WO2019020619A1

WO2019020619A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung einer verzahnung an einem zylindrischen werkstück

Info

Publication number: WO2019020619A1
Application number: PCT/EP2018/070028
Authority: WO
Inventors: Jürgen Schmid; Rolf Ziller; Markus Duda; Martin Straubmüller
Original assignee: Mag Ias Gmbh
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2019-01-31
Also published as: DE102017116895A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (20) zur Herstellung einer Verzahnung (21) an einem zylindrischen und insbesondere hohlzylindrischen Werkstück (22). Ein Umformwerkzeug (27) mit einem Umformprofil (31) wird während einer ersten Abwälzbewegung in einer ersten Abwälzrichtung U1 gegen das Werkstück (22) gedrückt, wodurch ein erster Axialabschnitt a1 der Verzahnung (21) hergestellt wird. Anschließend wird unter Aufrechterhaltung des Kontakts zwischen dem Umformwerkzeug (27) und dem Werkstück (22) eine zweite Abwälzbewegung zum Umformen eines zweiten Axialabschnitts a2 der Verzahnung (21) durchgeführt und zwar in eine zweite Abwälzrichtung U2, die entgegengesetzt der ersten Abwälzrichtung U1 ist. Gleichzeitig zu der zweiten Abwälzbewegung und jeder weiteren Abwälzbewegung wird jeweils eine Axialbewegung zwischen dem Umformwerkzeug (27) und dem Werkstück (22) in eine Axialrichtung A parallel zur Längsachse L des Werkstücks (22) ausgeführt. Die Anzahl der Abwälzbewegungen mit jeweils überlagerter Axialbewegung hängt von der Anzahl der herzustellenden Axialabschnitte a1, a2,…, an ab.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Verzahnung an einem zylindrischen Werkstück

Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Pa- tentanmeldung DE 10 2017 1 16 895.8 in Anspruch, deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an einem zylindrischen Werkstück und insbesondere an einem hohlzylindri- sehen Werkstück.

Zur Herstellung einer Verzahnung an einem Werkstück sind sogenannte Walzverfahren oder Rollverfahren bekannt. Dabei wird ein Umformwerk- zeug mit einem Umformprofil verwendet, das entsprechend der herzustel- lenden Verzahnung ausgestaltete Profilzähne aufweist. Durch das Anpressen der Profilzähne an die Oberfläche des Werkstücks und Abrollen oder Abwälzen des Werkstücks am Umformprofil wird die Verzahnung hergestellt. Die Walzvorrichtung aus DE 100 28 165 AI weist ein Umformwerkzeug aus drei Walzstangen auf, die in Radialrichtung relativ zueinander bewegbar sind. Das Werkstück kann abwechselnd zwischen zwei der drei Walzstangen eingelegt und umgeformt werden. Dadurch sollen Stillstandszeiten während der Produktion verringert werden.

EP 0 296 594 A2 beschreibt eine Vorrichtung mit Roll- oder Walzwerkzeugen zum Umformen des Werkstücks. Die Rollwerkzeuge werden zur Ausrichtung mit Markierungen versehen. Beim Einlegen eines Masterwerkstücks können die Rollwerkzeuge zueinander ausgerichtet werden, wobei die Markierungen eine vorgegebene Deckungsstellung einnehmen. Bei späteren Werkzeugwechseln lässt sich dadurch ein vereinfachtes Ausrichten der Rollwerkzeuge erreichen. Die Vorrichtung nach DE 10 2009 038 813 B4 verwendet einen Walzkopf zum Umformen des Werkstücks, der mehrere in Umfangsrichtung nachfolgend angeordnete profilierte Formwalzen aufweist. Jede Formwalze hat ein Umformprofil. Sie sind derart angeordnet, dass sie bei der Bearbeitung nacheinander in Eingriff mit dem Werkstück gelangen. Um unterschiedli- che axiale Baugrößen der Formwalzen einsetzen zu können, werden entsprechende Justierscheiben bereitgehalten. Mittels der Justierscheiben kann die Position der Formwalzen am Walzkopf in Axialrichtung eingestellt werden. Beim Umformen von Werkstücken aus weichen Materialien oder Hohlkörpern, insbesondere hohlzylindrischen Wellen, zur Herstellung einer Verzahnung können die für das Umformen erforderlichen Kräfte die Sollgeometrie des Werkstücks beeinträchtigen. Beispielsweise können hohlzylindrische Wellen nach dem Herstellen einer Verzahnung durch das Umformen eine Rundheitsabweichung aufweisen, so dass sie im Querschnitt betrachtet keine kreisrunde Geometrie, sondern eine ovale bzw. elliptische Geometrie aufweisen. Solche Rundlaufabweichungen können auch zum Ausschuss des bearbeiteten Werkstücks führen. Bei solchen hohlen oder weichen Werkstücken werden die Verzahnungen häufig durch spanende Bearbeitung hergestellt. Eine solche spanende Bearbeitung ist zeitaufwendig, teuer und verursacht Abfallmaterial. Jedoch werden im Fahrzeugbau immer häufiger Hohlwellen eingesetzt, an denen eine Verzahnung angebracht werden muss. Dadurch soll Gewicht eingespart werden, um den Energieverbrauch des Fahrzeugs zu reduzieren.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die ein effizientes Herstellen einer Verzahnung an einem zylindrischen Werkstück, insbesondere einem hohlzylindrischen Werkstück ermöglicht und die wirkenden Umformkräfte auf das Werkstück reduziert. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst.

