WO2005016569A1 - Verfahren zum herstellen einteiliger hohlkörper, hohlkörper und verwendung des hohlkörpers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper aus einem rohrförmigen Werkstück (1), insbesondere Hohlwellen, mit zumindest einem stufenförmigen Absatz, wobei in einem ersten Schritt an dem rohrförmigen Werkstück (1) mindestens ein konischer Bereich ausgebildet wird, welcher einen ersten Werkstückabschnitt mit einem grösseren Durchmesser mit einem zweiten Werkstückabschnitt mit einem kleineren Durchmesser verbindet, und in einem zweiten Schritt mindestens ein Bereich des Werkstücks (1) umgeformt wird. Um ein derartiges Verfahren zu schaffen, das mit grösserer Flexibilität in der Formgebung und Fertigungsfolge einen anwendungsoptimierten Hohlkörper (1) zu geringeren Herstellungskosten ermöglicht, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass zumindest in dem zweiten Schritt der Umformvorgang ein Drückwalzen, Reduzieren, Aufdicken oder Abfahren der Kontur oder eine Kombination dieser Schritte ist, wobei der umgeformte Bereich während des Umformvorganges gekühlt wird.

Description

BESCHREIBUNG

Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper, Hohlkörper und Verwendung des Hohlkörpers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper aus einem rohrförmigen Werkstück, insbesondere Hohlwellen, mit zumindest einem stufenförmigen Absatz, wobei in einem ersten Schritt an dem rohrförmigen Werkstück mindestens ein konischer Bereich ausgebildet wird, welcher einen ersten Werkstückabschnitt mit einem größerer! Durchmesser mit einem zweiten Werkstückabschnitt mit einem kleineren Durchmesser verbindet, und in einem zweiten Schritt mindestens ein Bereich des Werkstücks umgeformt wird. Sie betrifft weiterhin einen Hohlkörper und die Verwendung des Hohlkörpers.

Hohle Antriebswellen werden zunehmend im Automobilbau verwendet, da sie infolge ihres gegenüber Vollwellen geringeren Gewichtes einen Beitrag liefern, den durch Maßnahmen im Komfort- und Sicherheitsbereich herbeigeführten Gewichtszuwachs zu einem Teil zu kompensieren. Darüber hinaus besitzt die hohle Antriebswelle die Möglichkeit, bei entsprechender geometrischer Abstimmen zur Komfortverbesserung beizutragen. Häufig wird die Monoblock-Hohlwelle aufgrund ihrer kostengünstigeren Herstellung und der zunehmenden Komfort- Anforderungen bei Neu- Applikationen der 3 -teiligen, nur im mittleren Bereich rohrförmigen, Hohlwelle vorgezogen.

Mitunter problematisch ist hierbei, dass die Monoblock-Hohlwelle bei gleicher adaptierter Gelenkgröße weder statisch noch dynamisch das Drehmomentübertragungspotential der 3- teiligen Hohlwelle erreicht. Verbesserungen wären durch die Anformung dickwandigerer Verzahnungsbereiche an den Wellenenden möglich, jedoch würde mit einer derartigen Maßnahme der Kostenvorteil nicht unwesentlich schrumpfen.

In der DE 30 09 277 C2 ist eine Antriebswelle beschrieben, bei der abgestuft von der Mitte zu den Enden der Durchmesser geringer und die Wandstärke größer wird. Die Endbereiche sind mit einer Längsverzahnung versehen. Bei dieser Ausführung der Kraft-/Momenteneinleitung treten unter Last hohe Spannungsspitzen auf. Das in der DE 101 29 671 AI beschriebene "Verfahren zur Herstellung gezielter Werkstoffanhäufungen an hohlen Wellen" betrifft die Herstellung eines Wellenbundes mit lokal erhöhter Wandstärke durch Rundkneten und Stauchen.

Aus der DE 40 22 692 C2 ist eine Hohlwelle bekannt, bei der der mittlere Rolirbereich auf eine reduzierte Wandstärke gehämmert und/oder abgestreckt und ggf. hydraulisch aufgeweitet wird. Die Endbereiche werden durch Hämmern, Schmieden oder Pressen angeformt.

