EP3953079B1 - Verfahren zur herstellung einer hohlwelle - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a hollow shaft from a tubular preform by flow forming, wherein both ends of the preform are each formed with at least one forming roller, wherein a tubular preform with a round or polygonal cross-section is used and the preform is held by a workpiece holder in the central tube region during the entire manufacturing process up to the finished hollow shaft.
- this known method is relatively complex, since in order to carry out the various process steps it is necessary to hold the preform or the partially already formed preform in different workpiece holders one after the other, so that a continuous forming process is not possible.
- complex adjustment is required to ensure that the preform is exactly concentric with the forming rollers.
- the method is limited to tubular preforms that can be stretched by flow forming.
- the object of the invention is to further develop such a process in such a way that it enables a continuous process sequence and is universally applicable.
- This object is achieved according to the invention in a method of the type described at the outset in that an external and/or internal profiling is introduced into both ends, wherein, before the external and/or internal profiling is introduced, an optionally profiled internal mandrel is axially inserted into both ends and the two internal mandrels are connected to one another at the front in a force-fitting and/or form-fitting manner.
- the method makes it possible to carry out the entire forming process with just one workpiece holder, so that the entire forming process can run continuously. This also eliminates the need for additional adjustments that would be required when changing the workpiece holder. It is also possible to use tubular preforms with a round (circular) or polygonal cross-section, so that the hollow shaft produced in this way is suitable for various applications, e.g. for holding winding packages in an electric motor.
- the preform is set in rotation relative to at least one forming roller, for which purpose the workpiece holder with the preform and/or the at least one forming roller is driven.
- the middle tube area which is held by the workpiece holder, remains unchanged, while only the end areas are formed rotationally symmetrically, so that the middle area can, for example, hold winding packages of an electric motor without further forming. Since the middle area is not formed, no inner mandrel is required in the middle area, but inner mandrels are only inserted into the two end areas, while the preform in the middle area is held from the outside by a workpiece holder.
- Both drawn and welded tubes can be used as preforms.
- the two ends of the preform are formed at least partially simultaneously. This shortens the forming time on the one hand, and on the other hand leads to torque neutralization in the middle tube area.
- At least one end is stepped once or several times, i.e. axially adjacent areas with different diameters are created.
- the finished hollow shaft is to have an external or internal profile at both ends, it is intended that an internal mandrel is inserted into each end.
- an external profile at least one correspondingly profiled forming roller and one non-profiled internal mandrel are used, and to introduce an internal profile, at least one non-profiled forming roller and one profiled internal mandrel are used.
- the two inner mandrels are designed to be connected to one another in a force-fitting and/or form-fitting manner at the front.
- the front ends of the two inner mandrels can, for example, have a spur gear and are pressed axially against one another and thereby locked so that any lateral radial forces that arise can be absorbed.
- a tubular preform is in Fig.1 generally designated 1.
- This tubular preform 1 can be a drawn or welded tube made of metal. It is essential for the invention that the tubular preform can have any round or polygonal cross-section.
- Fig.2 It is indicated by way of example that it can have a circular, square or triangular cross-section. In general, any cross-sectional shape, preferably polygonal cross-sectional shape, is possible depending on the respective application.
- this region is suitable, for example, for receiving winding packages of an electric motor or the like without further processing.
- the invention provides that the tubular preform 1 is held in its central tube region 1a by a workpiece holder 2 throughout the entire manufacturing process up to the finished hollow shaft.
- This split, ring-shaped workpiece holder 2 accordingly has an inner contour that corresponds to the outer contour of the tubular preform 1.
- the entire process sequence can be carried out continuously without changing to another workpiece holder.
- the two ends 1b and 1c of the preform 1 are formed at least partially simultaneously by means of forming rollers generally designated 3. At least one forming roller 3 is provided for forming each of the two ends 1b, 1c. In the embodiment according to the Fig. 3 and 4 For the forming of the end 1b, three forming rollers 3 and of the end 1c a forming roller 3 is indicated.
- the forming rollers 3 are designed to be radially movable relative to the longitudinal axis 4 of the preform 1. Depending on the desired forming process, they can also be movable in the axial direction.
- the spinning rollers 3 are set in rotation relative to the workpiece holder 2 and the tubular preform 1, so that either the spinning rollers 3 or the workpiece holder 2 with the preform 1 are driven.
- the two ends 1b and 1c of the preform 1 are deformed rotationally symmetrically, ie the two ends 1b and 1c no longer have a polygonal cross-sectional shape if the original preform 1 had a polygonal cross-section.
- the polygonal cross-section is of course retained in the unprocessed central region 1a.
