EP2888064B1 - Umformverfahren - Google Patents

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Publication number
EP2888064B1
EP2888064B1 EP13752631.5A EP13752631A EP2888064B1 EP 2888064 B1 EP2888064 B1 EP 2888064B1 EP 13752631 A EP13752631 A EP 13752631A EP 2888064 B1 EP2888064 B1 EP 2888064B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
forming
workpiece
tool
rotary
wobble
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP13752631.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2888064A1 (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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
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
Active legal-status Critical Current
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 tumble forming or rotary forging process in which a workpiece is brought to a certain temperature range and formed by means of a forming tool, the forming force transmitted during the forming by an upper, first tool of the forming tool that is tilted and rotated relative to the workpiece a partial area of an essentially rotationally symmetrical first deformation surface of the workpiece to be deformed acts, and the partial area which does not exceed the size of a sector of the first deformation surface with a reduced area compared to the entire first deformation surface is continuously changed during the action of the essentially constant deformation force, so that at the end of a cycle the entire first forming surface was subjected to the forming force, and wherein the forming tool acts with a lower, second tool that is also tilted in relation to the workpiece and is rotatingly moved on a partial surface, which is congruent to the partial surface of the first forming surface, of a second forming surface of the workpiece opposite the first forming surface, wherein the two tools of the
  • a ring-like component is forged in that two punches, each at an angle from above and below, carry out a synchronously tumbling movement and pressing the workpiece between them.
  • the workpiece is enclosed by a toothed die, in the gaps between the teeth of which material displaced outwards flows during the forming process.
  • a double rotary forging process which differs from the aforementioned double wobble forming process essentially in the choice of the axis of rotation of the punches, is from JP S62 21439 A known.
  • the FR 2 819 203 A1 discloses the rapid manufacture of short stub shaft sections.
  • a tubular shaft blank is advanced step by step by means of a feed tool, so that its end face by means of a tumbling Forming punch can be formed into a flange.
  • the feed tool then moves back and leaves the machined part standing so that a finished stub shaft section can be sheared off.
  • the feed tool then moves forward again in order to bring the new end face of the blank into the machining position.
  • the WO 93/01906 A1 relates to a wobble press with a wobbling first die half and an axially parallel moving second die half.
  • the products of the mass and the distance from the center of gravity should cancel each other out by means of a counter mass, and continuous operation with increased wobble frequency and a reduction in the forming time of a workpiece, especially in the half and hot range, should be achieved.
  • the second half of the die is not moved.
  • the SU 1430146 A discloses a tumbling process with a tumbling upper die half and a fixed lower die half.
  • the WO 2001/034323 A1 discloses a method for axial forming rolling or stamping of workpieces by means of two rotors with axes of rotation inclined to one another. For this purpose, several tools are arranged exactly opposite one another on the circumference and close to form a cavity when the rollers come into contact.
  • the DE 10 2005 027 259 A1 describes a forging process for the production of metallic components by warm forming of blanks made of alloys with a superplastic structure. As a result, the forming pressure in the forming tool is kept well below the forming pressure of the corresponding alloy required for forging.
  • the 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 motor vehicle.
  • the manufacturing method comprises a reshaping of a semi-finished product to produce a cam blank and a subsequent heat treatment of the cam blank.
  • the bar material or the cam disk can, depending on the material, be heated to a temperature of up to 400 ° C - 500 ° C before the forming, so that the forming takes place as warm forming.
  • Such a temperature increase naturally increases the deformability.
  • the temperature is selected in such a way that the deformation takes place without impairing the structure and no scaling occurs.
  • the DE 10 2009 025 023 A1 relates to a method of manufacturing a camshaft using warm pressing.
  • Warm forging uses lower temperatures than hot forging, which means that there is generally no material hardening.
  • high-strength materials can be used which already have high-strength properties.
  • the temperature only needs to be increased in areas that facilitate forming - in particular to temperatures below 850 ° C., preferably between 500 ° C. and 700 ° C.
  • the basic rule is that high degrees of deformation require a high deformation temperature.
