche 8 des Werkstücks und mit einem zweiten Werkzeug 10 auf eine gegenüber der Teilfläche 7 der ersten
Umformfläche 8 gleich große Teilfläche einer zweiten Umformfläche 1 1 des Werkstücks 2 ein. Indem die beiden Werkzeuge 3, 10 jeweils nicht vollflächig belastet werden, wird eine geringe Reibung bei zugleich hohen Umformgraden an beiden Außenflächen des Werkstücks 2 erreicht Die beiden Werkzeuge 3, 10 weisen jeweils eine Werkzeugachse 6, 12 auf, die gegenüber dem Werkstück 2 einen übereinstimmenden Winkel einschließen, sodass also die Werkzeugachsen 6, 12 der beiden Werkzeuge 3, 10 jeweils gegenüber einer Werkstückmittelachse geneigt angeordnet sind.
Abschließend ist in den Figuren 4 und 5 noch jeweils ein mit dem erfindungsgemäßen
Umformverfahren hergestelltes Werkstück 2 als Verzahnungsbauteil dargestellt, wobei in Figur
4 ein Kegelrad und in Figur 5 ein Stirnrad gezeigt ist.
Bezugszeichenliste
1 Umformwerkzeug
2 Werkstück
3 Werkzeug
4 Gesenk
5 Mittelachse
6 Werkzeugachse
7 Teilfläche
8 Umformfläche
9 Umformwerkzeug
10 Werkzeug
1 1 Umformfläche
12 Werkzeugachse
F Umformkraft
Fmax Max. Umformkraft
Fmin Min. Umform kraft

Claims

Ansprüche
1. Umformverfahren, bei dem ein Werkstück (2) auf eine bestimmte Temperatur oder einen Temperaturbereich gebracht und mittels eines Umformwerkzeugs (1 , 9) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Umformwerkzeug (1 , 9) während der
Umformung übertragene Umformkraft (F) auf eine Teilfläche (7) der umzuformenden Umformfläche (8, 1 1 ) des Werkstücks (2) einwirkt, wobei die Teilfläche (7) während der Einwirkung einer im Wesentlichen konstanten Umformkraft (F) verändert wird.
2. Umformverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) auf eine Temperatur zwischen den üblichen Temperaturen bei der Kaltumformung und dem Temperaturbereich der Halbwarmumformung erwärmt wird.
3. Umformverfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Werkstück (2) auf eine Temperatur zwischen 100 °C bis 300 °C, insbesondere zwischen 150 °C und 250 °C, erwärmt wird und dass die Temperatur während der Umformung im Wesentlichen konstant gehalten wird.
4. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Umformung mit einem Umformgrad von partiell φ > 4 mit einem Hub ohne Zwischenglühen durchgeführt wird.
5. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Umformung durch ein Taumelumformverfahren und/oder ein Drehschmiedeverfahren und/oder eine Radialumformung erfolgt.
6. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Umformkraft (F) während eines Zyklus, bei dem die
Gesamtfläche mit einer Umformkraft beaufschlagt wird, im Wesentlichen konstant gehalten wird.
7. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Umformung von einem Ausgangszustand zu einer vorbestimmten Sollgeometrie während eines einzigen Zyklus oder mehrerer vollständiger Zyklen durchgeführt wird.
8. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils von der Umformkraft (F) beaufschlagten Teilflächen (7) während eines Zyklus im Wesentlichen gleich groß bemessen werden.
9. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Teilfläche (7) während der Einwirkung der Umformkraft (F) stetig verändert wird.
10. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Umformfläche (8, 1 1 ) im Wesentlichen kreisförmig ist, wobei die Teilfläche (7) die Größe eines Sektors mit einem Flächeninhalt von 25 % der Umformfläche (8, 1 1 ) nicht überschreitet.
1 1 . Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (1 ) mit einem Werkzeug (3) auf eine Teilfläche (7) der umzuformenden Umformfläche (8) des Werkstücks (2) einwirkt und dass das Werkstück (2) in einer dem Werkzeug (3) abgewandten Auflagefläche in einem Gesenk (4) flächig, insbesondere vollflächig aufliegt.
12. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (9) mit einem ersten Werkzeug (3) auf eine Teilfläche (7) der ersten Umformfläche (8) des Werkstücks (2) einwirkt und mit einem zweiten Werkzeug (10) auf eine insbesondere zu der Teilfläche (7) der ersten
Umformfläche (8) kongruente Teilfläche einer zweiten Umformfläche (1 1 ) des Werkstücks (2) einwirkt.
13. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die beiden Werkzeuge (3, 10) synchron zueinander bewegt werden.
14. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die beiden Werkzeuge (3, 10) jeweils eine Werkzeugachse (6, 12) aufweisen, die mit der Mittelachse des Werkstücks (2) einen übereinstimmenden Winkel einschließt.
15. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) mit seiner Mittelachse gegenüber den
Werkzeugachsen (6, 12) der beiden Werkzeuge (3, 10) jeweils relativ geneigt ist.
16. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest ein Werkzeug (3, 10) zur Übertragung einer Umformkraft auf das Werkstück (2) in eine Taumelbewegung oder beide Werkzeuge (3, 10) in eine Drehbewegung um die Werkzeugachsen (6, 12), von denen zumindest eine gegenüber der Mittelachse (5) geneigt ist, versetzt werden.
17. Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) und/oder das Umformwerkzeug (1 , 9) vor der Umformung mit einem flüssigen oder festen Schmierstoff versehen werden.
18. Verzahnungsbauteil, insbesondere Kegel-, Kronen- oder Stirnrad, hergestellt nach dem Umformverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche.
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