In der DE 100 05 578 AI wird ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers mit einem stufenförmigen Absatz aus einem rohrförmigen Werkstück beschrieben, bei dem an dem rohrförmigen Werkstück zunächst ein konischer Bereich ausgebildet wird, der gezielt erwärmt wird. Anschließend wird auf das Werkstück eine axiale Stauchkraft ausgeübt, so daß der erwärmte konische Bereich gestaucht und zu dem stufenförmigen Absatz geformt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das mit größerer Flexibilität in der Formgebung und Fertigungsfolge einen anwendungsoptimierten Hohlkörper zu geringeren Herstellungskosten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper gemäß dem Oberbegriff gelöst, wobei zumindest in dem zweiten Schritt der Umformvorgang ein Drückwalzen, Reduzieren, Aufdicken oder Abfahren der Kontur oder eine Kombination dieser Schritte ist, wobei der umgeformte Bereich während des Umformvorganges gekühlt wird.

Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, daß entgegen der Lehre der DE 100 05 578 AI statt eines Erwärmens des Werkstücks während des Umformvorganges ein Kühlen desselben mittels Kühlflüssigkeit. z.B. mittels eines Wasser-Öl-Kühlschmiermittels, zu einer deutlich besseren Qualität des Endproduktes führt. Eine fortwährend starke Kühlung während der einzelnen Umformungen hat für eine nachfolgende Wärmebehandlung (Härten) den Vorteil, daß infolge der großen Anzahl der durch die Kaltverformung erzeugten Versetzungen im Kristallgitter ein sehr feinkörniges Gefüge mit gutem Fatigue- Verhalten entsteht. Bei der beschriebenen Vorgehensweise, die mit allen kaltumformbaren Werkstoffen möglich ist, kann ein Einlaufwinkel des konischen Bereichs von 45° und mehr erreicht werden. Bei Stahl als Werkstoff sind Durchmesserdifferenzen bis 60 % des Ausgangsdurchmessers möglich. Die erf dungsgemäße Vorgehensweise ist zudem wesentlich kostengünstiger als herkömmliche Verfahren.

Es ergibt sich eine Verbesserung der Produktqualität, nämlich ein höheres Drehmomentübertragungspotential durch die Möglichkeit der wirtschaftlichen Herstellung dickwandiger Verzahnungsbereiche, eine verbesserte Oberflächenqualität (außen und innen) sowie größere Freiheiten beim Design von Übergängen. Weiterhin bringt die erfindungsgemäße Vorgehensweise Verbesserungen in fertigungstechnischer Hinsicht, wie ein kontinuierlicher Materialfluß während der Kaltumformung, eine geringere Anzahl von Operationen, eine geringe Anzahl unterschiedlicher Werkzeuge und hohe Standzeiten der Werkzeuge, welche zudem vielfach auf einfachste Weise nachgearbeitet werden können, mit sich. Hinsichtlich der Kostensituation liegen die Vorteile der Erfindung im wesentlichen in einem geringeren Investment, in geringeren Stückkosten und in der Tatsache, daß keine Lärmschutzeinhausung erforderlich ist.

Wie oben dargelegt wurde, kann der Umformvorgang ein Drückwalzen, Reduzieren, Aufdicken oder Abfahren der Kontur oder eine Kombination dieser Schritte sein.

Bei dem Reduzieren wird das Material verdrängt und es ergibt sich ein Längenwachstum; bei dem Aufdicken wird das Längenwachstum gezielt behindert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, durch Verdrängen bzw. gezieltes Aufstauen des Materials in Längsrichtung eine relativ variable Formgebung hinsichtlich der jeweiligen Materialstärke und Kontur vorzunehmen.