  • hot forming in the temperature range between 1,000 ° C and 1,200 ° C achieves a high formability of ⁇ > 4.
  • this is associated with a high consumption of energy when heating the workpiece to the high temperature.
  • Another major disadvantage associated with hot forming is the high cost of post-machining, in particular due to the need to remove the scale that arises at high temperatures, for example by means of blasting.
  • the loss of material proves to be disadvantageous because considerable oversize must be provided to compensate for the deviations and inaccuracies that occur. Due to the layers of scale, it is also impossible in practice to integrate several process steps into one tool, since disruptive scale could impair the function.
  • the advantage of forming at lower temperatures lies in the lower energy consumption for heating and the high level of accuracy that can be achieved in this way, with no scaling at the same time.
  • a method for producing a rack by cold forming in which a cylindrical blank is formed between an upper and lower tool.
  • a die part performs a tumbling motion on the blank during the pressing process. Due to the partial deformation area compared to upsetting, a lower normal stress is achieved, which leads to an increase in the tool life.
  • a starting material with a substantially circular cross-section is inserted between the molding tools in a first step using an embossing device with at least three molding tools movable relative to one another.
  • a force is then exerted on at least one of the molding tools in a direction through which the molding tools move relative to one another.
  • the starting material is formed into a blank for the rack, which in the axial area of the rack teeth is given a shape that deviates from a circular cylinder.
  • the starting material can be shaped without major strain hardening in those areas of the blank which experience major deformations in the further 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 burr formation is avoided in a subsequent forming process, in particular in the case of a tumbling process.
  • the invention is based on the object of making a method of the generic type more energy-efficient and precise.
  • a forming process is therefore provided in which the forming force transmitted by the forming tool acts during the forming process only on a small sub-area as a partial area of the forming area of the workpiece to be reshaped, the sub-area being in particular continuously changed during the effect of an essentially constant reshaping force, so that after At the end of a cycle, a deformation force is applied to the entire surface.
  • the invention is based on the knowledge that at a comparatively low temperature, in the area of cold forming or only slightly above and thus far below the temperature of warm forming, a significantly improved formability can be achieved if the forming force is not transmitted to the entire forming surface at the same time, but acts successively on a step-by-step or continuously changing partial surface until the entire forming surface is at least once with the Forming force is loaded.
  • the deformation force is thus partially or incrementally transferred to the sub-area, the selected sub-area being changed, in particular continuously, in relation to the deformation area after a predetermined cycle.
  • the forming process is used in a temperature range between 50.degree. C. and 450.degree.
  • a particularly advantageous embodiment of the method is also implemented in that the workpiece is heated to a temperature between 100 ° C. to 300 ° C., in particular is heated between 150 ° C and 250 ° C and that the temperature is kept essentially constant during the deformation. According to current knowledge, this temperature range constitutes an optimum in terms of formability and the required post-processing effort.
  • the forming tool can be designed in such a way that different positions can be set and thus partial areas of different sizes can be acted upon in order to increase the pressure locally.
  • the forming tool has an adjustable active surface or is arranged interchangeably on a tool holder, the size of the partial surfaces can easily be predetermined.
  • the change in the partial area takes place continuously, so that the relative movement between the forming tool and the surface of the workpiece is carried out continuously parallel to the surface. In this way, homogeneous deformation is achieved, which leads to a further improvement in the material quality.
  • the forming process according to the invention is limited to certain workpiece geometries, namely to shapes in which the surface to be formed is point-symmetrical or essentially rotationally symmetrical, the partial surface on which the forming tool acts during the transfer of the forming force, the size of a sector with a reduced area compared to the surface to be formed Area share does not exceed.
  • workpieces are suitable in which an in particular at least partially cylindrical blank made of steel is used.
  • the workpiece can be fixed in place during the forming process or it can be moved relative to the forming tool.
  • the partial introduction of the forming force results essentially from an inclination of the forming tool in that the active surface of the forming tool is not aligned parallel to the partial surface of the workpiece.
