EP4477334A1 - Walzmaschine, system und verfahren zum walzen eines längsgerichteten profils - Google Patents

Walzmaschine, system und verfahren zum walzen eines längsgerichteten profils Download PDF

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Publication number
EP4477334A1
EP4477334A1 EP23179424.9A EP23179424A EP4477334A1 EP 4477334 A1 EP4477334 A1 EP 4477334A1 EP 23179424 A EP23179424 A EP 23179424A EP 4477334 A1 EP4477334 A1 EP 4477334A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
profile
rolling
workpiece
shaft
region
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.)
Pending
Application number
EP23179424.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lutz Kitzing
Stanley Neumann
Imre Galow
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.)
Profiroll Technologies GmbH
Original Assignee
Profiroll Technologies GmbH
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 Profiroll Technologies GmbH filed Critical Profiroll Technologies GmbH
Priority to EP23179424.9A priority Critical patent/EP4477334A1/de
Publication of EP4477334A1 publication Critical patent/EP4477334A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H5/00—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms
    • B21H5/02—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms with cylindrical outline, e.g. by means of die rolls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H5/00—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H5/00—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms
    • B21H5/02—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms with cylindrical outline, e.g. by means of die rolls
    • B21H5/027—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms with cylindrical outline, e.g. by means of die rolls by rolling using reciprocating flat dies, e.g. racks

Definitions

  • the invention relates to a rolling machine for rolling a longitudinal profile, in particular a spline on a shaft-shaped or hollow shaft-shaped workpiece. Furthermore, a system and a method for rolling a longitudinal profile and a shaft-shaped or hollow shaft-shaped workpiece as a process product are described.
  • a device for cold rolling axially parallel profiles, for example gears, on rod-shaped workpieces with rotary-driven profile rollers that are conical in their inlet area and arranged parallel to the workpiece axis and at a fixed distance, between which the freely rotatable workpiece is continuously conveyed in the axial direction by a feed device that is independent of the roller drive.
  • a Such a process is referred to as a push-through rolling process in the context of the present disclosure.
  • Push-through rolling processes are particularly suitable for producing long profiles and/or profiles on hollow shafts, since the pressure on the workpiece is relatively low due to the relatively short contact area between the profile rollers and the workpiece.
  • the two opposing rollers have a cylindrical roller part with a constant profile cross-section and a conical inlet area, in which all profiles taper towards the inlet side, whereby the tip and root diameters of the rolled profile become smaller.
  • the cylindrical part can be followed by a further conical profiling in the outlet area with the same shape as in the inlet area in order to improve detachment even at high roller speeds and high feed rates of the workpiece. It is described in DE 1 013 612 B a roller drive and an independently designed feed drive.
  • round tools are not designed for the arrangement with two rollers in DE 1 013 612 B
  • three or more rolling tools can be arranged around a workpiece to apply a profile to a workpiece, see for example DE 803 232 A1 .
  • the invention aims to provide a rolling machine, a system and a method for rolling a longitudinal profile, in particular a spline on a workpiece, which on the one hand enables long service lives due to a wear-reduced working method and on the other hand decouples the workpiece geometry to some extent from the process requirements. Furthermore, it is an object of the invention to provide a novel shaft- or hollow-shaft-shaped workpiece.
  • the object is achieved by a rolling machine, a system and a method for rolling a longitudinal profile, in particular a spline on a workpiece, according to the features of the independent claims. Furthermore, the object is achieved by a shaft- or hollow shaft-shaped workpiece according to the Features of the independent patent claim. Advantageous embodiments are characterized by the features of the subclaims.
  • a rolling machine for rolling a longitudinal profile, in particular a spline, on a shaft-shaped or hollow shaft-shaped workpiece comprises at least one, preferably two, three or four similarly designed rolling tools and an electromechanical control device, in particular a CNC control, which is designed to enable a radial feed of the rolling tool to the workpiece and an axial feed movement of the workpiece relative to the rolling tool.
  • the abbreviation CNC stands for "Computerized Numerical Control”.
  • the CNC-controlled machine has good drive technology to carry out the desired feed movement on instructions from the machine control.
  • CNC-controlled rolling machines that use flat tools or flat jaws as well as rolling machines for round tools or round jaws.
  • the rolling tool or the workpiece is moved during the radial feed of the rolling tool to the workpiece.
  • the rolling tool is moved here.
  • the workpiece and/or the rolling tool can move.
  • the rolling tool comprises at least one rolling disk having a profile region, wherein the profile region has at least one inlet region, a calibration region and a relief region, wherein the calibration region is arranged downstream of the inlet region and the relief region is arranged downstream of the calibration region, specifically downstream with respect to an axial feed direction of the workpiece.
  • the transitions between the individual tool regions are preferably rounded.
  • the components referred to as disks in the context of the present disclosure can be components of a rolling beam as well as of a round rolling tool.
  • the axial feed direction can, but does not necessarily have to, coincide with a main or rotational axis of the rolling disk.
  • the axial feed direction runs perpendicular to the movement of the rolling beam in the rolling process.
  • the device is set up to be able to carry out a push-through rolling process in the sense described above.
  • the invention can be used for rolling both short and long workpieces, in particular for example for producing toothed shafts, gears, rotor shafts and the like.
  • the invention is particularly suitable for forming external gears on gear wheels or gear shafts. Helical or spiral gears and the like can also be produced using the tool according to the invention.
  • the workpieces can also be solid or hollow. Due to the relatively low pressure on the workpiece, the invention is particularly suitable for rolling hollow workpieces and/or long profiles.
  • the profile of the rolling disk can be homogeneous, i.e. of the same type. Alternatively, particularly when designed as a rolling beam, an incremental profile shape can also be provided within the transverse plane.
  • a transverse plane is a plane that is perpendicular to the axial feed direction.
  • the profile of the rolling disk can be selected appropriately; for example, serrations or involute teeth can be created on the workpiece.
  • the rolling disk therefore includes an inlet area for rolling the workpiece.
  • the inlet area comes into contact with the workpiece and is mainly stressed by it, i.e. most of the forming work on the workpiece is carried out by the inlet area.
  • the calibration area downstream of the inlet area is characterized by a consistent profile.
  • the calibration area is characterized, for example, by a consistent profile height, in particular consistent tooth height and tooth shape, along the feed direction.
  • the relief area downstream of the calibration area is characterized by a profile change, preferably by a profile reduction.
  • a profile change preferably by a profile reduction.
  • a constant profile depth with the profile being set back at an angle can preferably be provided.
  • a reduction in the profile depth or a change in the profile shape can be provided so that the workpiece gradually meshes less with the tool during the feed.
  • the relief region is arranged after the calibration region with respect to the feed direction.
  • the inlet area is larger than the relief area.
  • a flatter and longer inlet area compared to conventional push-through rolling tools is crucial for reducing wear on the rolling disk, as the feed force is distributed over a wider area.
  • the inlet area is therefore preferably larger than the calibration area.
  • the inlet region forms 50% or more, preferably 60% or more, even more preferably 70% or more, of the profile area.
  • the inlet area advantageously has a profile depression or a chamfer on the front side, preferably a profile depression.
  • a chamfer is understood to mean that in this area the profile rises from the front side towards the calibration.
  • the teeth become deeper and deeper until they approach the final tooth shape.
  • a profile depression is understood to mean that it has a uniform profile depth along the feed direction, but the uniform profile depth is machined at an angle with respect to the feed direction, so that the workpiece only gradually meshes with the workpiece during axial feed.
  • a chamfer angle characterizing the bevel or a profile depression angle of the profile characterizing the profile depression is as small as possible in the inlet region, preferably ⁇ 30°, more preferably ⁇ 15°, particularly preferably ⁇ 10° and even more preferably ⁇ 5°.
