WO2020079126A1 - Verfahren zur herstellung mindestens einer verzahnung an einem bauteil und werkzeug zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur herstellung mindestens einer verzahnung an einem bauteil und werkzeug zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2020079126A1
WO2020079126A1 PCT/EP2019/078169 EP2019078169W WO2020079126A1 WO 2020079126 A1 WO2020079126 A1 WO 2020079126A1 EP 2019078169 W EP2019078169 W EP 2019078169W WO 2020079126 A1 WO2020079126 A1 WO 2020079126A1
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WO
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component
zone
preform
tool
toothing
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Application number
PCT/EP2019/078169
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Inventor
André Weiss
Mathias Liewald
Alexander Felde
Nadezda Missal
Alexander Weiss
Tahsin Deliktas
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Universität Stuttgart
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/28—Making machine elements wheels; discs
    • B21K1/30—Making machine elements wheels; discs with gear-teeth
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J13/00—Details of machines for forging, pressing, or hammering
    • B21J13/02—Dies or mountings therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/12—Forming profiles on internal or external surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing at least one
  • Gearing on a component a computer program which is set up to carry out the steps of the method, and a tool for carrying out the method.
  • toothing here encompasses the shaping of a part of a surface of the component with protruding or into the surface of the component
  • Forms protruding from the surface of the component in particular pointed geometries, which can preferably be used to establish a connection, to increase friction or to transmit forces and / or torques.
  • a special example is the introduction of toothing on a lateral surface of a component, which is in the form of a disk.
  • Gears on a component are often made exciting.
  • the material provided for the production of the toothing is often pre-distributed by means of hot forming or semi-hot forming.
  • hot forming which is also referred to as “forging”
  • the component is heated above a recrystallization temperature of the material in question, while in the case of semi-hot forming, the components are brought to a certain temperature below that before being inserted into the tool
  • Recrystallization temperature to be heated Recrystallization temperature to be heated.
  • a cold forming process in which the component is not heated prior to insertion, usually only leads to insufficiently pronounced toothing and to a high load on a die used for this.
  • Sufficient mold filling can often not be achieved in the cold forming process, although in order to increase the mold filling, high forming forces are often exerted by means of a press, so that a tool used for this purpose is exposed to very high stress.
  • a hot forming process generally results in higher achievable mold fillings and thus somewhat better teeth; However, it is often not economical either, since a complex and costly system for component heating is required on the press, which in particular means that flexible use of the tool can be difficult.
  • WO 99/08820 A discloses a method for producing a shift gear with coaxially arranged and axially projecting shift teeth, which have an axial
  • Shift teeth and a forming tool are brought into engagement with corresponding tooth recesses and set in a wobbling circular movement with respect to one another. Also described are an apparatus for performing the method and one with the
  • WO 2007/009476 A1 discloses a method for producing a toothing on a component of a shaft-hub connection, the component being permanently held in a ringing voltage, while in this clamping it receives an at least two-stage toothing.
  • a special drawing die is also used to carry out the process
  • JP 5 070 516 B2 A further method for producing at least one toothing on a component and a tool for carrying out the method are disclosed in JP 5 070 516 B2.
  • the object of the present invention is to:
  • Method for producing a toothing on a component a computer program, which is set up to carry out the steps of the method, and a tool for carrying out the method, which enables the production of toothings on shaft-shaped or tubular components with the highest possible quality enable by means of cold massive forming. This should in particular be accompanied by a reduction in the forming force and thus the load on the shaping tool.
  • the present invention relates to a method for producing at least one toothing on a component.
  • toothing here encompasses shaping a part of a surface of the component with shapes that protrude from a central surface of the component or protrude into the surface of the component, in particular in the form of at least one prong, prong or wedge , which are preferably used to produce a
  • a particularly preferred example is an insertion of toothings on a lateral surface (outside) of a component, which is present, for example, in the form of a disk.
  • toothings are possible.
  • the process proposed here belongs to the family of forming processes and, due to the low forces that occur, can act as a cold forming process. Alternatively, however, the proposed method can also be used in the hot forming area.