  • the forming tool acts with a first tool on a partial surface of the first forming surface of the workpiece and with a second tool acts on a partial surface of a second forming surface of the workpiece that is in particular uniform to the partial surface of the first forming surface.
  • This realizes a double partial reshaping in which both tools are tilted relative to the workpiece. This results in low friction both on the upper and on the lower tool.
  • high degrees of deformation can be achieved on both outer surfaces of the workpiece, which means that, for example, spur gears can be optimally manufactured.
  • the method is also suitable, for example, for spur gears with a small toothing module or for high toothing, which for the first time can be produced by forming at temperatures below the scaling limit.
  • the two tools are moved synchronously with one another, that is to say in particular carry out uniform rotational movements.
  • the two tools preferably each have a tool axis which, for example, also enclose an angle between 0 ° and 7 ° that also coincides with the central axis of the workpiece.
  • the tools can also have different angles with respect to the workpiece.
  • both tools or only one tool can perform a feed movement.
  • a substantial increase in the degree of deformation that can be achieved can be achieved by applying a liquid or solid lubricant to the workpiece or the forming tool prior to forming.
  • Figure 1 shows a side view of a forming tool 1 for producing a workpiece 2 designed as a toothed component in a wobble or rotary forging process known per se.
  • the forming tool 1 has a rotationally symmetrical tool 3 which, in order to transmit a forming force to the workpiece 2 held in a die 4, is set in a tumbling movement relative to the central axis 5 or a rotary movement around the tilted tool axis 6. So there is no reversing, but a revolving, rotating movement.
  • a deformation force F of the tool 3 acts on the workpiece 2 held in a die 4 in the area of a partial surface 7, corresponding to a momentary contact surface starting from the central axis 5 to the periphery of the workpiece 2, the deformation force F being between the central axis 5 and a periphery of the molded part has its maximum F max and its minimum F min in the edge area.
  • the workpiece 2 is heated to a temperature of approx.
  • the forming force F is partially transferred to the respective partial surface 7, the selected partial surface 7 changing continuously with respect to the forming surface 8 after a predetermined cycle.
  • the different partial areas 7, 7 ', 7 ", 7"' determined in this way each have a corresponding size and are in FIG Figure 2 indicated. Due to the continuously progressing force F on different partial surfaces 7, 7 ', 7 ", 7'", a swelling force introduction is generated in connection with shear forces, which opposes the purely axial force introduction common according to the prior art with a reduced deformation moment.
  • the forming process according to the invention at lukewarm forming temperatures combines the advantages of hot and cold forming.
  • FIG 3 a representation of a forming tool 9 which can be used in the forming process according to the invention and which has two tools 3, 10 is shown while the forming process is being carried out.
  • the forming tool 9 acts with a first tool 3 on an in Figure 2 Partial surface 7 of the first forming surface 8 of the workpiece shown in more detail and, with a second tool 10, on a partial surface of a second forming surface 11 of the workpiece 2 that is equal to the partial surface 7 of the first forming surface 8. Since the two tools 3, 10 are each not loaded over their entire surface, a low level of friction with simultaneously high degrees of deformation is achieved on both outer surfaces of the workpiece 2.
  • the two tools 3, 10 each have a tool axis 6, 12 which enclose a matching angle with respect to the workpiece 2, so that the tool axes 6, 12 of the two tools 3, 10 are each arranged inclined with respect to a workpiece center axis.
  • a workpiece 2 produced by the forming process according to the invention is also shown as a toothed component, with FIG Figure 4 a bevel gear and in Figure 5 a spur gear is shown.