  • the depth of the chamfer or profile depression in the inlet area is selected so that there is no contact with the pre-rolling diameter of the workpiece at the edge of the chamfer.
  • the length and angle of the inlet chamfer can be designed independently of the workpiece geometry and can also be flexibly designed with regard to the calibration and run-out lengths as well as the tool width, whereby the feed force acting on the tool can continue to be distributed as the length of the inlet area increases.
  • the relief area and the inlet area are designed with opposing rise directions.
  • the relief area can therefore also be used to form a profile inlet on the workpiece, for example a threading bevel, as is described in more detail below.
  • the usable profile length or toothing length on the workpiece is advantageously not limited by the width of the rolling disk.
  • a plunge rolling process is carried out at one end of a workpiece area to be profiled with radial feed of the rolling disk to the workpiece, then a push-through rolling process from one end of the workpiece area to be profiled to another end of the workpiece area to be profiled with axial feed of the workpiece to the rolling tool or with axial feed of the rolling tool to the workpiece, and finally a chamfering rolling process at the other end of the workpiece area to be profiled for producing a profile run-in, in particular a threading chamfer on the workpiece with further radial feed of the rolling tool to the workpiece.
  • the process therefore provides three essential steps for rolling the finished workpiece profile, starting with the plunge rolling process at the end of the workpiece area to be profiled, followed by the push-through rolling process until the full profile length is reached on the workpiece and a final process step for rolling the profile inlet on the workpiece.
  • the method can be carried out in particular with the rolling machines described above.
  • the features which were disclosed with reference to the rolling machine are accordingly also to be seen as disclosed with reference to the method and vice versa.
  • At least one run-in region and one calibration region preferably also a relief region of the rolling disk mesh with the workpiece, wherein the calibration region forms at least a part of a central section of the profile and the relief region forms a profile run-out of the workpiece.
  • the tool and the workpiece are positioned in relation to one another in such a way that the transition from the calibration to the relief area is at the end of the workpiece profile length to be rolled.
  • the relief area is oriented towards the profile end of the workpiece.
  • the tool run-out is designed with the relief area in such a way that a profile run-out geometry of the workpiece is reproduced in the area where the relief area engages the workpiece.
  • the relief area is preferably designed with a chamfer, a radius or a combination of these, with the tool profile being created according to this contour.
  • the run-out length on the tool side can be limited by a required profile length on the workpiece and, if necessary, by a wave shoulder at the profile end of the workpiece.
  • the plunge rolling process is carried out with a feed movement directed radially towards the workpiece until the full profile depth is reached.
  • an axial feed rate is designed such that at least a calibration contact of each profile point on the workpiece formed by the inlet area with the calibration area occurs.
  • the task of the calibration area is the final shaping of the workpiece profile.
  • the length of the calibration area is preferably designed to suit the process and depending on the axial feed rate so that a defined number of calibration contacts with the workpiece is ensured, but at least one corresponding contact is made.
  • the length is also limited so that the rolling force that leads to unwanted changes in the cross-sectional shape, in particular roundness deviations, is not exceeded.
  • the tool is gently relieved of pressure from the workpiece by creating an increasing clearance between the tool and the workpiece by means of the relief area between the calibration profile that has fully penetrated the tool and the end of the run-out.
  • the push-through rolling process ends when the transition between the calibration area and the relief area has reached the workpiece profile beginning of the profile length to be rolled.
  • the relief area of the rolling disk and the workpiece are positioned relative to each other so that the geometry provided within the tool outlet, for example a profile lowered along a chamfer, is located on the workpiece along the profile inlet to be rolled.
  • the rolling of the profile inlet takes place with a movement directed radially towards the workpiece.
  • the relief area of the rolling machine meshes with the workpiece and forms the profile inlet of the workpiece. This advantageously allows one and the same tool to form a profile inlet that facilitates assembly, e.g. a threading chamfer, e.g. in gear profiles, and at the same time a run-out radius at the profile end of the workpiece.
  • a complete profile length in particular a complete toothing length of the spline of the workpiece, can be wider than a width of a rolling disk of the rolling tool forming the profile.
  • the method can also provide for the shaft- or hollow-shaft-shaped workpiece to have a shaft shoulder adjacent to the profiled area and for the plunge-rolling process to be carried out directly below the shaft shoulder.
  • the shaft shoulder is characterized by a diameter that is larger than the profiled area.
  • the method described above can also be referred to as a backward push-through rolling method. This is made possible by pushing the tools from the profile outlet in the direction of the profile inlet, i.e. opposite to the conventional push-through process.
  • the penetration takes place, for example, below a shaft shoulder or a shaft collar on the workpiece.
  • a shaft- or hollow shaft-shaped workpiece with a shaft shoulder is disclosed and with a warping-free longitudinal profile, in particular a spline, next to the shaft shoulder.
  • the warping-free longitudinal profile comprises a profile outlet adjacent to the shaft shoulder, a central section adjoining the profile outlet and a profile inlet connected to the middle section and away from the shaft shoulder.
  • the profile inlet is provided with a threading chamfer and the profile outlet is provided with a profile flattening.
  • the chamfering of the profile e.g. of the gearing on the workpiece, is called the threading chamfer.
  • the threading chamfer is used, for example, to improve the ability to plug together, for example with external splines of gear wheels or shafts that are inserted into a hub with opposing teeth.
  • the profiled section and the adjacent corrugated shoulder are made from one piece and the profile run-out is formed at a distance from the corrugated shoulder of less than 3 mm, preferably less than 2 mm, further preferably between 0.5 mm and 1 mm, up to the corrugated shoulder.
  • the threading chamfer and the profile flattening can be designed to be similar at least in sections, for example with the same angle in relation to the central section or with a similar radius. Since the relief area is also used to form the profile run-out on the workpiece in the method according to the invention, the threading chamfer and the profile flattening on the workpiece are designed to be similar at least in sections.
  • the rolled profile run-out follows the shape of the relief area immediately adjacent to the calibration area of the rolling tool until they are no longer in engagement.
  • a specific contour area within the relief area can be selected which is to be the shaping area.
  • free of warping refers to a completely continuous area without any warping. Without carrying out a push-through rolling process, particularly in the case of long, longitudinal hollow profiles, and long wave profiles, no warping-free profiles are created, since with each new approach, with axial displacement of the tool, a displacement into an area that has already been rolled takes place. In order to be warping-free, the process must be carried out without warping and requires a push-through in the sense of the present invention.
  • the length of the warping-free longitudinal profile is not limited by the dimensions of the profile area on the rolling disk(s) and can therefore be greater than 10 cm, greater than 20 cm, greater than 50 cm or even greater than 1 m.
  • the warping-free longitudinal profile can therefore also be formed on workpieces where plunge rolling without axial displacement is not possible due to the rolling force that can no longer be applied by a typical machine or an inadmissible change in cross-section.
  • the middle section is calibrated and has a profile cross-section that is the same over its length. This is achieved by designing the axial feed rate during the manufacture of the shaft- or hollow shaft-shaped workpiece using the backward push-through rolling process so that at least one calibration contact of each profile point on the workpiece formed by the inlet area with the calibration area occurs.
  • a system is disclosed with one of the previously described rolling machines for rolling a longitudinal profile and a shaft- or hollow shaft-shaped workpiece, which can in particular be designed as previously described.
  • the design of the rolling disk areas depends on the process, workpiece and tool.
  • the length of the relief area is preferably selected so that a specified distance between the fully developed profile and any adjacent shaft shoulder is maintained.
  • the length of the calibration area is preferably selected so that at least one calibration contact occurs with the axial feed used.
  • the remaining available tool width which can be changed by using other tool widths, defines the inlet length.
  • the inlet and calibration areas are designed to jointly exert a radial force during the plunge rolling process, which must not exceed a critical force that either represents the load limit of the machine or leads to an inadmissible change in the cross-section of the workpiece.