  • massive forming can take place, the term “massive forming” designating a method which enables the production of a component in a one-step or multi-step production process. A so-called “extrusion” can also occur during the production process, with an end contour of the component to be formed being produced predominantly by means of compressive stress.
  • component refers to a workpiece that can be in the form of a solid body or a hollow body. In a particularly preferred
  • the component can be provided as a disk and have a round, oval or polygonal cross section.
  • the component here comprises at least on its surface, but preferably in its entire volume, a material which can be formed by extrusion. These include in particular metallic material, which comprise at least one metal or an alloy of at least two metals. Components made of materials with high deformability, in particular unalloyed and low-alloy steels, and non-ferrous metals and alloys are particularly preferred for carrying out the present method. However, other materials as the material for the component are possible.
  • Shaping tools in particular so-called “extrusion tools”, which can usually comprise a die and a punch, can be used to carry out the forming process.
  • Other types of shaping tools in particular a mandrel, are possible.
  • the term “dome” here refers to a device for generating inner contours.
  • the term “stamp” here designates a device which, together with a guide in the die, is designed to exert a force on the component or part thereof such that the component or part thereof runs along a predetermined path or path can move, which is also referred to as "stamp path". in the In the case of the present invention, it may be preferred if the stamp is used for
  • Exercise movement of the component is set up, while the die is mounted in a fixed position.
  • a so-called "extrusion in a package” can take place, during which several components stacked on top of one another are pressed one after the other through the die.
  • another component that is on a package can take place, during which several components stacked on top of one another are pressed one after the other through the die.
  • another component that is on a package can take place, during which several components stacked on top of one another are pressed one after the other through the die.
  • the component in question rests as a stamp.
  • components which, as described above, are preferably in the form of a disk can be used for this purpose.
  • the force required to apply the force to the component can also be introduced via the component itself, especially in the so-called "ironing slide pulling", which is known for use in reducing the wall thickness of cup-shaped components, the force being applied via a cup base and the cup wall to be reformed through the shaping tool can be guided.
  • both inner contours and outer contours can be introduced into the component.
  • the present method comprises steps a) to c) described below:
  • a) Provision of a tool which has a recess for guiding the component along a predetermined path, the recess along the path comprising at least one preform zone and an embossing zone, at least the preform zone having at least one undercut made in the recess, and wherein the embossing zone has a contour for generating a toothing on the component;
  • steps a) to c) can preferably be carried out in succession.
  • steps b) and c) can also be particularly advantageous to repeat steps b) and c) several times and, in particular, to carry out at least partially simultaneously for several components placed on top of one another, in particular during the extrusion in the package also described here.
  • steps b) and c) can also be particularly advantageous to repeat steps b) and c) several times and, in particular, to carry out at least partially simultaneously for several components placed on top of one another, in particular during the extrusion in the package also described here.
  • a shaping tool preferably in the form of a die
  • a mandrel for carrying out the present method.
  • the present method is presented without restriction of generality using a die as the shaping tool.
  • the term “die” here designates a device for carrying out the present method, which interacts with a stamp in such a way that extrusion tools are provided which can be used to carry out the method proposed here in the field of extrusion.
  • the die can comprise a carrier body, which preferably has a material which can withstand the forming forces and compressive stresses that occur.
  • a die made of a hard metal, a tool steel or a technical ceramic is particularly preferred for carrying out the present method.
  • other materials for the die are possible. Matrices with simple
  • additive manufacturing can preferably be used, in particular by means of a 3D printing process and a subsequent post-processing.
  • the proposed die has a recess which is preferably made in the carrier body.
  • the recess here has a shape through which it can be set up to both receive the component and guide the component thus received along a predetermined path.
  • the term “recess” describes a depression in a part of the carrier body, which remains free of the material of the carrier body.
  • the term “receptacle” or “receptacle zone” can refer to a preferred device in the carrier body, which device can be set up to receive at least one part of the component that is intended to introduce a toothing. In an alternative embodiment, however, the receiving zone can be dispensed with, particularly in the case of further conceivable methods such as ironing.
  • guide denotes a further device in the carrier body, which is designed to move when the component is subjected to the force of the stamp to enable at least the part of the component provided for introducing the toothing along the predetermined path.
  • the proposed die has an embossing zone in the recess along the path.