Landscapes

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

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Taumelumform- oder Drehschmiede verfahren, bei dem ein Werkstück auf einen bestimmten Temperaturbereich gebracht und mittels eines Umformwerkzeugs umgeformt wird, wobei die durch ein gegenüber dem Werkstück gekipptes, rotierend bewegtes, oberes, erstes Werkzeug des Umformwerkzeugs während der Umformung übertragene Umformkraft auf eine Teilfläche einer umzuformenden, im Wesentlichen rotationssymmetrischen, ersten Umformfläche des Werkstücks einwirkt, und die Teilfläche, die die Größe eines Sektors der ersten Umformfläche mit gegenüber der gesamten ersten Umformfläche reduziertem Flächenanteil nicht überschreitet, während der Einwirkung der im Wesentlichen konstanten Umformkraft stetig verändert wird, sodass nach Abschluss eines Zyklus die gesamte erste Umformfläche mit der Umformkraft beaufschlagt wurde,
    und wobei das Umformwerkzeug mit einem gegenüber dem Werkstück ebenfalls gekippten, rotierend bewegten, unteren, zweiten Werkzeug auf eine zu der Teilfläche der ersten Umformfläche kongruente Teilfläche einer der ersten Umformfläche gegenüberliegenden, zweiten Umformfläche des Werkstücks einwirkt,
    wobei die beiden Werkzeuge des Umformwerkzeugs in gleichförmigen Rotationsbewegungen synchron zueinander bewegt werden.
  • Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der DE 195 25 868 A1 . Ein ringartiges Bauteil geschmiedet, indem zwei von oben und unten jeweils schräg ansetzende Stempel eine synchron taumelnde und das Werkstück zwischen sich pressende Bewegung durchführen. Zudem ist das Werkstück von einer verzahnten Matrize umschlossen, in deren Zahnlücken beim Umformvorgang nach außen verdrängtes Material fließt.
  • Ein anderes Doppel-Taumel-Umformverfahren ist aus der JP S62 77145 A bekannt.
  • Ein Doppel-Drehschmiedeverfahren, welches sich von dem vorgenannten Doppel-Taumel-Umformverfahren im Wesentlichen durch die Wahl der Drehachse der Stempel unterscheidet, ist aus der JP S62 21439 A bekannt.
  • Die FR 2 819 203 A1 . offenbart die schnelle Herstellung kurzer Flanschwellenabschnitte. Eine rohrförmiger Wellenrohling wird schrittweise mittels eines Zuführwerkzeugs vorgeschoben, sodass seine Stirnfläche mittels eines taumelnden Umformstempels zu einem Flansch umgeformt werden kann. Das Zuführwerkzeug fährt dann zurück und lässt den bearbeiteten Teil stehen, sodass ein fertiger Flanschwellenabschnitt abgeschert werden kann. Sodann fährt das Zuführwerkzeug erneut vor, um die neue Stirnfläche des Rohlings in die Bearbeitungsposition zu bringen.
  • Die WO 93/01906 A1 betrifft eine Taumelpresse mit taumelnder erster Gesenkhälfte und achsparallel bewegter zweiter Gesenkhälfte. Durch eine Gegenmasse sollen sich die Produkte aus Masse und Schwerpunktabstand gegenseitig aufheben und ein Dauerbetrieb mit erhöhter Taumelfrequenz und eine Verkürzung der Umformzeit eines Werkstückes, insbesondere auch im Halb- und Warmbereich, erreicht werden. Die zweite Gesenkhälfte wird dabei nicht bewegt.
  • Auch die SU 1430146 A offenbart ein Taumelumformverfahren mit taumelnder oberer Gesenkhälfte und feststehender unterer Gesenkhälfte.
  • Die WO 2001/034323 A1 offenbart ein Verfahren zum Axial-Umformwalzen oder Prägen von Werkstücken mittels zwei Rotoren mit zueinander geneigten Drehachsen. Hierzu sind einander genau gegenüberliegend mehrere Werkzeuge am Umfang verteilt angeordnet, die sich bei Berührung der Walzen zu einem Hohlraum schließen.
  • 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 2005/021177 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 Umformvermögen 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, ein gattungsgemäßes Verfahren energieeffizienter und präziser zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Umformverfahren zwischen 50°C und 450° im Temperaturbereich der Lauwarmumformung des Werkstücks und mit einem Umformgrad von ϕ > 4 durchgeführt wird.
  • Es 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 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.