  • the invention is illustrated and described below using a round tool as an example. However, the invention can also be used with rolling bars as a rolling tool.
  • the invention is also illustrated by way of example using a rolling arrangement with two rolling tools or two rolling disks 1.
  • this is not limiting for the invention; for example, 1, 3, 4 or even more rolling tools can be provided, which act on the typically round workpiece 5 at different points.
  • Fig. 1 shows a rolling arrangement 10 of a rolling machine with two rolling tools arranged parallel and at a distance from one another, in particular round rolling tools, in a side sectional view, which define a clear width between them for receiving a workpiece 5.
  • a rolling disk 1 is shown with a profile arranged on it, of which a root circle and a tip circle can be seen.
  • the profile can be designed homogeneously or inhomogeneously over the circumference of the rolling tool. For example, incremental increases in the teeth over the circumference of the rolling tool are possible, as in DE 10 2007 039 959 A1 described. However, it is also possible that the profile is essentially the same over the circumference and that the tooth shape, height and/or size of the teeth change along the feed direction 8, as is described in more detail with reference to the other figures.
  • the teeth of the profile otherwise have a suitable shape; for example, they can be wedge-shaped, notched or involute in section. Reference is made to the knowledge of the person skilled in the art.
  • the workpiece 5 is mounted in a workpiece holder (not shown).
  • the workpiece 5 has a shaft shoulder 9.
  • Fig. 1 a positioning of the rolling disks 1 in relation to the workpiece 5 is shown, so that the transition between a calibration area 3 and a relief area 4 is located at the end of a workpiece profile length to be rolled.
  • the end of the relief area 4 can be positioned as close as desired below the shaft shoulder 9.
  • a first radial feed 11 of the rolling disks 1 to the workpiece 5 is shown, which defines a plunge rolling process.
  • the feed is variably regulated by CNC-controlled feed, and there is a successive feed up to the full profile depth.
  • the forming process is a combination of rolling, which in turn is a combination of sliding, rubbing and pressing, whereby in push rolling an additional directional component for the pressing is added.
  • the calibration area 3 and the relief area 4 in particular mesh with the workpiece 5.
  • the relief area 4 can in principle be designed quite freely and can be defined in such a way that the run-out profile 6 of the workpiece 5 is designed as desired.
  • Fig. 3 shows the rolling arrangement 10 at a later stage of the backward push rolling process.
  • the workpiece 5 was pushed through the rolling tools in the axial feed direction 8 via a CNC control, whereby the feed direction 8 coincides with the main axes of the rolling tools as an example but not as a limitation for the invention.
  • the feed is created by a relative movement between the workpiece 5 and the rolling tools, e.g. by displacement of the workpiece 5 relative to stationary rolling tools, or by displacement of the rolling tools relative to the stationary workpiece 5.
  • the feed can also take place at a continuous or variable speed.
  • the feed speed is set so that at least one calibration contact of each profile point on the workpiece is made with the calibration area 3. This ensures that the middle section is calibrated and has a profile cross-section that is the same over its length.
  • Fig. 4 The final chamfering rolling process is shown.
  • a further radial feed is carried out at the other end of the workpiece area to be profiled. 11 of the rolling tool to the workpiece 5.
  • the relief area 4 of the rolling machine meshes with the workpiece 5 at this point and forms the profile inlet 7.
  • the profile inlet 7 with the threading chamfer can be designed at least in sections in the same way as the profile outlet 6 with the profile flattening.
  • the threading chamfer and the profile flattening can have the same angle in relation to the middle section of the profile or a similar radius.
  • both the profile outlet 6 and the profile inlet 7 are designed with the same tool.
  • the undercut 13 shown is smaller than 3 mm, smaller than 2 mm or between 0.5 and 1 mm or not present at all if the groove was made with the rolling disks 4 directly below the shaft shoulder 9.
  • the threading bevel on the right can in principle be freely designed. It can be linear, as shown.
  • the threading bevel can have a radius or steps or can also be designed in the form of a double bevel.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Walzmaschine zum Walzen eines längsgerichteten Profils, insbesondere einer Steckverzahnung, auf einem wellen- oder hohlwellenförmigen Werkstück (5). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Rückwärtsdurchschubwalzverfahren, ein System und ein wellen- oder hohlwellenförmiges Werkstück (5) mit einer Wellenschulter (9).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Walzmaschine zum Walzen eines längsgerichteten Profils, insbesondere einer Steckverzahnung auf einem wellen- oder hohlwellenförmigen Werkstück. Des Weiteren werden ein System und ein Verfahren zum Walzen eines längsgerichteten Profils und ein wellen- oder hohlwellenförmiges Werkstück als Verfahrensprodukt beschrieben.
    • STAND DER TECHNIK
  • Aus DE 1 013 612 B ist eine Einrichtung zum Kaltwalzen von achsparallelen Profilen, zum Beispiel Verzahnungen, an stangenförmigen Werkstücken mit in ihrem Einlaufbereich konisch ausgebildeten sowie zur Werkstückachse parallel und in einem festen Abstand angeordneten, drehangetriebenen Profilwalzen bekannt, zwischen denen das frei drehbar aufgenommene Werkstück durch eine von dem Walzenantrieb unabhängige Vorschubeinrichtung in axialer Richtung kontinuierlich hindurchbefördert wird. Ein derartiges Verfahren wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als Durchschubwalzverfahren bezeichnet. Durchschubwalzverfahren eignen sich insbesondere zur Herstellung langer Profile und/oder von Profilen auf Hohlwellen, da aufgrund des relativ kurzen Kontaktbereichs zwischen den Profilwalzen und dem Werkstück der Druck auf das Werkstück relativ gering ist. Die zwei einander gegenüberliegenden Walzen weisen einen zylindrischen Walzenteil mit konstantem Profilquerschnitt und einen konischen Einlaufbereich auf, bei dem sich alle Profile zur Einlaufseite hin verjüngen, wobei also die Kopf- und Fußkreisdurchmesser des Walzprofils kleiner werden. An den zylindrischen Teil kann sich eine weitere konische Profilierung im Auslaufbereich anschließen mit derselben Formgebung wie im Einlaufbereich, um auch bei hohen Drehzahlen der Walzen und hohen Vorschüben des Werkstücks eine Ablösung zu verbessern. Beschrieben wird in DE 1 013 612 B ein Walzenantrieb und ein unabhängig davon ausgebildeter Vorschubantrieb.
  • Rundwerkzeuge sind aber nicht auf die Anordnung mit zwei Walzen in DE 1 013 612 B beschränkt. Beispielsweise können auch drei oder mehr Rundwalzwerkzeuge um ein Werkstück herum angeordnet werden, um ein Profil auf einem Werkstück aufzubringen, siehe zum Beispiel DE 803 232 A1 .
  • Aus DE 10 2007 039 959 A1 ist eine Walzmaschine mit inkrementalen Rundwalzwerkzeugen und ein Verfahren zum Kaltwalzen von längsgerichteten Verzahnungen und Profilen auf einem Werkstück bekannt, wobei die Walzspindeln in Zustellrichtung zum Werkstück hin und zugleich in Axialrichtung in Bezug auf das Werkstück frei positionierbar sind. Die Walzspindeln werden von einer CNC-Steuerung der Profilwalzmaschine im Gleichlauf synchron angetrieben und jeweils in Stufen vorgeschoben, um auf dem Werkstück abschnittsweise die Verzahnung anzubringen. Nachteilig an dem hier beschriebenen Verfahren ist der kurze Einlaufbereich der Walzscheiben, welcher aufgrund der auftretenden Vorschubkräfte entsprechend hohen Verschleiß an den Walzscheiben hervorruft und die Standzeit der Maschine stark beschränkt.