Bei dem Verfahren wird eine Verzahnung spanlos durch Umformen er- zeugt. Dazu wird ein Umformwerkzeug mit einem Umformprofil bereitgestellt. Das Umformprofil ist an die herzustellende Verzahnung angepasst. Insbesondere werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Passverzahnung und/oder eine Verzahnung mit sich in einer Axialrichtung des zylindrischen Werkstücks erstre- ckenden Profilzähnen hergestellt. Bei dem zylindrischen Werkstück handelt es sich insbesondere um ein hohlzylindrisches Werkstück mit einer geringen Wandstärke in dem Bereich, indem die Verzahnung hergestellt werden soll. Unter einer geringen Wandstärke ist eine Wandstärke zu verstehen, die kleiner ist als 40% oder als 30% oder als 20% des Außenradius des noch nicht umgeformten zylindrischen Bereich des Werkstücks, an dem die Verzahnung hergestellt werden soll.

Die Verzahnung wird in mehreren aufeinanderfolgenden Umformschritten hergestellt. Zunächst wird eine erste Abwälzbewegung des Werkstücks am Umformwerkzeug in einer ersten Abwälzrichtung ausgeführt. Dabei werden das Umformprofil des Umformwerkzeugs und das Werkstück gegeneinander gedrückt, so dass ein Teil des Materials des Werkstücks umgeformt und ein Axialabschnitt der Verzahnung am Werkstück hergestellt wird. Die axiale Länge dieses Axialabschnitts wird ausreichend klein gewählt, um die auf das Werkstück einwirkende gesamte Umformkraft ausreichend klein zu halten, so dass eine unerwünschte Geometrieveränderung der zylindrischen bzw. hohlzylindrischen Form des Werkstücks vermieden wird. Im Anschluss an die erste Abwälzbewegung wird eine zweite Abwälzbewegung ausgeführt. Bei dieser zweiten Abwälzbewegung wälzt sich das Werkstück am Umformwerkzeug in einer der ersten Abwälzrichtung entgegengesetzten zweiten Abwälzrichtung ab, während das Umformprofil und das Werkstück gegeneinander gedrückt werden. Gleichzeitig zu dieser zweiten Abwälzbewegung wird eine Axialbewegung zwischen dem Werkstück und dem Umformwerkzeug in einer Axialrichtung des Werkstücks ausgeführt. Der zweiten Abwälzbewegung wird daher jeweils eine Axialbewegung überlagert. Durch die überlagerte Bewegung der zweiten Abwälzbewegung mit der Axialbewegung wird ein weiterer Axialabschnitt der Verzahnung durch Umformen des Werkstücks hergestellt, der gegenüber dem ersten Axialabschnitt, der bei der ersten Abwälzbewegung hergestellt wurde, in Axialrichtung entsprechend der Länge der überlagerten Axialbewegung versetzt ist. Die erste Abwälzrichtung kann beispielsweise eine Drehung des Werkstücks im Uhrzeigersinn und die zweite Abwälzrichtung kann beispielsweise eine Drehung des Werkstücks gegen den Uhrzeigersinn (von derselben Beobachtungsstelle ausgesehen) entlang des Umformprofils sein oder um- gekehrt. Es findet sozusagen ein eversierbetrieb bei der Umformung des Werkstücks zur Bildung der Verzahnung statt.

Wenn nach der zweiten Abwälzbewegung ein weiterer Axialabschnitt der Verzahnung hergestellt werden soll, findet nach der zweiten Abwälzbewegung eine dritte Abwälzbewegung in die erste Abwälzrichtung statt, wobei dieser dritten Abwälzbewegung eine Axialbewegung zwischen dem Werkstück und dem Umformwerkzeug überlagert wird. Dabei wird ein weiterer Axialabschnitt der Verzahnung hergestellt.

Abhängig von der gesamten axialen Länge der herzustellenden Verzahnung und der Breite des Umformprofils in Axialrichtung gemessen, kann die Anzahl der zweiten und/oder dritten Abwälzbewegungen variieren. Eine zweite Abwälzbewegung und eine dritte Abwälzbewegung finden ab- wechselnd nacheinander statt, wobei jeweils gleichzeitig eine Axialbewegung ausgeführt wird. Diese mehrmaligen Abwälzbewegungen mit den überlagerten Axialbewegungen werden wiederholt, bis die gesamte Verzahnung über die erforderliche axiale Länge hergestellt ist. Lediglich während der ersten Abwälzbewegung findet zwischen dem

Werkstück und dem Umformwerkzeug keine Relativbewegung in Axialrichtung statt. Die während der wenigstens einen zweiten bzw. wenigstens einen dritten Abwälzbewegung ausgeführte, überlagerte Axialbewegung zwischen dem Werkstück und dem Umformwerkzeug kann gleichzeitig mit dem Beginn der jeweiligen Abwälzbewegung starten und gleichzeitig mit dem Abschluss der jeweiligen Abwälzbewegung enden. Alternativ dazu kann die Dauer der Axialbewegung kürzer gewählt werden als die Dauer der jeweiligen Abwälzbewegung, derart, dass die Axialbewegung zeitlich nach dem Beginn der jeweiligen Abwälzbewegung startet und/oder dass die Axialbewegung zeitlich vor dem Abschluss der jeweiligen Abwälzbewegung endet.

Durch das Umkehren der aufeinanderfolgenden Abwälzbewegungen - sozusagen den eversierbetrieb - und das abschnittsweise Herstellen der Verzahnung können die bei jeder Abwälzbewegung auftretenden Umformkräfte ausreichend klein gehalten werden, so dass eine unerwünschte Formabweichung von der zylindrischen bzw. hohlzylindrischen Form des Werkstücks vermieden und die erforderliche Rundheit eingehalten wird. Außerdem kann durch diesen Reversierbetrieb eine Zahnform der Verzahnung des Werkstücks erhalten werden, die gegenüber bisherigen Umformverfahren eine verbesserte Geometrie und insbesondere eine verbesserte Symmetrie aufweist. Es ist bevorzugt, wenn der Betrag der Axialbewegung während einer zweiten Abwälzbewegung und/oder einer dritten Abwälzbewegung jeweils kleiner oder maximal so groß ist wie eine Breite des Umformprofils in Axialrichtung. Dadurch gehen zwei aufeinanderfolgend hergestellte Axialabschnitte lückenlos ineinander über bzw. werden sozusagen überlappend hergestellt.