- the two ends 1b and 1c can be further formed without changing the workpiece holder 2.
- Fig.5 It is shown that the two ends 1b and 1c are each designed with two steps in the radial direction. These stepped areas are in Fig.5 designated 1b', 1b" and 1c', 1c".
- a profile is introduced into the two ends 1b and 1c, namely an inner profile 5 in the end 1b and an outer profile 6 on the end 1c.
- the inner profile 5 and the outer profile 6 can be a toothing, a knurling or another geometric shape.
- Fig.8 An embodiment which is not part of the invention is shown in Fig.8
- the preform 1 is held unchanged in its middle area 1a in the workpiece holder 2 and an inner mandrel 7 without profiling is axially inserted into the already stepped end 1b, while an inner mandrel 8 with external profiling 8a is inserted into the end 1c.
- Fig.8 In order to introduce an external profile 6 into the end 1b of the preform 1, at least one forming roller 9 with an external profile 9a is provided in addition to the inner mandrel 7.
- At least one forming roller 10 without an external profile is provided in addition to the inner mandrel 8 with an external profile 8a, ie the end 1c is pressed into the external profile 8a of the inner mandrel 8 by the forming roller 10, so that the internal profile 5 is created.
- Fig.8 In contrast to the embodiment according to Fig.8 are designed according to the Figs. 9 and 10 not two separate inner mandrels 7 and 8 are used, but the two inner mandrels 7' and 8' are connected to each other at the front and/or in a form-fitting manner.
- the two inner mandrels 7' and 8' each have a complementary face toothing 7a, 8a.
- the inner mandrels 7' and 8' are then pressed together in the axial direction during the forming process by applying pressure from the outside, which absorbs lateral radial forces that arise during the forming process.
- This forming process is described in the Fig. 11 and 12
- At least one forming roller 11 is used, which has a stepped, tubular outer peripheral area with a circumferential contact surface 11a. With this forming roller 11, an axial force F axial and a radial force F radial are applied to the preform 1.
- This material feed can also be carried out several times, e.g. before the actual forming of the ends 1b, 1c and afterwards.
- the entire manufacturing process can be carried out by cold forming alone. However, the forming can also take place entirely or temporarily under the influence of heat, e.g. by inductive heat generation. This allows the preform 1 to be hardened at the same time.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
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- Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle aus einer rohrförmigen Vorform durch Drückwalzen, wobei beide Enden der Vorform jeweils mit wenigstens einer Umformrolle umgeformt werden, wobei eine rohrförmige Vorform mit einem runden oder polygonalen Querschnitt verwendet und die Vorform während des gesamten Herstellprozesses bis zur fertigen Hohlwelle im mittleren Rohrbereich von einem Werkstückhalter gehalten wird.
- Aus
DE 103 37 929 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von einteiligen Hohlkörpern mit profilierten Endbereichen aus einer Vorform mit kreisförmigem Rohrquerschnitt bekannt, wobei zunächst in einem ersten Verfahrensschritt die Vorform in ihrem mittleren Bereich abgestreckt wird. Nach Abschluss dieses Abstreckschrittes wird die Vorform in einem anderen Werkstückhalter eingesetzt und anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt mindestens ein Endbereich abgestreckt und dieser Endbereich in einem dritten Verfahrensschritt ggf. weiterbearbeitet. - Dieses bekannte Verfahren ist jedoch relativ aufwendig, da es für die Durchführung der verschiedenen Verfahrensschritte notwendig ist, die Vorform bzw. die teilweise bereits umgeformte Vorform nacheinander in unterschiedlichen Werkstückhaltern zu halten, so dass kein kontinuierlicher Umformprozess möglich ist. Außerdem ist beim Wechsel des Werkstückhalters eine aufwendige Justierung erforderlich, um eine exakte Konzentrizität der Vorform mit den Umformrollen zu gewährleisten. Ferner ist das Verfahren auf rohrförmige Vorformen beschränkt, die durch Drückwalzen abgestreckt werden können.
- Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus
JP 2002 239657 A JP 2003 074336 A - Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Verfahren so weiterzuentwickeln, dass es einen kontinuierlichen Verfahrensablauf ermöglicht und universell einsetzbar ist.
- Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in beide Enden eine Außen- und/oder Innenprofilierung eingebracht wird, wobei vor dem Einbringen der Außen- und/oder Innenprofilierung in beide Enden jeweils ein ggf. profilierter Innendorn axial eingeführt wird und die beiden Innendorne stirnseitig kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden.
