Verfahren zur Erzeugung von Profilierungen von zylindrischen Werkstücken
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 10.
Das Aufbringen einer axialen Profilierung auf die Oberfläche eines zylindrischen Werkstückes kann beispielsweise mittels Kaltwalzverfahren erfolgen. So ist aus der DE 1 138 369 bekannt, Profilrollen auf einer Kreisbahn oder angenäherten Kreisbahn radial auf das Werkstück in schlagenden Eingriff zu bringen und durch axialen Vorschub des Werkstückes die gewünschte Profilierung zu erzeugen. Allerdings werden bedingt durch die Bahnkurve der Profilrollen beim Eingriff in das Werkstück bogenförmige Längskonturen erzeugt, welche abhängig von der Grosse der Bahndurchmesser stärker oder schwächer ausfallen, aber immer vorhanden sind und ihrerseits die Genauigkeit der zu erzeugenden Verzahnung erheblich beeinträchtigen können. Dieser Effekt soll gemäss dem zitierten Dokument durch eine zusätzliche, überlagerte radiale Bewegung verringert werden. Allerdings wird dies durch einen verhältnismässig grossen konstruktiven Aufwand der entsprechenden Umformmaschine erkauft. Ein weiterer bedeutender Nachteil dieses
Kaltumformverfahrens mittels Profilrollen besteht darin, dass die Erzeugung eines Profils an einem zylindrischen Werkstück mit Schulter nicht dicht an die Schulter heran ausgeführt werden kann. Bedingt durch die Kreisbahn der
Profilrollen verbleibt zwischen dem Ende der möglichen Profilierung und der Schulter ein bestimmter Abschnitt auf dem Werkstück, welcher nicht bearbeitet werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand nun darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, welche eine besonders genaue Profilierung von zylindrischen Werkstücken mit einer konstanten Profilgeometrie, auch bis dicht an einen Schulterbereich heran, erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit dem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der weiteren Ansprüche 2 bis 9.
Vorteilhaft wird beim erfindungsgemässen Verfahren zum kaltumformenden Profilieren von zylindrischen Werkstücken radial zur Werkstückachse auf die Mantelfläche des Werkstückes schlagartig hämmernd mindestens ein Profilierungswerkzeug in Eingriff gebracht, wobei das Profilierungswerkzeug mindestens die Länge des zu erzeugenden Profils in Axialrichtung des Werkstückes aufweist. Damit kann in einem einzigen Arbeitsgang die gesamte Länge des Profils erzeugt werden. Dies führt einerseits zu einer hohen Genauigkeit der Geometrie des Profils insbesondere in Bezug auf die Längsachse des Werkstückes und andererseits kann das Profilierungswerkzeug bis dicht an eine allfällige Schulter des Werkstückes positioniert werden und damit eine Profilierung bis dicht an diese Schulter heran ausgeführt werden.
Vorzugsweise werden jeweils mindestens zwei einander radial gegenüberliegend angeordnete Profilierungswerkzeuge
eingesetzt. Diese sind vorzugsweise miteinander in Bezug auf die Radialbewegung synchronisiert angetrieben. Damit kann eine optimale Kraftverteilung und -einleitung gewährleistet werden. Vorzugsweise wird das Profilierungswerkzeug jeweils in einem Eingriffsvorgang parallel in Bezug auf die Längsachse des Werkstückes in eine einstellbare Tiefe radial bei gleichzeitiger überlagerter oszillierender Bewegung in die Mantelfläche vorgetrieben. Damit wird eine genaue Geradverzahnung in Bezug auf die Längsachse des Werkstückes erreicht und das Profil auf der ganzen Länge in einem Arbeitsgang erzeugt.
Vorzugsweise wird das Werkstück intermittierenden rotiert, und zwar derart, dass der gewünschte Profilabstand resp. Teilungsabstand erzielt wird. Damit kann eine genaue Verzahnungsgeometrie erzeugt werden.
Vorzugsweise wird dabei die Werkstückrotation während des Eingriffs des Profilierungswerkzeuges praktisch gestoppt oder zumindest stark verlangsamt. Indem das Werkstück praktisch stillsteht während dem Eindringen und Ausfahren des Werkzeuges wird eine exakte Geometrie der Profilierung erzeugt, welche der Geometrie des Werkzeuges entspricht.