Dadurch, daß die Umformvorgänge mit Drückrollen erfolgen, kann mit einer geringen Zahl von Werkzeugen ein breites Spektrum von Umformvorgängen vorgenommen werden.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß in einem weiteren Schritt ein Prägen der Enden erfolgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Werkstück während der drei Schritte in einem jeweils nicht bearbeiteten Bereich eingespannt ist.

Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, daß während der drei Schritte jeweils ein Dorn in den bearbeiteten Bereich des Werkstücks eingebracht ist.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden gerollte, lasergeschweißte Rohre als Halbzeug verwendet.

Ebenso ist es erfindungsgemäß, daß das rohrförmige Werkstück aus einem Vergütungs- oder Einsatzstahl besteht.

Hieraus resultieren Verbesserungen im technischen wie auch im wirtschaftlichen Bereich : kontinuierlicher Verlauf der Umformung und somit des Materialflusses über den Querschnitt und in Längsrichtung verbesserte Oberflächenqualität am Außenumfang (keine Riefen und Scharten) wie auch am Innenumfang (bei starker Reduktion: geringere Fältelung, keine Materialausquetschung in den Ecken sich ausbildender Polygone) Wanddickenunterschiede eines Hohlkörperrohlings werden besser ausgeglichen größere Freiheiten beim Design von Übergängen und Absätzen einfache Erzeugung dick-/dünnwandiger Hohlkörper insbesondere bei außen zylindrischen Hohlkörpern infolge starker Kühlung während der Kaltumformung Bildung eines sehr feinkörnigen Gefüges nach einer Rekristallisation oder dem Härten (sehr gute Fatigue-Eigenschaften) geringere Anzahl von Operationen geringeres Investment geringerer Platzbedarf geringerer Energieverbrauch geringerer Personalbedarf wenige unterschiedliche, einfache Werkzeuge mit hohen Standzeiten und einfacher Aufarbeitung -> wesentlich geringere Werkzeugkosten wesentlich geringerer Geräuschpegel, so daß eine Lärmschutzeinhausung der Anlage nicht erforderlich ist.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Hohlkörper mit mindestens einem profilierten Endbereich, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Ein derartiger Hohlköper kann in zahlreichen Bereichen eingesetzt werden.

Schließlich ist auch eine Verwendung des Hohlkörpers als Antriebswelle, als Halbzeug für die weitere Verformung, insbesondere durch Hämmern, oder als Konstruktionselement, insbesondere Spaceframe-Komponente erfindungsgemäß.

Nachfolgend wird ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 bis

Fig. 3 die einzelnen Verfahrensschritte zur Erstellung einer Antriebswelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird als Ausgangsprodukt ein Laser-geschweißtes, induktiv geschweißtes oder nahtloses Rohr 1 verwendet, das beispielsweise aus einem Vergütungsoder Einsatzstahl besteht.

In einem ersten Bearbeitungsschritt (Fig. 1) wird das Rohr 1 in seinem mittleren Bereich mittels DrüclcroUen A auf den gewünschten Außendurchmesser die gewünschte Wanddicke abgestreckt, wobei im vorliegenden Fall ein Dorn 3 in den Innenbereich des Rohres 1 eingebracht ist. Ebenso ist ein Drückwalzen ohne Dorn 3 möglich. Vorteilhafterweise werden drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Drückrollen A verwendet. Während dieses Vorganges wird der Außendurchmesser im abgestreckten Bereich reduziert, während der Außendurchmesser in den übrigen Bereichen unverändert bleibt. Die Verlängerung des Rohres 1 beträgt nun:

DL= LQ ((AHKθ/AHKabgestr) "!)■ Es liegt also als Halbzeug ein Rohr 1 mit dünner Wandstärke im mittleren Bereich und dickerer Wandstärke in den Endbereichen vor.