Das Umformwerkzeug kann separate Werkzeugteile aufweisen, die beim Umformen von bezüglich der Längsachse des Werkstücks diametral entgegengesetzten Seiten gegen das Werkstück drücken. Jedes Werkzeugteil kann beispielsweise durch eine Flachbacke gebildet sein, wobei sich die beiden Flachbacken zur Erzeugung der Abwälzbewegung des Werkstücks in entgegengesetzte Richtungen linear bewegen. Alternativ hierzu kann jedes Werkzeugteil auch durch eine Rolle oder Walze gebildet sein, die sich um ihre jeweiligen Rollen- bzw. Walzenachsen drehen, um die Abwälzbewegung des dazwischen angeordneten Werkstücks hervorzurufen.

Bevorzugt hat das Umformprofil einen Einlaufbereich, einen Auslaufbe- reich und einen Zentralbereich. Der Zentralbereich befindet sich in der Richtung, in der sich das Umformprofil während der ersten oder zweiten Abwälzbewegung bewegt, zwischen dem Einlaufbereich und dem Auslaufbereich. Im Einlaufbereich und im Auslaufbereich ist die Eingrifftiefe des Umformprofils bzw. der Profilzähne des Umformprofils in das Materi- al des Werkstücks kleiner als im Zentralbereich. Bevorzugt erfolgt das Reversieren zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abwälzbewegungen, während der Zentralbereich in Kontakt ist mit dem umzuformenden Werkstück.

Das vorstehend beschriebene Verfahren kann mit Hilfe einer Vorrichtung ausgeführt werden, die ein Umformwerkzeug mit einem Umformprofil aufweist. Die Vorrichtung verfügt außerdem über eine Werkstückhalteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Werkstück derart zu halten, dass es um seine Längsachse drehbar ist. Mittels einer Achsanordnung, die mehrere Maschinenachsen aufweist, kann eine Relativbewegung bzw. Relativ- ausrichtung der Werkstückhalteeinrichtung und des Umformwerkzeugs ausgeführt bzw. eingestellt werden. Die Achsanordnung ist dazu eingerichtet, das Umformwerkzeug und die Werkstückhalteeinrichtung derart relativ zueinander zu bewegen, dass die erste Abwälzbewegung, die zweite Abwälzbewegung, gegebenenfalls die dritte Abwälzbewegung und die zu der zweiten bzw. der dritten Abwälzbewegung überlagerte Axialbewegung ausgeführt werden. Eine Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Achsanordnung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend anzusteuern. Wie erläutert, kann das Umformprofil des Umformwerkzeugs einen Einlaufbereich, einen Auslaufbereich und einen dazwischen angeordneten Zentralbereich aufweisen. In jedem Bereich ist vorzugsweise eine Mehrzahl von Profilzähnen vorhanden. Die Anzahl der Profilzähne ist im Zent- ralbereich vorzugsweise größer als im Einlaufbereich und im Auslaufbereich. Die Anzahl der Profilzähne ist im Einlaufbereich vorzugsweise größer als im Auslaufbereich. Es ist außerdem bevorzugt, wenn die Zahnkopfenden der Profilzähne im Zentralbereich in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Zahnkopfenden der Profilzähne im Einlaufbereich und/oder im Auslaufbereich sind vorzugsweise mit Abstand zu dieser Ebene angeordnet. Diese Ausgestaltung, die sich auf eine Ausführung des Umformwerkzeugs mit Flachbacken bezieht, kann analog auf ein Umformwerkzeug mit Walzen oder Rollen übertragen werden. Dann erstrecken sich die Zahnkopfenden der Profilzähne im Zentralbereich in einer gemeinsamen Zylin- dermantelfläche und die Zahnkopfenden der Profilzähne im Einlaufbereich bzw. im Auslaufbereich mit Abstand zu dieser gemeinsamen Zylindermantelfläche.

Es ist außerdem bevorzugt, wenn das Umformprofil Profilzähne aufweist, die in Axialrichtung betrachtet zumindest an einem Axialende eine Fase aufweisen. Die Fase kann zu den Zahnflanken der Profilzähne hin eine abgerundete Kante aufweisen. Eine solche Fase kann an allen Profilzähnen vorhanden sein. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert: ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Herstellung einer Verzahnung an einem zylindrischen Werkstück, ein Ausführungsbeispiel eines Umformwerkzeugs mit Rollen oder Walzen zur Umformung des Werkstücks, ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Umformwerkzeugs mit Flachbacken zur Umformung des Werkstücks in einer Seitenansicht, das Ausführungsbeispiel des Umformwerkzeugs aus Figur 3 in einer Darstellung gemäß Linie IV-IV aus Figur 3, eine schematische Darstellung zur Durchführung einer ersten Abwälzbewegung bei der Herstellung einer Verzahnung mittels der Vorrichtung nach Figur 1 , das Durchführen einer zweiten Abwälzbewegung bei der Herstellung der Verzahnung unter Verwendung der Vorrichtung aus Figur 1 , eine schematische, perspektivische Darstellung einer hohlzylindrischen Welle, an der eine Verzahnung durch Umformen hergestellt wurde,