- Das Verfahren ermöglicht es, mit nur einem Werkstückhalter den gesamten Umformprozess durchzuführen, so dass das gesamte Umformverfahren kontinuierlich ablaufen kann. Dabei entfallen auch zusätzliche Justierungen, die bei einem Werkstückhalterwechsel erforderlich wären. Außerdem ist es möglich, rohrförmige Vorformen mit einem runden (kreisringförmigen) oder polygonalen Querschnitt zu verwenden, so dass sich die so hergestellte Hohlwelle für verschiedene Anwendungszwecke eignet, z.B. für die Aufnahme von Wicklungspaketen bei einem Elektromotor. Während der jeweiligen Umformung wird die Vorform relativ zur wenigstens einen Umformrolle in Drehbewegung versetzt, wozu der Werkstückhalter mit der Vorform und/oder die wenigstens eine Umformrolle angetrieben wird. Bei der Umformung bleibt der z.B. polygonale Querschnitt im mittleren Rohrbereich, der vom Werkstückhalter gehalten ist, unverändert, während nur die Endbereiche rotationssymmetrisch umgeformt werden, so dass ohne weitere Umformung der mittlere Bereich z.B. Wicklungspakete eines Elektromotors aufnehmen kann. Da der mittlere Bereich nicht umgeformt wird, ist im mittleren Bereich auch kein Innendorn erforderlich, sondern es werden nur in die beiden Endbereiche Innendorne eingesetzt, während die Vorform im mittleren Bereich von außen von einem Werkstückhalter gehalten wird.
- Als Vorform können sowohl gezogene als auch geschweißte Rohre verwendet werden.
- In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die beiden Enden der Vorform wenigstens teilweise gleichzeitig umgeformt werden. Damit wird einerseits die Umformzeit verkürzt, andererseits führt dies zu einer Drehmomentneutralisierung im mittleren Rohrbereich.
- Je nach Anforderungen an die fertige Hohlwelle ist bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens ein Ende ein- oder mehrfach abgestuft wird, d.h. es werden axial aneinander angrenzende Bereiche mit unterschiedlichen Durchmessern erzeugt.
- Da die fertige Hohlwelle an beiden Enden eine Außen- oder Innenprofilierung aufweisen soll, ist vorgesehen, dass in beide Enden jeweils ein Innendorn eingeführt wird. Zum Einbringen einer Außenprofilierung wird wenigstens eine entsprechend profilierte Umformrolle und ein nicht profilierter Innendorn und zum Einbringen einer Innenprofilierung wird wenigstens eine nicht profilierte Umformrolle und ein profilierter Innendorn verwendet.
- Dabei ist vorgesehen, dass die beiden Innendorne stirnseitig kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden. Die stirnseitigen Enden der beiden Innendorne können z.B. eine Stirnverzahnung aufweisen und werden axial gegeneinander gedrückt und dadurch verriegelt, so dass entstehende seitliche Radialkräfte abgefangen werden können.
- Schließlich ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Umformung wenigstens zeitweise unter Wärmebeaufschlagung erfolgt. Die Wärme kann beispielsweise induktiv erzeugt werden und durch diese Wärmeaufbringung kann gleichzeitig eine Härtung des Bauteiles erreicht werden.
- Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
- Diese zeigen in
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch eine rohrförmige Vorform,
- Fig. 2
- einen Schnitt gemäß der Linie A-A in
Fig. 1 mit drei verschiedenen Ausführungsformen, - Fig. 3
- eine perspektivische Darstellung der in einem mittleren Rohrbereich von einem Werkstückhalter gehaltenen Vorform während der Umformung,
- Fig. 4
- eine Seitenansicht der
Fig. 3 , teilweise im Längsschnitt, - Fig. 5
- einen Längsschnitt durch eine fertige Hohlwelle,
- Fig. 6
- ein Detail X in
Fig. 5 , - Fig. 7
- ein Detail Y in
Fig. 5 , - Fig. 8
- einen Längsschnitt durch eine Hohlwelle während der Umformung unter Verwendung zweier geteilter Innendorne,
- Fig. 9
- eine Abwandlung der
Fig. 8 mit zwei in Axialrichtung formschlüssig miteinander verbundenen Innendornen, - Fig. 10
- eine perspektivische Darstellung der beiden Innendorne nach
Fig. 9 , - Fig. 11
- einen Endbereich einer Vorform mit einer eine radiale und axiale Kraft aufbringenden Umformrolle und
- Fig. 12
- eine perspektivische Darstellung der
Fig. 11 . - Eine rohrförmige Vorform ist in
Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnet. Diese rohrförmige Vorform 1 kann ein gezogenes oder geschweißtes Rohr aus Metall sein. Für die Erfindung wesentlich ist, dass die rohrförmige Vorform einen beliebigen runden oder polygonalen Querschnitt aufweisen kann. - In
Fig. 2 ist beispielhaft angedeutet, dass sie einen kreisförmigen, quadratischen oder dreieckförmigen Querschnitt aufweisen kann. Generell sind in Anpassung an den jeweiligen Einsatzzweck beliebige Querschnittsformen, vorzugsweise polygonale Querschnittsformen möglich. - Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der mittlere Rohrbereich 1a der rohrförmigen Vorform 1 nicht umgeformt wird, ist dieser Bereich z.B. ohne weitere Bearbeitung zur Aufnahme von Wicklungspaketen eines Elektromotors od. dgl. geeignet.