  • Aus EP 4 100 186 A1 , welche dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegt, ist bekannt, die geringe Standzeit einer Walzmaschine dadurch zu verbessern, dass ein Walzenscheibenpaket mit einer Hauptscheibe und einer Wechselscheibe eingesetzt wird, wobei die Wechselscheibe der Hauptscheibe vorgelagert ist, um die hauptsächliche Beanspruchung der Durchschubwalzprozesse aufzunehmen. Das Walzenscheibenpaket umfasst einen Einlaufbereich, optional einen Kalibrierbereich und einen nachgeordneten Entlastungsbereich, an den sich eine Anfasscheibe anschließen kann. Die Anfasscheibe ist in Bezug auf die Arbeitsrichtung der Hauptscheibe nachgeordnet, so dass das Werkstück zunächst von der Wechselscheibe umgeformt wird, dann von der Hauptscheibe und schließlich von der Anfasscheibe. Das Werkzeug mit nachgelagerter Anfasscheibe ist nachteilig speziell nur für Werkstücke verwendbar, deren nutzbare Profillänge beziehungsweise Verzahnungslänge in etwa der Breite der Hauptscheibe entspricht.
  • Zum Anfasen und Entgraten von stirnseitigen Zahnkanten von Zahnrädern ist es ferner bekannt, Rundwerkzeuge aus mehreren zueinander dreheinstellbaren Walzscheiben zusammenzusetzen, wobei beispielsweise auf EP 1 270 127 B1 verwiesen werden kann. Das darin beschriebene Werkzeug wird allerdings nicht im Vorschubverfahren betrieben, sondern es erfolgt nach radialer Zustellung zum Werkstück ein axial ortsfestes Rollen des Profils.
    • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Walzmaschine, ein System und ein Verfahren zum Walzen eines längsgerichteten Profils, insbesondere einer Steckverzahnung auf einem Werkstück, bereitzustellen, das zum einen lange Standzeiten aufgrund verschleißreduzierter Arbeitsweise ermöglicht und zum anderen die Werkstückgeometrie ein Stück weit von den Prozesserfordernissen entkoppelt. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges wellen- oder hohlwellenförmiges Werkstück bereitzustellen.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Walzmaschine, ein System und ein Verfahren zum Walzen eines längsgerichteten Profils, insbesondere einer Steckverzahnung auf einem Werkstück, gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein wellen- oder hohlwellenförmiges Werkstück gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
    • Walzmaschine
  • Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Walzmaschine zum Walzen eines längsgerichteten Profils, insbesondere einer Steckverzahnung, auf einem wellen- oder hohlwellenförmigen Werkstück zumindest ein, bevorzugt zwei, drei oder vier gleichartig ausgebildete Walzwerkzeuge und eine elektromechanische Steuereinrichtung, insbesondere CNC-Steuerung, die eingerichtet ist, um eine Radialzustellung des Walzwerkzeugs zu dem Werkstück und eine axiale Vorschubbewegung des Werkstücks relativ zu dem Walzwerkzeug zu ermöglichen.
  • Die Abkürzung CNC steht dabei bekanntlich für "Computerized Numerical Control". Die CNC-gesteuerte Maschine verfügt über gute antriebstechnische Voraussetzungen, um den gewünschten Zustellbewegungsverlauf auf Anweisung durch die Maschinensteuerung hin auszuführen. Es gibt sowohl CNC-gesteuerte Walzmaschinen, die Flachwerkzeuge bzw. Flachbacken verwenden als auch Walzmaschinen für Rundwerkzeuge bzw. Rundbacken. Je nach Ausführungsform wird bei der Radialzustellung des Walzwerkzeugs zu dem Werkstück das Walzwerkzeug oder das Werkstück verfahren. Typischerweise wird hier das Walzwerkzeug bewegt. Bei der axialen Vorschubbewegung kann eine Bewegung des Werkstücks und/oder eine Bewegung des Walzwerkzeugs erfolgen.
  • Das Walzwerkzeug umfasst zumindest eine einen Profilbereich aufweisende Walzscheibe, wobei der Profilbereich zumindest einen Einlaufbereich einen Kalibrierbereich und einen Entlastungsbereich aufweist, wobei der Kalibrierbereich dem Einlaufbereich nachgelagert ist und der Entlastungsbereich dem Kalibrierbereich nachgelagert ist, und zwar nachgelagert in Bezug auf eine axiale Vorschubrichtung des Werkstücks. Die Übergänge zwischen den einzelnen Werkzeugbereichen sind vorzugsweise verrundet.
  • Die im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als Scheiben bezeichneten Bauteile können sowohl Bauteile eines Walzbalkens als auch eines Rundwalzwerkzeugs sein.
  • Im Falle eines Rundwerkzeugs kann die axiale Vorschubrichtung, muss aber nicht zwangsweise, mit einer Haupt- bzw. Drehachse der Walzscheibe zusammenfallen. Im Falle eines Walzbalkens verläuft die axiale Vorschubrichtung senkrecht zur Bewegung der Walzbalken im Walzprozess. In beiden Ausführungsformen ist die Vorrichtung eingerichtet, um einen Durchschubwalzprozess im oben beschriebenen Sinne durchführen zu können.
  • Die Erfindung kann zum Walzen sowohl kurzer als auch langer Werkstücke eingesetzt werden, insbesondere beispielsweise zur Herstellung von Zahnwellen, Zahnrädern, Rotorwellen u.dgl. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Ausbildung von Außenverzahnungen von Getrieberädern oder Getriebewellen. Auch Schräg- oder Spiralverzahnungen und dergleichen können mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug erzeugt werden. Die Werkstücke können außerdem massiv oder hohl ausgestaltet sein. Durch den relativ geringen Druck auf das Werkstück eignet sich die Erfindung besonders für das Walzen hohler Werkstücke und/oder langer Profile.
  • Innerhalb einer Transversalebene kann das Profil der Walzscheibe homogen, d.h. gleichartig, ausgebildet sein. Alternativ, insbesondere bei der Ausführung als Walzbalken kann auch eine inkrementale Profilform innerhalb der Transversalebene vorgesehen sein. Als Transversalebene wird eine Ebene bezeichnet, die senkrecht zur axialen Vorschubrichtung liegt. Das Profil der Walzscheibe kann zweckmäßig gewählt sein, es können beispielweise Kerbverzahnungen oder Evolventenverzahnungen auf dem Werkstück geschaffen werden.
  • Die Walzscheibe umfasst also einen Einlaufbereich zum Walzen des Werkstücks. Beim Betrieb des Walzwerkzeugs in der Walzmaschine trifft der Einlaufbereich auf das Werkstück und wird von diesem hauptsächlich beansprucht, d.h. die meiste Umformarbeit am Werkstück wird von dem Einlaufbereich verrichtet.
  • Der dem Einlaufbereich nachgeordnete Kalibrierbereich ist durch ein gleichbleibendes Profil gekennzeichnet. Der Kalibrierbereich ist beispielsweise durch eine gleichbleibende Profilhöhe, insbesondere gleichbleibende Zahnhöhe und Zahnform, entlang der Vorschubrichtung gekennzeichnet.
  • Der dem Kalibrierbereich nachgeordnete Entlastungsbereich ist durch eine Profiländerung, bevorzugt durch eine Profilabsenkung, gekennzeichnet. Im Entlastungsbereich kann bevorzugt eine gleichbleibende Profiltiefe mit Zurücksetzung des Profils unter einem Winkel (Profilabsenkung) vorgesehen sein. Alternativ kann eine Verringerung der Profiltiefe oder eine Änderung der Profilform vorgesehen sein, so dass das Werkstück beim Vorschub nach und nach weniger mit dem Werkzeug kämmt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Entlastungsbereich in Bezug auf die Vorschubrichtung nach dem Kalibrierbereich angeordnet.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Einlaufbereich größer als der Entlastungsbereich ausgebildet ist.