Figur 8 eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführung einer Flachbacke des Umformwerkzeugs, eine weitere Seitenansicht der Flachbacke aus Figur 8 gemäß Pfeil IX in Figur 8, eine Detailansicht eines Bereichs X in einem Umformprofil der Flachbacke aus Figur 8, einen Abschnitt des Umformprofils in einem Einlaufabschnitt der Flachbacke aus Figur 8, eine stark schematisierte Form eines Zahns der am Werkstück hergestellten Verzahnung mit einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik und eine stark schematisierte Form eines Zahnes einer am Werkstück hergestellten Verzahnung unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Figur 1 ist ein stark schematisiertes Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 20 zur Herstellung einer Verzahnung 21 an einem Werkstück 22 veranschaulicht. Bei dem Werkstück 22 handelt es sich insbesondere um ein hohlzylindrisches Werkstück, wie etwa eine Hohlwelle oder ein Hohlwellenabschnitt einer Welle, an dem die Verzahnung 21 durch Umformen hergestellt werden soll. Figur 7 zeigt beispielhaft eine unter Verwendung der Vorrichtung 20 hergestellte Verzahnung 21. Das zylindrische Werkstück 22 erstreckt sich entlang einer Längsachse L. Eine Axialrichtung A ist parallel zur Längsachse L ausgerichtet. In einer Umfangsrichtung U ist das Werkstück 22 drehbar in einer Werkstückhalteeinrichtung 23 gehalten. Die Werkstückhalteeinrichtung 23 kann das Werkstück 22 an einem axialen Endabschnitt oder an entgegengesetzten axialen Seiten halten bzw. abstützen.

Die Vorrichtung 20 weist außerdem ein Umformwerkzeug 27 auf. Bei den hier veranschaulichten Ausführungsbeispielen hat jedes Umformwerkzeug 27 wenigstens zwei Werkzeugteile 28, die bei einem Ausführungsbeispiel durch jeweils eine Walze oder Rolle 29 (Figur 2) oder bei einem anderen Ausführungsbeispiel durch jeweils eine Flachbacke 30 (insbesondere Figuren 3 und 4) gebildet sind. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung 20 werden Flachbacken 30 als Werkzeugteile 28 einge- setzt.

Jedes Werkzeugteil 28 hat ein Umformprofil 31 mit einer Vielzahl von sich in Axialrichtung A erstreckenden Profilzähnen 32. Die Form der Profilzäh- ne 32 ist derart ausgestaltet, dass beim Umformen im Umfangsbereich des Werkstücks 22 die gewünschte Verzahnung 21 entsteht. Die Anzahl der Profilzähne 32 richtet sich nach dem Umfang des Werkstücks 22, an dem die Verzahnung 21 hergestellt werden soll sowie nach der Anzahl der herzustellenden Zähne der Verzahnung 21. Die Vorrichtung 20 weist außerdem eine Achsanordnung 36 mit mehreren Maschinenachsen 37 auf. Jede Maschinenachse 37 kann als lineare oder rotatorische Maschinenachse ausgeführt sein. Es können bis zu sechs Maschinenachsen 37 vorhanden sein. Die Achsanordnung 36 ist dazu eingerichtet, die Werkstückhalteeinrichtung 23 relativ zum Umformwerkzeug 27 zu bewegen und/oder auszurichten. Insbesondere ist die Achsanordnung 36 dazu eingerichtet, die Werkstückhalteeinrichtung 23 und das Umform- werkzeug 27 relativ zueinander in Axialrichtung A zu bewegen, die Werkzeugteile 28 des Umformwerkzeugs 27 radial zur Längsachse L eines in der Werkstückhalteeinrichtung 23 gehaltenen Werkzeugs 22 zu bewegen, und die Werkzeugteile 28 in einer Linearrichtung R zu bewegen. Die Linearrichtung R ist rechtwinklig zur Axialrichtung A ausgerichtet. In Linearrichtung R sind die Profilzähne 32 des Umformprofils 31 nebeneinander angeordnet. Die Linearrichtung R ist bei der schematischen Darstellung der Vorrichtung 20 in den Figuren 1 , 5 und 6 senkrecht zur Zeichenebene orientiert.

Die Vorrichtung 20 hat eine Steuereinrichtung 38, mittels der der Betrieb der Vorrichtung 20 gesteuert oder geregelt wird. Die Steuereinrichtung 38 ist insbesondere dazu eingerichtet, die Achsanordnung 36 zur Bewegung und Positionierung des Werkstücks 22 und des Umformwerkzeugs 27 relativ zueinander zu steuern oder zu regeln.

Um die Position der Werkzeugteile 28 und/oder des Werkstücks 22 be- stimmen zu können, weist die Vorrichtung 20 eine Positionserfassungsein- richtung 38 auf. Dabei kann jeder Maschinenachse 37 ein Positionssensor 39 zugeordnet sein, wobei jeder Positionssensor 39 ein Positionssignal erzeugt und an die Steuereinrichtung 38 übermittelt. Anhand der Positionssignale P kann die Position jedes Werkzeugteils 28 in der Linearrichtung R exakt erfasst werden. In Figur 1 sind beispielhaft drei Positionssensoren 39 veranschaulicht, die jeweils ein Positionssignal P erzeugen. Ein Positionssensor 39 kann auch derart ausgeführt sein, dass er mehrere Freiheitsgrade misst und für jeden gemessenen Freiheitsgrad ein Positionssignal P er- zeugt. Die Anzahl der Positionssensoren 49 kann abhängig von der konkreten Ausgestaltung der Achsanordnung 36 variieren.

Bevorzugt werden Flachbacken 30 als Werkzeugteile 28 in der Vorrichtung 20 und bei der Herstellung der Verzahnung 21 verwendet. Anhand der Figuren 8-1 1 wird die Ausgestaltung der verwendeten Flachbacken 30 bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nachfolgend näher erläutert.