- Um aus der rohrförmigen Vorform 1 durch Drückwalzen eine Hohlwelle herzustellen, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die rohrförmige Vorform 1 über den gesamten Herstellungsprozess bis zur fertigen Hohlwelle in ihrem mittleren Rohrbereich 1a von einem Werkstückhalter 2 gehalten wird. Dieser geteilte, ringförmige Werkstückhalter 2 weist dementsprechend eine Innenkontur auf, die der Außenkontur der rohrförmigen Vorform 1 entspricht.
- Da die Vorform 1 während des gesamten Herstellungsprozesses vom Werkstückhalter 2 in ihrem mittleren Bereich 1a gehalten wird, kann der gesamte Verfahrensablauf kontinuierlich ohne Wechsel in einen anderen Werkstückhalter erfolgen.
- Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die beiden Enden 1b und 1c der Vorform 1 wenigstens teilweise gleichzeitig mittels allgemein mit 3 bezeichneter Umformrollen umgeformt werden. Dabei ist zur Umformung jedes der beiden Enden 1b, 1c mindestens eine Umformrolle 3 vorgesehen. Beim Ausführungsbeispiel nach den
Fig. 3 und 4 sind für die Umformung des Endes 1b drei Umformrollen 3 und des Endes 1c eine Umformrolle 3 angedeutet. - Die Umformrollen 3 sind, bezogen auf die Längsachse 4 der Vorform 1, radial verfahrbar ausgebildet. Je nach gewünschtem Umformvorgang können sie zusätzlich auch in axialer Richtung verfahrbar sein.
- Während der Umformung werden die Drückrollen 3 gegenüber dem Werkstückhalter 2 und der rohrförmigen Vorform 1 in Rotationsbewegung versetzt, so dass entweder die Drückrollen 3 oder der Werkstückhalter 2 mit der Vorform 1 angetrieben werden.
- Durch die in den
Fig. 3 und 4 dargestellte Umformung werden die beiden Enden 1b und 1c der Vorform 1 rotationssymmetrisch umgeformt, d.h. die beiden Enden 1b und 1c weisen dann keine polygonale Querschnittsform mehr auf, wenn die ursprüngliche Vorform 1 einen polygonalen Querschnitt aufgewiesen hat. Der polygonale Querschnitt bleibt selbstverständlich im unbearbeiteten mittleren Bereich 1a erhalten. - Ausgehend von der bereits an beiden Enden 1b und 1c umgeformten rohrförmigen Vorform 1 können die beiden Enden 1b und 1c weiter ohne Wechsel des Werkstückhalters 2 umgeformt werden.
- In
Fig. 5 ist dargestellt, dass die beiden Enden 1b und 1c in radialer Richtung gesehen jeweils zweifach abgestuft ausgebildet sind. Diese abgestuften Bereiche sind inFig. 5 mit 1b', 1b" bzw. 1c', 1c" bezeichnet. Außerdem ist in die beiden Enden 1b und 1c jeweils eine Profilierung eingebracht, nämlich in das Ende 1b eine Innenprofilierung 5 und auf das Ende 1c eine Außenprofilierung 6. Die Innenprofilierung 5 und die Außenprofilierung 6 können eine Verzahnung, eine Rändelung oder eine andere geometrische Form sein. - Zur Erzeugung der Innenprofilierung 5 bzw. der Außenprofilierung 6 werden geeignete Formrollen als Umformrollen sowie Innendorne verwandt.