Im zweiten Verfahrensschritt wird das Rohr 1 im mittleren Bereich gespannt und die Endbereiche mit Drückrollen (B, C) in angetriebenen Rollköpfen reduziert (Fig. 2). Dabei wird das Ende des Hohlkörpers im ersten Vorgang gemäß Fig. 2 rechte Seite eingerollt und der regelbare, variable Längenwachstumsbegrenzer an das Ende der eingerollten Sektion gefahren. Darauf wird der Endbereich des Hohlkörpers von seinem Ende her in axialer Richtung mittels der Drückrolle(n) (B, C) im angetriebenen Rollkopf z.B über einen eingeschobenen Dorn reduziert und ggf. aufgedickt. In einer letzten Überfahrung durch die Drückrolle(n) (B, C) kann dann eine gewünschte Außenkontur gerollt werden.

Vorteilhafter Weise werden beide Endbereiche des Hohlkörpers gleichzeitig bearbeitet, was bei geeigneter Ausfuhrung zu einer Drehmomenten-Neutralisierung in der Einspannung des Hohlkörpers in seinem mittleren Bereich führt. Während der Reduziervorgänge ist im vorliegenden Beispiel in die Endbereiche jeweils ein Dorn 4 eingebracht. Während des Umformens wird das Werkstück gekühlt.

Wird der Längsfluß des Materials durch seitliche variable Begrenzungen 8 (Fig. 2) am Längsfluß behindert, so können die Endbereiche in der Wandstärke auch aufgedickt werden. Anschließend wird der (reduzierte) Endbereich über einen Dorn 4 ggf. in die endgültige Kontur drückgewalzt.

Ein dritter Verfahrensschritt (Fig. 3) besteht darin, daß der reduzierte, konturierte und ggf. aufgedickte Endbereich mittels nur radial beweglicher Prägerollen (D, E) in einem angetriebenen Rollkopf (D, E) über einen Dorn 4 mit einem oder mehreren axialen Längsanschlägen und sehr eng tolerierten Zapfen versehen wird. Hierbei bleibt das Rohr 1 mittels der Einspannung 2 mittig fixiert. Nach dem Entfernen der Dome können dann insbesondere in den Endbereichen in bekannter Weise noch weitere Bearbeitungsschritte erfolgen, wie spanende Bearbeitung, Ablängung, Einstechen von Nuten bzw. Aufziehen eines Profils.

Zumindest während des zweiten, vorzugsweise aber wälirend aller Umformschritte wird das Werkstück intensiv mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise einem Öl-Wasser- Kühlschmiermittel gekühlt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen einteiliger Hohlkörper aus einem rohrförmigen Werkstück, insbesondere Hohlwellen, mit zumindest einem stufenförmigen Absatz, wobei in einem ersten Schritt an dem rohrförmigen Werkstück mindestens ein konischer Bereich ausgebildet wird, welcher einen ersten Werkstückabschnitt mit einem größeren Durchmesser mit einem zweiten Werkstückabschnitt mit einem kleineren Durchmesser verbindet, und in einem zweiten Schritt mindestens ein Bereich des Werkstücks umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, zumindest in dem zweiten Schritt der Umfangvorgang ein Drückwalzen, Reduzieren, Aufdicken oder Abfahren der Kontur mittels Drückrollen oder eine Kombination dieser Schritte ist, wobei der umgeformte Bereich während des Umformvorganges gekühlt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt ein Prägen der Enden erfolgt.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück während der drei Schritte in einem jeweils nicht bearbeiteten Bereich eingespannt ist.

4. Verfahren gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der drei Schritte jeweils ein Dom in den bearbeiteten Bereich des Werkstücks eingebracht ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gerollte, lasergeschweißte Rohre als Halbzeug verwendet werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Werkstück aus einem Vergütungs- oder Einsatzstahl besteht.

7. Einteiliger Hohlkörper, der gemäß den Ansprüchenl bis 6 hergestellt ist.

8. Verwendung des Hohlkörpers gemäß Anspruch 7 als Antriebswellen.

9. Verwendung des Hohlkörpers nach Ansprach 7 als Halbzeug für die weitere Verformung, insbesondere durch Hämmern.

10. Verwendung des Hohlkörpers gemäß Anspruch 7 als Konstruktionselement, insbesondere als Spaceframe-Komponenten.