Das Umformprofil 31 weist in Linearrichtung betrachtet einen Einlaufbe- reich Sl, einen Zentralbereich S2 und einen Auslaufbereich S3 auf. Der Zentralbereich S2 ist in Linearrichtung R zwischen dem Einlaufbereich S 1 und dem Auslaufbereich S3 unmittelbar anschließend angeordnet. Jeder Bereich S 1 , S2, S3 weist eine Mehrzahl von Profilzähnen 32 auf, von denen in Figur 8 lediglich im Zentralbereich S2 schematisch zwei Profilzähne 32 veranschaulicht sind (nicht maßstabsgetreu). Jeder Profilzahn 32 hat einen Zahnkopf 32a und einen Zahnfuß 32b. Die Anzahl der Profilzähne 32 im Zentralbereich S2 ist größer als in den anderen Bereichen Sl, S3. Vorzugsweise ist die Anzahl der Profilzähne im Auslaufbereich S3 kleiner als im Einlaufbereich S 1. Die Anzahl der Profilzähne 32 im Zentralbereich S2 richtet sich nach der Anzahl der Zähne, die die Verzahnung 21 am Werkstück 22 aufweisen soll. Die Länge des Zentralbereichs S2 in Linearrichtung R ist mindestens so groß wie der noch nicht umgeformte Umfang des Werkstücks 22 in dem Abschnitt, in dem die Verzahnung 21 hergestellt werden soll.

Bei dem hier veranschaulichten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Profilzähne 32 in Axialrichtung A (Figuren 8 und 9). Die Profilzähne 32 könnten auch einen Schrägungswinkel gegenüber der Axialrichtung aufweisen. Der Übergang zwischen dem Zahnkopf 32a und dem Zahnfuß 32b ist durch eine Trennebene T gekennzeichnet. Die Trennebene T verläuft im Zentralbereich S2 und im Einlaufbereich S 1 parallel zu einer Ebene, die durch die Linearrichtung und die Axialrichtung A aufgespannt ist. Im Auslaufbereich S3 ist die Trennebene T gegenüber der Linearrichtung R geneigt.

Im Zentralbereich S2 verlaufen die freien Enden der Zahnköpfe 32a (Zahnkopfenden) in einer gemeinsamen Ebene E. Im Einlaufbereich S 1 und im Auslaufbereich S3 sind die Zahnkopfenden der Profilzähne 32 mit Abstand zu der Ebene E angeordnet. Wie es aus Figur 1 1 hervorgeht, sind die Profilzähne 32 im Auslaufbereich S3 abgesetzt. Die Gesamthöhe der Profilzähne 32 bzw. die Profiltiefe der Zahnlücken zwischen den Profilzähnen 32 ist im Auslaufbereich S3 konstant. Die Profilzähne 32 sind in eine Richtung rechtwinklig zur Ebene E versetzt angeordnet, also in einer Richtung, rechtwinklig zur Linearrichtung R und rechtwinklig zur Axialrichtung A. Der äußerste Profilzahn 32 des Auslaufbereichs S3 mit größtem Abstand vom Zentralbereich S2, hat den größten Abstand zu der Ebene E. Ausgehend von diesem äußersten Profilzahn 32 nehmen die Abstände der Zahnkopfenden der Profilzähne 32 von Profilzahn 32 zu Profilzahn 32 gegenüber der Ebene E ab, je näher der Profilzahn 32 sich am Zentralbereich S2 befindet. Das Umformprofil 31 ist im Auslaufbereich S3 sozusagen stufenförmig ausgestaltet. Im Zentralbereich S2 ist das Umformprofil 31 konstant. Sämtliche Profil- zähne 32 haben dieselbe Gestalt, Höhe und enden mit ihren Zahnkopfenden jeweils in der Ebene E. Wie es insbesondere aus Figur 10 hervorgeht, nimmt die Zahnkopfhöhe hk der Zahnköpfe 32a der Profilzähne 32 im Einlaufbereich S 1 ausgehend vom Zentralbereich S2 zum entgegengesetzten Ende des Einlaufbereichs Sl hin ab. Die Höhe der Zahnfüße 32b bleibt konstant. Dadurch nimmt der Abstand der Zahnkopfenden der Zahnköpfe 32a von der Ebene E im Einlaufbereich S 1 ausgehend vom Zentralbereich S2 in Linearrichtung zum entgegengesetzten Ende des Einlaufbereichs S 1 zu.

In Axialrichtung A sind die Profilzähne 32 an einem Ende mit einer Fase 32c versehen. Die Fase 32c ist an allen Profilzähnen 32 vorhanden. Ein Fasenwinkel α der Fase 32c gegenüber einer Ebene, senkrecht zur Axialrichtung A beträgt beim Ausführungsbeispiel 45°. Der Übergang der Fase 32c zur Zahnflanke des Profilzahns 32 ist abgerundet oder mit wenigstens einer weitere Fase versehen. Eine Breite b des Umformprofils 31 ist in al- len Bereichen S 1 , S2, S3 konstant und entspricht der Länge eines Profilzahns 32 in Axialrichtung A, in der er seine gesamte Zahnhöhe aufweist, d.h. im Anschluss an die Fase 32c.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der Verzahnung 21 am Werkstück 22 erläutert, das vorzugsweise unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 20 durchgeführt wird. Zunächst wird das Werkstück 22 zwischen den beiden Flachbacken 30 angeordnet und die Flachbacken 30 werden mit dem Einlaufbereich Sl von gegenüber der Längsachse L diametral entgegengesetzten Seiten her gegen das Werkstück 22 gedrückt. Anschließend werden die beiden Formbacken 32 in die Linearrichtung R gegenläufig zueinander bewegt, so dass das Werkstück eine Abwälzbewegung am jeweiligen Umformprofil 31 der beiden Flachbacken 30 durchführt und sich dabei um die Längsachse L in einer ersten Abwälzrichtung Ul dreht. Durch den Anpressdruck der Umformpro file 31 am Werkstück 22 wird dort ein erster Axialabschnitt al der Verzahnung 21 hergestellt. Dieser erste Umformschritt mit der ersten Abwälzbewegung in die erste Abwälzrichtung Ul ist schematisch in Figur 5 veranschaulicht. Die axiale Länge des ersten Axialabschnitts al der Verzahnung 21 ist ma- ximal so groß wie die Breite b des Umformprofils 31. Um die Umformkräfte ausreichend klein zu halten, sind die Umformprofile 31 während der ersten Abwälzbewegung vorzugsweise nicht über die gesamte Breite b in Kontakt mit dem Werkstück 22, so dass die axiale Länge des ersten Axialabschnitts al der Verzahnung 21 kleiner ist als die Breite b des Umform- profils 31.