- Ein Ausführungsbeispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, ist in
Fig. 8 dargestellt. Die Vorform 1 ist unverändert in ihrem mittleren Bereich 1a im Werkstückhalter 2 gehalten und in das bereits abgestufte Ende 1b ist ein Innendorn 7 ohne Profilierung axial eingeführt, während in das Ende 1c ein Innendorn 8 mit Außenprofilierung 8a eingeführt ist. Um beim Ausführungsbeispiel nachFig. 8 am Ende 1b der Vorform 1 eine Außenprofilierung 6 einzubringen, ist neben dem Innendorn 7 wenigstens eine Umformrolle 9 mit einer Außenprofilierung 9a vorgesehen. Um andererseits in das Ende 1c der Vorform 1 eine Innenprofilierung 5 einzubringen, ist neben dem Innendorn 8 mit Außenprofilierung 8a wenigstens eine Umformrolle 10 ohne Außenprofilierung vorgesehen, d.h. das Ende 1c wird von der Umformrolle 10 in die Au-ßenprofilierung 8a des Innendornes 8 eingedrückt, so dass die Innenprofilierung 5 entsteht. - Im Unterschied zur Ausführungsform nach
Fig. 8 werden bei der Ausführungsform nach denFig. 9 und 10 nicht zwei getrennte Innendorne 7 und 8 eingesetzt, sondern die beiden Innendorne 7' und 8' werden stirnseitig und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Dazu weisen die beiden Innendorne 7' und 8' jeweils eine komplementäre Stirnverzahnung 7a, 8a auf. Die Innendorne 7' und 8' werden dann während der Umformung in axialer Richtung durch außenseitige Druckbeaufschlagung zusammengedrückt, wodurch bei der Umformung entstehende seitliche Radialkräfte abgefangen werden. - Es ist auch möglich, an wenigstens einem der beiden Enden 1b, 1c der Vorform 1 während der Umformung (in der Umformzone) Metallmaterial nachzuführen, wenn eine axiale Kraft auf das jeweilige Ende 1b bzw. 1c aufgebracht wird. Dieser Umformvorgang ist in den
Fig. 11 und 12 dargestellt. Dabei wird wenigstens eine Umformrolle 11 verwendet, die einen stufenförmigen, rohrförmigen äußeren Umfangsbereich mit einer umlaufenden Anlagefläche 11a aufweist. Mit dieser Umformrolle 11 wird auf die Vorform 1 eine axiale Kraft Faxial und eine radiale Kraft Fradial aufgebracht. Diese Materialnachführung kann auch mehrfach, z.B. vor der eigentlichen Umformung der Enden 1b, 1c und danach, durchgeführt werden. - Der gesamte Herstellungsprozess kann allein durch Kaltumformung erfolgen. Ganz oder zeitweise kann aber auch die Umformung unter Wärmebeaufschlagung stattfinden, z.B. durch induktive Wärmeerzeugung. Dadurch kann gleichzeitig eine Härtung der Vorform 1 erfolgen.
-
- 1
- Rohrförmige Vorform
- 1a
- Mittlerer Rohrbereich
- 1b, 1c
- Enden
- 1b', 1c'
- Abgestufter Bereich
- 1b", 1c"
- Abgestufter Bereich
- 2
- Werkstückhalter
- 3
- Umformrollen
- 4
- Längsachse
- 5
- Innenprofilierung
- 6
- Außenprofilierung
- 7,7'
- Innendorn
- 7b
- Stirnverzahnung8,8' Innendorn
- 8a
- Außenprofilierung
- 8b
- Stirnverzahnung
- 9
- Umformrolle
- 9a
- Außenprofilierung
- 10
- Umformrolle
- 11
- Umformrolle
- Faxial
- axiale Kraft
- Fradial
- radiale Kraft
Claims (5)
- Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle aus einer rohrförmigen Vorform durch Drückwalzen, wobei beide Enden der Vorform jeweils mit wenigstens einer Umformrolle umgeformt werden, wobei eine rohrförmige Vorform (1) mit einem runden oder polygonalen Querschnitt verwendet und die Vorform (1) während des gesamten Herstellprozesses bis zur fertigen Hohlwelle im mittleren Rohrbereich (1a) von einem Werkstückhalter (2) gehalten wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass in beide Enden (1b,1c) eine Außen- und/oder Innenprofilierung (5,6) eingebracht wird, wobei vor dem Einbringen der Außen- und/oder Innenprofilierung (5,6) in beide Enden (1b,1c) jeweils ein ggf. profilierter Innendorn (7,7',8,8') axial eingeführt wird und die beiden Innendorne stirnseitig kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine gezogene oder geschweißte Vorform (1) verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Enden (1b,1c) der Vorform (1) wenigstens teilweise gleichzeitig umgeformt werden. - Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens ein Ende (1b,1c) ein- oder mehrfach abgestuft wird. - Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Umformung wenigstens zeitweise unter Wärmebeaufschlagung erfolgt.
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