  • Ein gegenüber herkömmlichen Durchschubwalzwerkzeugen flacherer und längerer Einlaufbereich ist maßgeblich für die Verschleißreduktion an der Walzscheibe, da die Vorschubkräfteverteilung auf einem breiteren Bereich erfolgt. Bevorzugt ist der Einlaufbereich daher auch größer als der Kalibrierbereich ausgebildet.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Einlaufbereich 50% oder mehr, bevorzugt 60% oder mehr, noch weiter bevorzugt 70% oder mehr, des Profilbereichs bildet.
  • Der Einlaufbereich weist vorteilhaft stirnseitig eine Profilabsenkung oder eine Fase auf, bevorzugt eine Profilabsenkung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird unter einer Fase verstanden, dass in diesem Bereich das Profil von der Stirnseite in Richtung Kalibrierung ansteigt. Im Falle eines Zahnprofils werden hier die Zähne beispielsweise immer tiefer, bis sie sich der endgültigen Zahnform annähern.
  • Unter einer Profilabsenkung wird verstanden, dass diese entlang der Vorschubrichtung zwar eine einheitliche Profiltiefe aufweist, die einheitliche Profiltiefe jedoch in Bezug auf die Vorschubrichtung unter einem Winkel eingearbeitet ist, sodass das Werkstück beim axialen Vorschub nur nach und nach mit dem Werkstück kämmt.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein die Fase kennzeichnender Anfaswinkel oder ein die Profilabsenkung kennzeichnender Profilabsenkungswinkel des Profils im Einlaufbereich möglichst klein ist, bevorzugt < 30°, weiter bevorzugt < 15°, besonders bevorzugt < 10° und noch weiter bevorzugt < 5°.
  • Die Tiefe der Fase oder Profilabsenkung im Einlaufbereich ist so gewählt, dass am Rand der Fase kein Kontakt zum Vorwalzdurchmesser des Werkstücks besteht. Die Länge und der Winkel der Einlauffase sind unabhängig von der Werkstückgeometrie auslegbar und auch mit Blick auf die Kalibrier- und Auslauflängen sowie der Werkzeugbreite flexibel gestaltbar, wobei mit zunehmender Einlaufbereichslänge die auf das Werkzeug wirkende Vorschubkraft weiterhin verteilt werden kann.
  • Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Entlastungsbereich und der Einlaufbereich mit gegenläufigen Anstiegsrichtungen ausgebildet sind. Vorteilhaft kann der Entlastungsbereich somit auch zur Ausbildung eines Profileinlaufs am Werkstück, beispielsweise einer Einfädelfase, verwendet werden, wie im Folgenden genauer beschrieben wird. Die nutzbare Profillänge beziehungsweise Verzahnungslänge am Werkstück ist dabei in vorteilhafter Weise nicht durch die Breite der Walzscheibe begrenzt.
    • Verfahren
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem Verfahren zum Walzen eines längsgerichteten Profils, insbesondere einer Steckverzahnung auf einem Werkstück mittels einer Walzmaschine, vorgesehen, dass zunächst ein Einstechwalzprozess an einem Ende eines zu profilierenden Werkstückbereichs unter radialer Zustellung der Walzscheibe zum Werkstück durchgeführt wird, dann ein Durchschubwalzprozess von dem einen Ende des zu profilierenden Werkstückbereichs bis zu einem anderen Ende des zu profilierenden Werkstückbereichs unter axialer Zustellung des Werkstücks zum Walzwerkzeug oder unter axialer Zustellung des Walzwerkzeugs zum Werkstück, und schließlich ein Anfaswalzprozess am anderen Ende des zu profilierenden Werkstückbereichs zum Herstellen eines Profileinlaufs, insbesondere einer Einfädelfase am Werkstück unter weitergehender radialer Zustellung des Walzwerkzeugs zum Werkstück.
  • Das Verfahren sieht also drei wesentliche Schritte zum Walzen des fertigen Werkstückprofils vor, beginnend mit dem Einstechwalzprozess am Ende des zu profilierenden Werkstückbereichs, gefolgt von dem Durchschubwalzprozess bis zum Erreichen der vollständigen Profillänge am Werkstück und einem abschließenden Prozessschritt zum Walzen des Profileinlaufs am Werkstück.
  • Das Verfahren kann insbesondere mit den oben beschriebenen Walzmaschinen durchgeführt werden. Die Merkmale, welche mit Bezug zu der Walzmaschine offenbart wurden, sind dementsprechend auch mit Bezug zu dem Verfahren als offenbart zu sehen und umgekehrt.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Einstechwalzprozess zumindest ein Einlaufbereich und ein Kalibrierbereich, bevorzugt auch ein Entlastungsbereich der Walzscheibe mit dem Werkstück kämmen, wobei der Kalibrierbereich zumindest einen Teil eines Mittelabschnitts des Profils und der Entlastungsbereich einen Profilauslauf des Werkstücks formen.
  • Beim Einstechwalzprozess werden also das Werkzeug und das Werkstück so zueinander positioniert, dass sich der Übergang vom Kalibrier- zum Entlastungsbereich am Ende der zu walzenden Werkstückprofillänge befindet. Der Entlastungsbereich ist zum Profilende des Werkstücks orientiert. Der Werkzeugauslauf ist mit dem Entlastungsbereich so ausgestaltet, dass im Bereich des Eingriffs des Entlastungsbereichs mit dem Werkstück eine Profilauslaufgeometrie des Werkstücks abgebildet wird. Bevorzugt ist der Entlastungsbereich durch eine Fase, einen Radius oder eine Kombination davon gestaltet, wobei das Werkzeugprofil entsprechend zu dieser Kontur entsteht. Die Auslauflänge werkzeugseitig kann durch eine erforderliche Profillänge am Werkstück, sowie durch gegebenenfalls eine Wellenschulter am Profilende des Werkstücks limitiert sein.
  • Der Einstechwalzprozess erfolgt dabei mit radial zum Werkstück gerichteter Vorschubbewegung bis zum Erreichen der vollen Profiltiefe.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Durchschubwalzprozess eine axiale Vorschubgeschwindigkeit so ausgelegt ist, dass mindestens ein Kalibrierkontakt eines jeden vom Einlaufbereich umgeformten Profilpunktes am Werkstück mit dem Kalibrierbereich erfolgt.
  • Die Aufgabe des Kalibrierbereichs ist die finale Formgebung für das Werkstückprofil. Die Länge des Kalibrierbereichs ist vorzugsweise prozessabgestimmt in Abhängigkeit der axialen Vorschubgeschwindigkeit so ausgelegt, dass eine definierte Anzahl an Kalibrierkontakten zum Werkstück sichergestellt ist, mindestens jedoch ein entsprechender Kontakt erfolgt. Weiterhin ist die Länge dahingehend limitiert, dass eine zu ungewollten Querschnittsformänderungen, insbesondere Rundheitsabweichungen, führende Walzkraft unterschritten bleibt.
  • Im Auslauf wird eine sanfte Entlastung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück bewirkt, indem mittels des Entlastungsbereichs zwischen voll in das Werkzeug eingedrungenem Kalibrierprofil bis zum Ende des Auslaufs ein zunehmendes Spiel zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück entsteht.
  • Das Durchschubwalzverfahren endet, wenn der Übergang zwischen dem Kalibrierbereich und dem Entlastungsbereich am Werkstückprofilbeginn der zu walzenden Profillänge angekommen ist.
  • Im abschließenden Prozessschritt zum Walzen des Profileinlaufs (Anfaswalzprozess) werden der Entlastungsbereich der Walzscheibe und das Werkstück so zueinander positioniert, dass sich die innerhalb des Werkzeugauslaufs vorgesehene Geometrie, beispielsweise ein entlang einer Fase abgesenktes Profil, entlang des zu walzenden Profileinlaufs am Werkstück befindet. Das Walzen des Profileinlaufs erfolgt mit einer radial zum Werkstück gerichteten Bewegung.