Die erste Abwälzbewegung wird gestoppt, bevor das Umformprofil 31 außer Eingriff mit dem Werkstück 22 gelangt. Das Werkstück 22 liegt dabei an einer ersten Stelle xl im Zentralbereich S2 am Umformprofil 31 an. Während der ersten Abwälzbewegung wird ein erster Axialabschnitt al der Verzahnung 21 hergestellt.

Nachdem die Abwälzbewegung an dieser ersten Stelle xl gestoppt wurde, wird anschließend ausgehend von der ersten Stelle xl eine zweite Abwälz- bewegung in einer zweiten Abwälzrichtung U2 ausgeführt, die der ersten Abwälzrichtung Ul entgegengesetzt ist. Wenn sich das Werkstück 22 bei der ersten Abwälzbewegung im Uhrzeigersinn gedreht hat, dreht es sich bei der zweiten Abwälzbewegung gegen den Uhrzeigersinn und umgekehrt. Der zweiten Abwälzbewegung wird eine Axialbewegung BA der Werk- Stücks 22 relativ zum Umformwerkzeug 27 in Axialrichtung A überlagert. Durch diese axiale Relativverschiebung bei gleichzeitiger zweiter Abwälzbewegung wird ein zweiter Axialabschnitt a2 der Verzahnung 21 hergestellt, der sich an den ersten Axialabschnitt lückenlos anschließt. Die axiale Länge der Axialbewegung BA ist beispielsgemäß maximal so groß wie die Breite b des Umformprofils 31 und vorzugsweise kleiner.

Die zweite Abwälzbewegung kann an einer zweiten Stelle x2 gestoppt werden, die sich im Zentralbereich S2 des Umformprofils 31 befindet. Am Ende der zweiten Abwälzbewegung wurde ein zweiter Axialabschnitt a2 der Verzahnung 21 hergestellt. An der zweiten Stelle x2 wird die Bewegung der Formbacken 30 in Linearrichtung und mithin die zweite Abwälzbewegung dann gestoppt, wenn noch zumindest ein weiterer Axialab- schnitt der Verzahnung hergestellt werden soll. Dann wird die Abwälzrichtung an der zweiten Stelle x2 umgekehrt und eine dritte Abwälzbewegung in die erste Abwälzrichtung Ul ausgeführt. Die dritte Abwälzbewegung beginnt an der zweiten Stelle x2 und wird in Richtung zur ersten Stelle xl hin durchgeführt, wobei sich das Werkstück 22 in die erste Abwälzrichtung Ul dreht. Der dritten Abwälzbewegung ist zur Ausbildung eines in den zweiten Axialabschnitt a2 übergehenden dritten Axialabschnitts der Verzahnung 21 wiederum eine Axialbewegung BA in Axialrichtung A zwischen dem Werkstück 22 und dem Umformwerkzeug 27 überlagert. Die axiale Länge der Axialbewegung BA kann bei allen zweiten und dritten Abwälzbewegungen gleich groß sein.

Abhängig von der Anzahl der herzustellenden Axialabschnitte al, a2,..., an, wird zwischen der ersten Stelle xl und der zweiten Stelle x2 entspre- chend oft eine zweite Abwälzbewegung in die zweite Abwälzrichtung U2 oder eine dritte Abwälzbewegung in die ausgeführt erste Abwälzrichtung Ul ausgeführt. Es findet sozusagen ein reversierender Betrieb in einem Reversierbereich zwischen der ersten Stelle xl und der zweiten Stelle x2 statt. Gleichzeitig zu jeder zweiten Abwälzbewegung und jeder dritten Abwälzbewegung findet jeweils eine Axialbewegung BA zwischen Werkstück 22 und Umformwerkzeug 27 statt. Lediglich die erste Abwälzbewegung wird ohne eine überlagerte Axialbewegung BA ausgeführt. Wie es in Figur 8 veranschaulicht ist, ist die Länge dx des Reversierbereichs zwi- sehen der ersten Stelle xl und der zweiten Stelle x2 kleiner als die Länge des Zentralbereichs S2 in Linearrichtung R.

Die erste Stelle xl hat vom Auslaufbereich S3 einen ersten Abstand wl und die zweite Stelle x2 hat vom Einlaufbereich S 1 einen Abstand w2 in Linearrichtung R betrachtet (Figur 8). Der erste Abstand wl und der zweite Abstand w2 können gleich oder unterschiedlich groß sein. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der erste Abstand wl größer als der zweite Abstand w2. Mit Hilfe dieses spanlosen Verfahrens können schnell und effizient Verzahnungen 21 an einem Werkstück 22 hergestellt werden, deren gesamte axiale Länge größer ist als die Breite b der Umformprofile 31 der Werkzeugteile 28 bzw. der Flachbacken 30. Der Vorteil dieses abschnittsweisen Herstellens der Verzahnung 21 besteht darin, dass die auf das Werkstück 22 ausgeübte Umformkraft begrenzt werden kann. Daher können auch solche Werkstücke 22 durch ein spanloses Umformverfahren mit einer Verzahnung 21 versehen werden, deren zylindrische bzw. hohlzylindrische Form bei größeren Umformkräften ungewollt verändert würde. Bei zu hohen Umformkräften kann das zylindrische und insbesondere hohlzylindri- sehe Werkstück 22 eine ovale oder elliptische Querschnittskontur erhalten und mithin nach Herstellen der Verzahnung 21 Rundheitsabweichungen aufweisen. Mittels des hier vorgeschlagenen Verfahrens bzw. der hier vorgeschlagenen Vorrichtung lassen sich derartige ungewollte Werkstückverformungen und Rundheitsabweichungen vermeiden. Das Verfahren eignet sich daher insbesondere für dünnwandige hohlzylindrische Wellen, Werkstücke 22 aus einem weichen Material, usw. Vorteilhaft können alle Werkstücke 22 bearbeitet werden, die größeren Umformkräften beim Herstellen einer Verzahnung 21 nicht standhalten. Bislang wurden solche Verzahnun- gen durch spanende Verfahren, etwa Fräsverfahren, Stoßverfahren oder dergleichen, hergestellt.