Vorzugsweise ist dabei der Hub der Oszillationsbewegung grösser als die Profiltiefe des zu erzeugenden Profils. Damit wird bei jedem Hub das Profilierungswerkzeug vollständig aus der Profilkontur des erzeugten Profils des Werkstückes herausgefahren. Damit ist ein freies Verdrehen des Werkstückes zwischen zwei Profilierungsvorgängen möglich. Vorzugsweise ist der Hub maximal 10% grösser als
die grösste maximal zu erzeugende Profiltiefe. Der Hub soll zur Verminderung der durch die oszillierende Bewegung der Profilierungswerkzeuge auftretenden Massenkräfte so klein wie nötig gehalten werden. Idealerweise wird daher der Hub derart gewählt, dass er nur wenig grösser als die zu erzeugende Profiltiefe ist.
Vorzugsweise wird das Profilierungswerkzeug während der Rotation des Werkstückes radial in Bezug auf das Werkstück um einen einstellbaren Wert zugestellt, bis die endgültige Profiltiefe am ganzen Umfang des Werkstückes erreicht ist. Damit können auch breite und tiefe Profilierungen selbst in Vollkörpern schnell und genau hergestellt werden.
Vorzugsweise wird das Werkstück für das Ein- resp. Ausfahren aus der Bearbeitungsstellung axial zugeführt resp. ausgefahren. Axial wird das Werkstück lediglich vor resp. nach der Bearbeitung in der Vorrichtung zugeführt resp. ausgefahren.
Vorteilhaft kann das Profilierungswerkzeug mit über 1000 Schlägen pro Minute, vorzugsweise über 1500 Schlägen pro Minute, betrieben werden. Damit können sehr hohe
Produktionsraten erzielt werden, was gerade für die Massenproduktion in der Automobilindustrie von grossem Vorteil ist.
Vorzugsweise wird als Werkstück ein Vollzylinder oder ein Hohlzylinder auf einem profilierten oder unprofilierten
Dorn bearbeitet. Neben Vollwerkstücken können vorteilhaft auch Hohlkörper sehr effizient bearbeitet werden. In letzterem Falle werden diese Hohlkörper auf entsprechend
profilierten resp. unprofilierten Dornwerkzeugen zur Bearbeitung aufgenommen.
Weiter wird die Aufgabe erfindungsgemäss durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 10 gelöst. Weitere, bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung ergeben sich erfindungsgemäss aus dem Merkmal des weiteren Anspruches 11.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung mindestens einen Werkzeugträger resp. Werkzeughalter, einen demgegenüber verschiebbar ausgebildeten Werkstückhalter für das Werkstück und einen Antrieb zur Rotation des Werkstückhalters resp. des Werkstückes um seine Längsachse auf, wobei weiter der Werkzeughalter einen Exzenterantrieb aufweist, welcher mit einem das Profil und mindestens die Länge der zu erzeugenden Profilierung aufweisendes Schlag- resp. Prägewerkzeug wirkverbunden ist. Die Wirkverbindung ist derart realisiert, dass das Schlag- resp. Prägewerkzeug radial in Bezug auf das Werkstück zustellbar ist. Damit werden Schlagvorgänge des Werkzeuges radial auf das Werkstück ausgeführt, ohne dass ein Längsvorschub des Werkstückes in Bezug auf das Werkzeug stattfindet.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung mindestens zwei, einander in Bezug auf die Längsachse des Werkstückes gegenüberliegend angeordnete Schlag- resp. Prägewerkzeuge auf. Dies ist insbesondere in Bezug auf die Krafteinleitung und -abstützung eine ideale Anordnung. Damit kann eine radiale Zustellung der Werkzeuge in Bezug auf die Längsachse des Werkstückes erfolgen und die gewünschte Profiltiefe eingestellt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren noch näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 schematisch den Längsschnitt durch den Bearbeitungsbereich einer erfindungsgemässen Vorrichtung; Fig. 2 schematisch den Querschnitt durch den Bearbeitungsbereich nach Figur 1.
Figur 1 zeigt schematisch den Längsschnitt durch den Bearbeitungsbereich einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit dem zu bearbeitenden Werkstück 1. Das Werkstück 1 ist hier beispielsweise als zylindrischer Vollkörper dargestellt, wobei der mit einer Profilierung zu versehende vordere Bereich 2 durch eine Schulter 3 vom einen grösseren Durchmesser aufweisenden hinteren Bereich 4 getrennt ist.
Radial zur Achse A des Werkstückes 1 zustellbar resp. bewegbar sind zwei einander gegenüberliegende Werkzeuge 5 jeweils in einem Werkzeughalter 6 angeordnet. Die Werkzeuge 5 weisen hier vorteilhaft eine etwas grössere Länge auf als die am Werkstück 1 auszubildende Profilierung 7.