  • Beim Anfaswalzprozess kämmt also der Entlastungsbereich der Walzmaschine mit dem Werkstück und formt den Profileinlauf des Werkstücks. Somit wird vorteilhaft durch ein und dasselbe Werkzeug einen montageerleichternden Profileinlauf, z.B. eine Einfädelfase, z.B. bei Verzahnungsprofilen ausgebildet und zugleich ein Auslaufradius am Profilende des Werkstücks.
  • Vorteilhaft kann eine vollständige Profillänge, insbesondere eine vollständige Verzahnungslänge der Steckverzahnung des Werkstücks, breiter sein als eine Breite einer das Profil ausbildenden Walzscheibe des Walzwerkzeugs.
  • Insbesondere kann bei dem Verfahren auch vorgesehen sein, dass das wellen- oder hohlwellenförmige Werkstück angrenzend an den profilierten Bereich eine Wellenschulter aufweist und der Einstechwalzprozess direkt unterhalb der Wellenschulter durchgeführt wird. Die Wellenschulter ist dabei durch einen gegenüber dem profilierten Bereich vergrößerten Durchmesser gekennzeichnet.
  • Aus fertigungstechnischen Gründen resultiert typischerweise ein Abstand zwischen einem voll ausgeformten Werkstückprofil und einer angrenzenden Wellenschulter. Um diesen Abstand zu reduzieren, kamen in der Praxis bisher vor allem zusammengebaute Wellen zum Einsatz. Bei bewusst kurzer Werkzeugauslaufgestaltung ist ein vergleichsweise kurzer Abstand zwischen ausgeformtem Wellenstückprofil und einer angrenzenden Wellenschulter, idealerweise sogar freistichfrei möglich, so dass ein Einsatz einteiliger Wellen möglich wird. Vorteilhaft gelingt mit den Maßnahmen der Erfindung somit eine Entkopplung der Werkstückgeometrie von den Prozesserfordernissen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann das oben beschriebene Verfahren auch als Rückwärtsdurchschubwalzverfahren bezeichnet werden. Ermöglicht wird dies durch das Durchschieben der Werkzeuge vom Profilauslauf in Richtung des Profileinlaufs, also entgegengesetzt des herkömmlichen Durchschubprozesses. Der Einstich erfolgt dabei beispielsweise unterhalb einer Wellenschulter bzw. eines Wellenbundes am Werkstück.
    • Werkstück
  • Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein wellen- oder hohlwellenförmiges Werkstück mit einer Wellenschulter offenbart und mit einem aufwerfungsfreien längsgerichteten Profil, insbesondere einer Steckverzahnung, neben der Wellenschulter.
  • Das aufwerfungsfreie längsgerichtete Profil umfasst einen an die Wellenschulter angrenzenden Profilauslauf, einen an den Profilauslauf anschließenden Mittelabschnitt und einen an den Mittelabschnitt anschließenden, von der Wellenschulter entfernten Profileinlauf. Der Profileinlauf ist mit einer Einfädelfase versehen und der Profilauslauf ist mit einer Profilabflachung versehen.
  • Die Anfasung des Profils, z.B. der Verzahnung auf dem Werkstück wird als Einfädelfase bezeichnet. Die Einfädelfase dient beispielsweise einer verbesserten Zusammensteckbarkeit, zum Beispiel bei Außensteckverzahnungen von Getrieberädern oder Wellen, die in einer gegenverzahnten Nabe eingesteckt werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der profilierte Abschnitt und die angrenzende Wellenschulter aus einem Stück gefertigt sind und der Profilauslauf mit einem Abstand zur Wellenschulter kleiner als 3 mm, bevorzugt kleiner als 2 mm, weiterhin bevorzugt zwischen 0,5 mm und 1 mm, bis an die Wellenschulter ausgeprägt ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Werkstück können die Einfädelfase und die Profilabflachung zumindest abschnittsweise gleichartig ausgebildet sein, etwa mit einem gleichen Winkel in Bezug auf den Mittelabschnitt oder mit einem gleichartigen Radius. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Entlastungsbereich auch zur Bildung des Profilauslaufs am Werkstück verwendet wird, sind die Einfädelfase und die Profilabflachung am Werkstück zumindest abschnittsweise gleichartig ausgebildet.
  • Der gewalzte Profilauslauf folgt in seiner Form der Kontur des unmittelbar an den Kalibrierbereich des Walzwerkzeuges angrenzenden Entlastungsbereiches, bis diese nicht mehr im Eingriff sind. Im Gegensatz dazu lässt sich zum Walzen des Profileinlaufes ein bestimmter Konturbereich innerhalb des Entlastungsbereiches wählen, welcher formgebend sein soll.
  • Bei einem fasenförmigen Entlastungsbereich macht dies keinen Unterschied, schon aber bei einem Radius, welcher in eine Fase übergeht, sodass der Radius als Profilauslauf und die Fase als Profileinlauf dienen kann.
  • Unter "aufwerfungsfrei" wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein vollstetig verlaufender Bereich ohne jegliche Aufwürfe bezeichnet. Ohne die Durchführung eines Durchschubwalzprozesses können gerade bei langen längsgerichteten Hohlprofilen und langen Wellenprofilen keine aufwerfungsfreien Profile entstehen, da bei jedem neuerlichen Ansatz unter axialem Versetzen des Werkzeugs stets eine Verdrängung in einen bereits zuvor gewalzten Bereich stattfindet. Um aufwerfungsfrei zu sein, muss der Vorgang entsprechend ansatzlos durchgeführt werden und erfordert einen Durchschub im Sinne der vorliegenden Erfindung.
  • Die Länge des aufwerfungsfreien längsgerichteten Profil ist nicht durch die Abmessung des Profilbereichs auf der/den Walzscheiben begrenzt und kann daher größer als 10 cm, größer als 20 cm, größer als 50 cm oder gar größer als 1 m sein. Das aufwerfungsfreie längsgerichtete Profil kann daher auch auf solchen Werkstücken ausgebildet sein, bei denen ein Einstechwalzen ohne axiales Versetzen auf Grund der von einer typischen Maschine nicht mehr aufbringbaren Walzkraft oder einer unzulässigen Querschnittsänderung nicht möglich ist.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Mittelabschnitt kalibriert ausgebildet ist und einen über die Länge gleichen Profilquerschnitt aufweist. Dies wird erreicht, indem beim Herstellen des wellen- oder hohlwellenförmigen Werkstücks mittels Rückwärtsdurchschubwalzverfahren die axiale Vorschubgeschwindigkeit so ausgelegt ist, dass mindestens ein Kalibrierkontakt eines jedes vom Einlaufbereich umgeformten Profilpunktes am Werkstück mit dem Kalibrierbereich erfolgt.
    • System
  • Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System mit einer der zuvor beschriebenen Walzmaschinen zum Walzen eines längsgerichteten Profils offenbart und einem wellen- oder hohlwellenförmigen Werkstück, welches insbesondere wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann.