Anhand der Figuren 12 und 13 ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erkennen. In den Figuren 12 und 13 ist jeweils stark schematisiert die Kontur eines Zahns 42 der hergestellten Verzahnung 21 veranschaulicht, wobei die Kontur des Zahns 42 in Figur 12 der Zahnkontur bei Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik und die Darstellung in Figur 13 der Zahnkontur durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Es ist zu erkennen, dass der Zahn 42 nach Figur 13 durch das erfindungsgemäße Verfahren eine höhere Symmetrie aufweist. Außerdem können Unterschnitte 43, die bei Zähnen 42 gemäß dem Stand der Technik in der Regel vorhanden sind, durch das erfindungsgemäße Verfahren reduziert bzw. vollständig vermieden werden. Ein weiterer Vorteil entsteht durch die zyklische Umkehr der Vorschubrichtung. Die prozessbedingte Schub- und Zugflanke wird hierbei ebenfalls in jedem Axialabschnitt umgekehrt. Somit entstehen an beiden Zahnflan- ken der Zähne der hergestellten Verzahnung 21 jeweils abwechselnd angeordnete Schub flankenabschnitte 44 und Zugflankenabschnitte 45, welche insgesamt den Traganteil der Verzahnung verbessern. Bei den bisher bekannten Verfahren gemäß Stand der Technik können an einer Zahnflanke eines Zahns einer hergestellten Verzahnung nur die Schubflanken oder nur die Zugflanke erzeugt werden. Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung 20 zur Herstellung einer Verzahnung 21 an einem zylindrischen und insbesondere hohlzylindrischen Werkstück 22. Ein Umformwerkzeug 27 mit einem Umformprofil 31 wird während einer ersten Abwälzbewegung in einer ersten Abwälzrichtung Ul gegen das Werkstück 22 gedrückt, wodurch ein erster Axialabschnitt al der Verzahnung 21 hergestellt wird. Anschließend wird unter Aufrechterhaltung des Kontakts zwischen dem Umformwerkzeug 27 und dem Werkstück 22 eine zweite Abwälzbewegung zum Umformen eines zweiten Axialabschnitts a2 der Verzahnung 21 durchgeführt und zwar in eine zweite Abwälzrichtung U2, die entgegengesetzt der ersten Abwälzrichtung Ul ist. Gleichzeitig zu der zweiten Abwälzbewegung und jeder weiteren Abwälzbewegung wird jeweils eine Axialbewegung BA zwischen dem Umformwerkzeug 27 und dem Werkstück 22 in eine Axialrichtung A parallel zur Längsachse L des Werkstücks 22 ausgeführt. Die Anzahl der Abwälzbewegungen mit jeweils überlagerter Axialbewegung BA hängt von der Anzahl der herzustellenden Axialabschnitte al, a2,..., an ab.

Bezugszeichenliste:

20 Vorrichtung

21 Verzahnung

22 Werkstück

23 Werkstückhalteeinrichtung

27 Umformwerkzeug

28 Werkzeugteil

29 Rolle

30 Flachbacke

31 Umformprofil

32 Profilzahn

32a Zahnkopf

32b Zahnfuß

32c Fase des Profilzahns

36 Achsanordnung

37 Maschinenachse

38 Positionserfassungseinrichtung

39 Positionssensor

40 Steuereinrichtung

42 Zahn der Verzahnung

43 Unterschnitt

44 Schubflankenabschnitt

45 Zugflankenabschnitt α Fasenwinkel

A Axialrichtung

ai Axialabschnitt der Verzahnung (i=l, 2, 3..., n)

BA Axialbewegung

dx Länge des Reversierbereichs

E Ebene

L Linearrichtung

P Positionssignal

R Linearrichtung

51 Einlaufbereich

52 Zentralbereich

53 Auslaufbereich

T Trennebene

U Umfangsrichtung

wl erster Abstand

w2 zweiter Abstand

xl erste Stelle

x2 zweite Stelle

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung (21) an einem zylindrischen Werkstück (22), mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines Umformwerkzeugs (27) mit einem Umformprofil (31),

- Ausführen einer ersten Abwälzbewegung des Werkstücks (22) am Umformwerkzeug (27) in einer ersten Abwälzrichtung (Ul), während das Umformprofil (31) des Umformwerkzeugs (27) und das Werkstück (22) gegeneinander gedrückt werden, um einen Axialabschnitt (al) der Verzahnung (21) durch Umformen des Werkstücks (22) herzustellen,

- Stoppen der ersten Abwälzbewegung unter Beibehaltung des Kontakts zwischen dem Werkstück (22) und dem Umformprofil (31) des Umformwerkzeugs (27),- Ausführen einer zweiten Abwälzbewegung des Werkstücks (22) am Umformwerkzeug (27) in einer der ersten Abwälzrichtung (Ul) entgegengesetzten zweiten Abwälzrichtung (U2), während das Umformprofil (31) des Umformwerkzeugs (27) und das Werkstück (22) gegeneinander gedrückt werden, um einen weiteren Axialabschnitt (a2) der Verzahnung (21) durch Umformen des Werkstücks (22) herzustellen,