Für das Erzeugen der Profilierung 7 werden nun die beiden Werkzeuge 5 vorteilhaft synchron gegen das Werkstück 1 in Pfeilrichtung X in Eingriff gebracht und dringen dabei entsprechend der Zustelltiefe in die Oberfläche resp. Mantelfläche des Werkstückes 1 ein. Die Werkzeuge 5 führen dabei eine oszillierende Bewegung h aus, welche der Bewegung X durch Exzenter im resp. hinter dem Werkzeughalter 6 überlagert werden können. Der Übersichtlichkeit halber sind diese Exzenter, welche im
resp. hinter dem Werkzeughalter 6 in üblicher Weise angeordnet sind, in den Figuren nicht dargestellt.
Da zwischen dem Werkstück 1 und den Werkzeugen 5 lediglich eine radiale Bewegung stattfindet, können die Werkzeuge 5 sehr dicht an die Schulter 3 heran positioniert werden und entsprechend die Profilierung 7 bis dicht an die Schulter 3 heran ausgebildet werden.
In Figur 2 ist noch schematisch der Querschnitt durch den Bearbeitungsbereich von Figur 1 dargestellt. Hier ist die in Bezug auf die Längsachse A des Werkstückes 1 symmetrische Anordnung der Werkzeuge 5 besonders deutlich sichtbar. Wenn die beiden Werkzeuge 5 synchron zueinander gleichzeitig radial in das Werkstück 1 eingreifen, erfolgt eine optimale Krafteinleitung und Abstützung durch die beiden Werkzeughalter 6. Durch schlagendes Eingreifen der Werkzeuge 5 mit dem Hub h, mit vorteilhaft jeweils gesteigerter Eindringtiefe in Richtung X wird schliesslich die Profilierung 7 gleichzeitig auf der gesamten Länge des Werkstückes 1 entsprechend der Form der Werkzeuge 5 erzeugt.
Neben der schlagenden radialen Bewegung der Werkzeuge 5 kann das Werkstück 1 um seine Längsachse A rotiert werden. Vorzugsweise wird hier eine in Bezug auf die Bewegung der Werkzeuge 5 abgestimmte, intermittierende Rotationsbewegung in Richtung des Pfeils um die Achse A ausgeführt. D.h. dass während des Eindringvorganges der Werkzeuge 5 das Werkstück 1 still steht und nach der Ausfahrphase jeweils um eine Profilteilung weiter rotiert wird. Damit kann eine verzahnungsartige Profilierung 7 entlang des gesamten
Umfanges des Werkstückes 1 hergestellt werden. Während das Werkstück 4 mit mehreren Umdrehungen intermittierend um die Achse A rotiert, dringen die Werkzeuge 5 in radialer Richtung X bei gleichzeitiger oszillierender Bewegung h in das Werkstück 4 ein, bis die volle Profiltiefe t am ganzen Umfang des Werkstückes 4 erreicht ist.
Der Antrieb der Werkzeuge 5 in den Werkzeughaltern 6 kann in bekannter Weise mittels einem mechanischen Exzenterantrieb und Parallelführung der Werkzeuge 5 erfolgen, wodurch die oszillierende Bewegung h erzeugt wird. Jeder Exzenterantrieb kann beispielsweise jeweils über einen eigenen Elektromotor angetrieben sein, was eine elektronische Synchronisation der einander gegenüberliegenden Werkzeuge 5 ermöglicht. Selbstverständlich können die beiden Werkzeuge 5 auch über ein mechanisches Getriebe mit einem gemeinsamen Antrieb verbunden sein.
Typischerweise können die Werkzeuge mit einer Schlaggeschwindigkeit von über 1000 Schlägen pro Minute betrieben werden, vorzugsweise sogar mit über 1500 Schlägen pro Minute. Dabei können die Werkzeuge beispielsweise bei jeder Werkstückumdrehung in radialer Richtung jeweils um etwa 0.5 mm zugestellt werden, bis die gewünschte Profiltiefe erreicht ist. Anstelle von Vollteilen 1, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, können selbstverständlich auch Hohlteile bearbeitet werden.
Neben dem Vorteil, bis dicht an die Schulter 3 der Werkstücke 1 heran eine Profilierung 7 ausführen zu können,
wird auch eine höhere Produktionsrate erzielt, da die gesamte Länge der Profilierung 7 ohne Längsvorschub des Werkstückes 1 hergestellt wird. Weiter wird auch eine grössere Präzision in Bezug auf die Geometrie der Profilierung 7 erreicht, da keine bogenförmigen
Längskonturen durch Profilrollen erzeugt werden und kein Längsvorschub der Werkzeuge 5 in Bezug auf das Werkstück 1 auftritt. Damit wird insbesondere eine genauere Zahnflanke der Profilierung 7 im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren erreicht.