  • Es 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 Umformkräften. 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 Umformkräften. Zur Umformung sind besondere Taumelumform- und Drehschmiedeverfahren vorgesehen, auf die weiter unten noch näher eingegangen werden soll. 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 wird erfindungsgemäß eingesetzt 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 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.
  • Das Umformwerkzeug kann 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.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Umformverfahrens ist weiter vorgesehen, dass 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 auf bestimmte Werkstückgeometrien beschränkt, nämlich auf Formen, bei denen 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.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass 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 werden die beiden Werkzeuge synchron zueinander bewegt, führen also insbesondere gleichförmige Rotationsbewegungen durch.
  • 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.
  • 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 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 eines Umformverfahrens gemäß Stand der Technik;
    Fig. 2
    eine Draufsicht auf eine Umformfläche des Werkstücks;
    Fig. 3
    eine Seitenansicht auf ein weiteres Umformwerkzeug mit zwei Werkzeugen während der Durchführung des erfindungsgemäßen Umformverfahrens;
    Fig. 4
    eine perspektivische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Umformverfahren hergestellten Kegelrades;
    Fig. 5
    eine perspektivische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Umformverfahren hergestellten Stirnrades.
  • Das Umformverfahren gemäß Stand der Technik 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. Es 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 eine Darstellung eines 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 11 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
    11
    Umformfläche
    12
    Werkzeugachse
    F
    Umformkraft
    Fmax
    Max. Umformkraft
    Fmin
    Min. Umformkraft

Claims (7)

  1. Taumelumform- oder Drehschmiedeverfahren, bei dem ein Werkstück (2) auf einen bestimmten Temperaturbereich gebracht und mittels eines Umformwerkzeugs (1, 9) umgeformt wird, wobei die durch ein gegenüber dem Werkstück (2) gekipptes, rotierend bewegtes, oberes, erstes Werkzeug (1) des Umformwerkzeugs (1, 9) während der Umformung übertragene Umformkraft (F) auf eine Teilfläche (7) einer umzuformenden, im Wesentlichen rotationssymmetrischen, ersten Umformfläche (8) des Werkstücks (2) einwirkt und die Teilfläche (7), die die Größe eines Sektors der ersten Umformfläche (8) mit gegenüber der gesamten ersten Umformfläche (8) reduziertem Flächenanteil nicht überschreitet, während der Einwirkung der im Wesentlichen konstanten Umformkraft (F) stetig verändert wird, sodass nach Abschluss eines Zyklus die gesamte erste Umformfläche (8, 11) mit der Umformkraft (F) beaufschlagt wurde,
    und wobei das Umformwerkzeug (9) mit einem gegenüber dem Werkstück (2) ebenfalls gekippten, rotierend bewegten, unteren, zweiten Werkzeug (10) auf eine zu der Teilfläche (7) der ersten Umformfläche (8) kongruente Teilfläche einer der ersten Umformfläche (8) gegenüberliegenden, zweiten Umformfläche (11) des Werkstücks (2) einwirkt,
    wobei die beiden Werkzeuge (1, 9) des Umformwerkzeugs in gleichförmigen Rotationsbewegungen synchron zueinander bewegt werden
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Umformverfahren zwischen 50°C und 450°C im Temperaturbereich der Lauwarmumformung des Werkstücks und mit einem Umformgrad von partiell ϕ > 4 durchgeführt wird.
  2. Taumelumform- oder Drehschmiedeverfahren nach Anspruch 1, 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.
  3. Taumelumform- oder Drehschmiedeverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung mit einem Hub ohne Zwischenglühen durchgeführt wird.
  4. Taumelumform- oder Drehschmiedeverfahren 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.
  5. Taumelumform- oder Drehschmiedeverfahren 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.
  6. Taumelumform- oder Drehschmiedeverfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformfläche (8, 11) im Wesentlichen kreisförmig ist, wobei die Teilfläche (7) die Größe eines Sektors mit einem Flächeninhalt von 25 % der Umformfläche (8, 11) nicht überschreitet.
  7. Taumelumform- oder Drehschmiedeverfahren 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.
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