  • Die Auslegung der Bereiche der Walzscheibe erfolgt verfahrens-, werkstück- und werkzeugbedingt. Die Länge des Entlastungsbereiches ist bevorzugt so gewählt, dass ein vorgegebener Abstand des voll ausgeprägten Profils zu einer ggf. angrenzenden Wellenschulter eingehalten wird. Die Länge des Kalibrierbereiches ist bevorzugt so gewählt, dass beim verwendeten Axialvorschub mindestens ein Kalibrierkontakt erfolgt. Die restliche verfügbare Werkzeugbreite, änderbar über den Einsatz anderer Werkzeugbreiten, definiert die Einlauflänge. Bevorzugt sind der Einlauf- und Kalibrierbereich ausgebildet, um zusammen eine Radialkraft beim Einstechwalzprozess auszuüben, welche eine kritische Kraft nicht überschreiten darf, die entweder die Belastungsgrenze der Maschine darstellt oder aber zu einer unzulässigen Querschnittsänderung des Werkstückes führt.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird mit Bezug zu den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Walzanordnung mit einem darin angeordneten Werkstück in seitlicher schematischer Darstellung zu einem ersten Zeitpunkt eines Rückwärtsdurchschubwalzverfahrens,
    Fig. 2
    die Walzanordnung aus Fig. 1 zu einem weiteren Zeitpunkt des Rückwärtsdurchschubwalzverfahrens,
    Fig. 3
    die Walzanordnung aus Fig. 1 zu einem noch weiteren Zeitpunkt des Rückwärtsdurchschubwalzverfahrens, und
    Fig. 4
    die Walzanordnung aus Fig. 1 zu einem noch weiteren Zeitpunkt des Rückwärtsdurchschubwalzverfahrens.
    AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand eines Rundwerkzeugs dargestellt und beschrieben. Die Erfindung ist aber ebenso bei Walzbalken als Walzwerkzeug anwendbar.
  • Die Erfindung wird außerdem beispielhaft anhand einer Walzanordnung mit zwei Walzwerkzeugen bzw. zwei Walzscheiben 1 dargestellt. Dies ist aber nicht einschränkend für die Erfindung, ebenso können beispielsweise 1, 3, 4 oder noch mehr Walzwerkzeuge vorgesehen sein, die an unterschiedlichen Stellen auf das typischerweise runde Werkstück 5 einwirken.
  • Fig. 1 zeigt eine Walzanordnung 10 einer Walzmaschine mit zwei parallel und auf Abstand zueinander angeordneten Walzwerkzeugen, insbesondere Rundwalzwerkzeugen in seitlicher Schnittansicht, welche zwischen sich eine lichte Weite zur Aufnahme eines Werkstücks 5 definieren. Von den Walzwerkzeugen ist jeweils eine Walzscheibe 1 mit einem darauf angeordneten Profil dargestellt, von dem ein Fußkreis und ein Kopfkreis zu sehen ist.
  • Über den Umfang des Walzwerkzeugs kann das Profil homogen oder inhomogen ausgestaltet sein. Möglich sind zum Beispiel inkrementelle Erhöhungen der Zähne über den Umfang des Walzwerkzeugs wie in DE 10 2007 039 959 A1 beschrieben. Möglich ist aber auch, dass das Profil über den Umfang im Wesentlichen gleich ausgebildet ist, und dass sich die Zahnform, Höhe und/oder Größe der Zähne entlang der Vorschubrichtung 8 ändern, wie unter anderem auch mit Bezug zu den weiteren Figuren näher beschrieben wird. Die Zähne des Profils weisen ansonsten eine zweckmäßige Form auf, sie können beispielsweise im Schnitt keilförmig, kerbförmig oder evolventenförmig gestaltet sein. Auf das Wissen des Fachmanns wird verwiesen.
  • Das Werkstück 5 ist bei dem Vorgang in einer Werkstückhalterung gelagert (nicht dargestellt). In der dargestellten Ausführungsform weist das Werkstück 5 eine Wellenschulter 9 auf.
  • In Fig. 1 ist eine Positionierung der Walzscheiben 1 in Bezug auf das Werkstück 5 dargestellt, so dass sich der Übergang zwischen einem Kalibrierbereich 3 und einem Entlastungsbereich 4 am Ende einer zu walzenden Werkstückprofillänge befindet. Das Ende des Entlastungsbereichs 4 kann dabei beliebig nah unterhalb der Wellenschulter 9 positioniert werden.
  • In Fig. 2 ist eine erste radiale Zustellung 11 der Walzscheiben 1 zum Werkstück 5 dargestellt, welche einen Einstechwalzprozess definiert. Beim Einstechwalzprozess dringen die Zähne der Walzscheiben 1 immer wieder schlagartig in das zu profilierende Werkstück 5 ein, so dass die Verformung unter Einwirkung aufeinanderfolgender Stöße erfolgt. Der Vorschub wird dabei variabel durch CNC-gesteuerte Zustellung geregelt, es erfolgt eine sukzessive Zustellung bis zur vollen Profiltiefe. Beim Einstechwalzen wie auch beim Durchschubwalzen ist die Umformung eine Kombination aus Abwälzen, welches wiederrum eine Kombination aus Gleiten, Reiben und Drücken ist, wobei beim Durchschubwalzen noch eine zusätzliche Richtungskomponente für das Drücken hinzukommt.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Walzanordnung 10 ist das eine Ende des zu profilierenden Werkstückbereichs bereits hergestellt. Hier kämmen insbesondere der Kalibrierbereich 3 und der Entlastungsbereich 4 mit dem Werkstück 5. Ersichtlich ist rechts ein Freistich 13 zur Wellenschulter 9 vorhanden, welcher optional, aber nicht notwendig ist. Der Entlastungsbereich 4 ist im Prinzip recht frei gestaltbar und kann so definiert werden, dass das Auslaufprofil 6 des Werkstücks 5 wunschgemäß gestaltet wird.
  • Fig. 3 zeigt die Walzanordnung 10 zu einem späteren Zeitpunkt des Rückwärtsdurchschubwalzverfahrens.
  • Über eine CNC-Steuerung wurde das Werkstück 5 in axialer Vorschubrichtung 8 durch die Walzwerkzeuge durchgeschoben, wobei die Vorschubrichtung 8 hier beispielhaft, aber nicht einschränkend für die Erfindung, mit Hauptachsen der Walzwerkzeuge zusammenfällt. Der Vorschub entsteht durch eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 5 und den Walzwerkzeugen, z. B. durch Verschiebung des Werkstücks 5 gegenüber ortsfest gehalterten Walzwerkzeugen, oder durch Verschiebung der Walzwerkzeuge gegenüber dem ortsfest gehalterten Werkstück 5. Der Vorschub kann im Übrigen mit kontinuierlicher oder veränderlicher Geschwindigkeit erfolgen.
  • Beim Rückwärtsdurchschubwalzen wird die Vorschubgeschwindigkeit so eingestellt, dass mindestens ein Kalibrierkontakt eines jeden Profilpunktes am Werkstück mit dem Kalibrierbereich 3 erfolgt. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Mittelabschnitt kalibriert ausgebildet ist und einen über die Länge gleichen Profilquerschnitt aufweist.
  • Nach dem Walzen des Werkstücks 5 weist dieses einen profilierten Abschnitt 12 mit einem Profil auf.
  • In Fig. 4 ist der abschließende Anfaswalzprozess dargestellt. Hierbei wird am anderen Ende des zu profilierenden Werkstückbereichs eine weitergehende radiale Zustellung 11 des Walzwerkzeugs zum Werkstück 5 durchgeführt. Der Entlastungsbereich 4 der Walzmaschine kämmt an dieser Stelle mit dem Werkstück 5 und bildet den Profileinlauf 7 aus. Hierdurch kann der Profileinlauf 7 mit der Einfädelfase zumindest abschnittsweise gleichartig wie der Profilauslauf 6 mit der Profilabflachung ausgebildet werden. Insbesondere kann die Einfädelfase und die Profilabflachung einen gleichen Winkel in Bezug auf den Mittelabschnitt des Profils aufweisen oder einen gleichartigen Radius.
  • Im Vergleich zum Stand der Technik wird mit demselben Werkzeug sowohl der Profilauslauf 6 als auch der Profileinlauf 7 gestaltet.