- Ausführen einer Axialbewegung zwischen dem Werkstück (22) und dem Umformwerkzeug (27) in einer Axialrichtung (A) des Werkstücks (22) während der zweiten Axialbewegung. Verfahren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass nach der zweiten Abwälzbewegung, wenn ein weiterer Axialabschnitt (an) der Verzahnung (21) hergestellt werden soll, die zweite Abwälzbewegung unter Beibehaltung des Kontakts zwischen dem Werkstück (22) und dem Umformprofil (31) des Umformwerkzeugs (27) gestoppt wird und anschließend eine weitere, dritte Abwälzbewegung in die erste Abwälzrichtung (Ul) ausgeführt wird, während das Umformpro fil (31) des Umformwerkzeugs (27) und das Werkstück (22) gegeneinander gedrückt werden, wobei während der dritten Abwälzbewegung eine Axialbewegung zwischen dem Werkstück (22) und dem Umformwerkzeug (27) in einer Axialrichtung (A) des Werkstücks (22) unter Beibehaltung des Kontakts zwischen dem Werkstück (22) und dem Umformpro fil (31) des Umformwerkzeugs (27) ausgeführt wird.

Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abwälzbewegung in die zweite Abwälzrichtung (U2) und die dritte Abwälzbewegung in die erste Abwälzrichtung (Ul) abwechselnd wiederholt werden, bis sämtlichen Axialabschnitte (al, a2, an) der Verzahnung (21) hergestellt sind, wobei jeweils gleichzeitig mit jeder zweiten und dritten Abwälzbewegung eine Axialbewegung in Axialrichtung (A) ausgeführt wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Axialbewegung kleiner ist als eine Breite (b) des Umformpro fils (31), so dass sich zwei unmittelbar aufeinanderfolgend hergestellte Axialabschnitte (al, a2, an) in Axialrichtung (A) überlappen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (27) zwei separate Werkzeugteile (28) aufweist, die beim Umformen von bezüglich der Längsachse (L) des Werkstücks (22) diametral entgegengesetzten Seiten gegen das Werkstück (22) drücken.

Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass jedes Werkzeugteil (28) durch eine Flachbacke (30) gebildet ist, die sich bei der Abwälzbewegung (Ul, U2) linear bewegt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Umformprofil (31) einen Einlauf- bereich (S 1), einen Auslaufbereich (S3) und einen zwischen dem Einlaufbereich (Sl) und dem Auslaufbereich (S3) angeordneten Zentralbereich (S2) aufweist, und wobei sich eine Stelle (xl, x2) am Umformpro fil (31), die zum Zeitpunkt der Umkehrung zweier aufeinanderfolgender Abwälzbewegungen in Kontakt mit der Werkstück (22) steht, im Zentralbereich (S2) liegt..

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (22) hohlzylindrisch ist.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass durch das Erzeugen von unmittelbar benachbarten Axialabschnitten (al, a2, ... an) durch Abwälzbewegungen in entgegengesetzte Abwälzrichtungen (Ul, U2) an beiden Zahn- flanken der Zähne der hergestellten Verzahnung (21) jeweils abwech- selnd ein Schubflankenabschnitt (44) durch einen Axialabschnitt ein Zugflankenabschnitt (45) durch den unmittelbar benachbarten Axialabschnitt hergestellt werden. 10. Vorrichtung (20) zur Herstellung einer Verzahnung (21) an einem zylindrischen Werkstück (22), mit einem Umformwerkzeug (27), das ein Umformprofil (31) aufweist, mit einer Werkstückhalteeinrichtung (23), die dazu eingerichtet ist, das Werkstück (22) um seine Längsachse (L) drehbar zu halten, mit einer Achsanordnung (36), die mehrere Maschinenachsen (37) aufweist, wobei die Achsanordnung (36) dazu eingerichtet ist, die

Werkstückhalteeinrichtung (23) und das Umformwerkzeug (27) in einer Axialrichtung (A) parallel zu der Längsachse (L) des Werkstücks (22) relativ zueinander zu bewegen, und die außerdem dazu eingerichtet ist, das Umformwerkzeug (27) und die Werkstückhalteeinrich- tung (23) zur Durchführung einer Abwälzbewegung (U 1 , U2) zwischen dem Werkstück (22) und dem Umformwerkzeug (27) zu bewegen, mit einer Steuereinrichtung (40), die dazu eingerichtet ist, die Achsanordnung (36) anzusteuern und das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (27) zwei sepa- rate Werkzeugteile (28) in Form von Flachbacken (30) oder Rollen (29) aufweist.

Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass das Umformprofil (31) einen Einlaufbereich (Sl), einen Auslaufbereich (S3) und einen zwischen dem Einlaufbereich (Sl) und dem Auslaufbereich (S3) angeordneten Zentralbereich (S2) aufweist. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, dass das Umformprofil (31) Profilzähne (32) aufweist, die sich in Axialrichtung (A) erstrecken, dass die Zahnkopfenden der Profilzähne (32) im Zentralbereich (S2) in einer gemeinsamen Ebene (E) oder einer gemeinsamen Zylindermantelfläche im Zentralbereich (S3) liegen, und dass die Zahnkopfenden der Profilzähne (32) im Einlaufbereich (Sl) und/oder im Auslaufbereich (S3) mit Abstand zu dieser Ebene (E) oder gemeinsamen Zylindermantelfläche angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, dass das Umformprofil (31) Profilzähne (32) aufweist, die sich in Axialrichtung (A) erstrecken und dass die Profilzähne (32), zumindest in einem Bereich des Umformpro fils (31), an einem axialen Ende eine Fase (32c) aufweisen.