  • Der in Fig. 4 dargestellte Freistich 13 ist abhängig von der Ausführungsform kleiner als 3 mm, kleiner als 2 mm oder zwischen 0,5 und 1 mm oder gar nicht vorhanden, wenn beim Einstich mit den Walzscheiben 4 direkt unterhalb der Wellenschulter 9 angesetzt wurde.
  • Vorteilhaft ist mit der Erfindung eine ganz andere Dimensionierung beziehungsweise Aufteilung der funktionalen Bereiche am Walzwerkzeug möglich. Insbesondere die Einfädelfase rechts ist im Prinzip frei gestaltbar. Sie kann, wie dargestellt, linear sein. Alternativ kann die Einfädelfase einen Radius oder Stufen aufweisen oder auch in Form einer Doppelfase ausgeführt sein.

Claims (17)

  1. Walzmaschine zum Walzen eines längsgerichteten Profils, insbesondere einer Steckverzahnung, auf einem wellen- oder hohlwellenförmigen Werkstück (5),
    mit zumindest einem, bevorzugt zwei, drei oder vier gleichartig ausgebildeten Walzwerkzeugen und mit einer elektromechanischen Steuereinrichtung, insbesondere CNC-Steuerung, die eingerichtet ist, um eine Radialzustellung des Walzwerkzeugs zu dem Werkstück (5) und eine axiale Vorschubbewegung des Werkstücks (5) relativ zu dem Walzwerkzeug zu ermöglichen,
    wobei das Walzwerkzeug zumindest eine einen Profilbereich aufweisende Walzscheibe (1) umfasst,
    wobei der Profilbereich zumindest einen Einlaufbereich (2), einen Kalibrierbereich (3) und einen Entlastungsbereich (4) aufweist, wobei der Kalibrierbereich (3) dem Einlaufbereich (2) nachgelagert ist und der Entlastungsbereich (4) dem Kalibrierbereich (3) nachgelagert ist, und zwar nachgelagert in Bezug auf eine axiale Vorschubrichtung des Werkstücks (5),
    wobei der Kalibrierbereich (3) durch ein gleichbleibendes Profil und der Entlastungsbereich (4) durch eine Profiländerung, bevorzugt durch eine Profilabsenkung gekennzeichnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbereich (2) größer als der Entlastungsbereich (4) ausgebildet ist.
  2. Walzmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbereich (2) größer als der Kalibrierbereich (3) ausgebildet ist.
  3. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Anfaswinkel oder ein Profilabsenkungswinkel im Einlaufbereich (2) < 30°, bevorzugt < 15°, besonders bevorzugt < 10° und noch weiter bevorzugt < 5° ist.
  4. Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungsbereich (4) und der Einlaufbereich (2) mit gegenläufigen Anstiegsrichtungen ausgebildet sind.
  5. Verfahren zum Walzen eines längsgerichteten Profils, insbesondere einer Steckverzahnung auf einem wellen- oder hohlwellenförmigen Werkstück (5), mittels einer Walzmaschine,
    insbesondere mittels einer Walzmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zunächst ein Einstechwalzprozess an einem Ende eines zu profilierenden Werkstückbereichs unter radialer Zustellung (11) der Walzscheibe (4) zum Werkstück (5) durchgeführt wird,
    dann ein Durchschubwalzprozess von dem einen Ende des zu profilierenden Werkstückbereichs bis zu einem anderen Ende des zu profilierenden Werkstückbereichs unter axialer Zustellung des Werkstücks (5) zum Walzwerkzeug oder unter axialer Zustellung (8) des Walzwerkzeugs zum Werkstück, und dass
    schließlich ein Anfaswalzprozess am anderen Ende des zu profilierenden Werkstückbereichs zum Herstellen eines Profileinlaufs (7), insbesondere einer Einfädelfase am Werkstück (5), unter weitergehender radialer Zustellung (11) des Walzwerkzeugs zum Werkstück (5) erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass beim Einstechwalzprozess zumindest der Einlaufbereich (2) und ein Kalibrierbereich (3), bevorzugt auch ein Entlastungsbereich (4) der Walzmaschine mit dem Werkstück (5) kämmen, wobei der Kalibrierbereich (3) zumindest einen Teil eines Mittelabschnitts des Profils und gegebenenfalls der Entlastungsbereich (4) einen Profilauslauf (6) des Werkstücks (5) formen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchschubwalzprozess eine axiale Vorschubgeschwindigkeit so ausgelegt ist, dass mindestens ein Kalibrierkontakt eines jeden vom Einlaufbereich (2) umgeformten Profilpunktes am Werkstück (5) mit dem Kalibrierbereich (3) erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass beim Anfaswalzprozess der Entlastungsbereich (4) der Walzmaschine mit dem Werkstück (5) kämmt und den Profileinlauf (7) des Werkstücks (5) formt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Profillänge, insbesondere eine vollständige Verzahnungslänge der Steckverzahnung des Werkstücks (5) breiter ist als eine Breite einer das Profil ausbildenden Walzscheibe (1) des Walzwerkzeugs.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass das wellen- oder hohlwellenförmige Werkstück (5) eine Wellenschulter (9) aufweist und dass der Einstechwalzprozess direkt unterhalb der Wellenschulter (9) durchgeführt wird.
  11. Wellen- oder hohlwellenförmiges Werkstück (5) mit einer Wellenschulter (9) und mit einem aufwerfungsfreien längsgerichteten Profil, insbesondere einer Steckverzahnung, auf einem profilierten Abschnitt (12) neben der Wellenschulter (9),
    wobei das aufwerfungsfreie längsgerichtete Profil einen an die Wellenschulter (9) angrenzenden Profilauslauf (6), einen an den Profilauslauf (6) anschließenden Mittelabschnitt und einen an den Mittelabschnitt anschließenden, von der Wellenschulter (9) entfernten Profileinlauf (7) umfasst,
    wobei der Profileinlauf (7) mit einer Einfädelfase versehen ist und der Profilauslauf (6) mit einer Profilabflachung versehen ist,
    und wobei der profilierte Abschnitt (12) und die angrenzende Wellenschulter (9) aus einem Stück gefertigt sind und der Profilauslauf (6) mit einem Abstand zur Wellenschulter (9) kleiner als 3 mm, bevorzugt kleiner als 2 mm, weiterhin bevorzugt zwischen 0,5 mm und 1 mm, bis an die Wellenschulter (9) ausgeprägt ist.
  12. Wellen- oder hohlwellenförmiges Werkstück (5) nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einfädelfase und die Profilabflachung zumindest abschnittsweise gleichartig ausgebildet sind, etwa mit einem gleichen Winkel in Bezug auf den Mittelabschnitt oder mit einem gleichartigen Radius.
  13. Wellen- oder hohlwellenförmiges Werkstück (5) nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt kalibriert ausgebildet ist und einen über die Länge gleichen Profilquerschnitt aufweist.
  14. Wellen- oder hohlwellenförmiges Werkstück (5) nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass der profilierte Abschnitt (12) länger als 10 cm, bevorzugt länger als 20 cm ausgebildet ist.
  15. System mit einer Walzmaschine zum Walzen eines längsgerichteten Profils nach einem der Ansprüche 1 bis 4, und einem wellen- oder hohlwellenförmigen Werkstück (5), insbesondere nach einem der Ansprüche 11 bis 14.
  16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Entlastungsbereiches (4) so gewählt ist, dass ein vorgegebener Abstand des voll ausgeprägten Profils zu einer angrenzenden Wellenschulter (9) eingehalten wird.
  17. System nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlauf- und Kalibrierbereich (2, 3) ausgebildet sind, um zusammen eine Radialkraft beim Einstechwalzprozess auszuüben, welche eine kritische Kraft nicht überschreiten, die entweder die Belastungsgrenze der Maschine darstellt oder aber zu einer unzulässigen Querschnittsänderung des Werkstückes (5) führt.
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