  • embossing zone refers to a forming zone in the
  • Carrier body which has a contour for generating the desired toothing on the intended area of the component, in particular on an outside of the
  • the embossing zone can in particular have a surface which corresponds to a negative shape of the desired toothing on the components.
  • the embossing zone can be at locations where the surface of the component
  • the proposed die has a preform zone in the recess along the path in addition to the embossing zone.
  • the term “preform zone” here designates a further shaping zone in the carrier body, which creates a contour for producing a preliminary shape (preform) on the region of the component which is intended for the subsequent toothing.
  • the preform zone can in particular have a surface which corresponds to a negative shape of the preform of the relevant part of the component.
  • the preform of the part of the component does not already have the desired final contour of the relevant part of the component, but rather differs from the final contour, which is only produced in the embossing zone.
  • the preform has similarities with respect to the final contour, but shows deviations from a geometry of the final contour, in particular for manufacturing reasons.
  • the manufacturing advantages that can be achieved with the present method relate in particular to the manufacture of the desired component.
  • the transitions between the receiving zone, the preform zone and the embossing zone are designed in such a way that transitions between the contours of the individual zones that are as tangent as possible occur. This feature can be seen, for example, from the exemplary embodiments below.
  • the surface of the preform zone which corresponds to a negative shape of the preform of the part of the component, additionally has at least one introduced into the recess Undercut on.
  • undercut or “undercut” here denotes at least one point at least in the preform zone at which the surface of the recess in the carrier body of the die is designed such that the non-deformed part of the component cannot reach this point.
  • the undercut can also be at least partially over the embossing zone and / or over the
  • the configuration of the undercut can in particular be dependent on the final contour and the preform contour of the component.
  • the geometry of the undercut can preferably be worked out iteratively individually using results from simulations.
  • a volume not filled by the carrier body remains between these carrier bodies and the non-deformed part of the component.
  • this volume can be used particularly advantageously when carrying out the massive shaping of the component, in particular in order to provide a volume for easier guidance and / or pre-distribution of the material from the component. Since excess material can escape from the component into the undercut, this can reduce the pressure and stress on the die. In addition, the presence of the undercut can also reduce friction.
  • the component to be molded is introduced into the receptacle of the die and the component is subjected to a force, in particular a component is loaded with a stamp, in order to guide the component along the path, in particular along the stamp path.
  • a force in particular a component is loaded with a stamp
  • the component in particular an outside of the component, first passes through the preform zone, the component, in particular the outside of the component, first being brought into at least one preform in the preform zone, preferably without an outward development in the radial direction
  • the toothing provided which can preferably comprise individual teeth of a gearwheel, in the preform zone can initially have a further geometric extension, in particular with a greater width, thickness and / or height, than a target dimension for the toothing provided be preformed and gradually tapered across the preform zone. This can then be followed in the
  • the embossing zone of the undercut can be continuously reduced to the desired target size. This can be used, for example, to form a tooth head in front of the tooth base. In this way, a very long forming zone can be created along the path, ie from the beginning of the preforming zone to the end of the embossing zone.
  • a very long forming zone can be created along the path, ie from the beginning of the preforming zone to the end of the embossing zone.
  • higher forming forces would occur in this way and would counteract the advantages of the successive shaping described.
  • the undercut introduced into the die according to the invention in the preform zone is thus arranged in the active forming zone, the overall friction losses between the die and the component to be molded can be considerably reduced. As a result, both the material of the die or the stamp and the material of the component to be molded can be relieved. In this way, the advantages of successive shaping over a long forming zone can be used without the additional disadvantages mentioned above occurring.
  • step c) the component which has the final contour is finally removed from the corresponding recess in the die.
  • toothing on a component can thus be performed using a cold forming process, i.e. without additional heating.
  • the undercut and the successive shaping of the component can significantly reduce the process forces that occur.
  • a load on the die can be significantly reduced, which on the one hand increases the service life of the die and on the other hand increases the component quality of the components produced with it.
  • the gearing is successively generated with simultaneous gradual-transverse matrix relief.
  • the present invention therefore relates to a computer program which is set up to carry out the steps of the method described here for producing a toothing on a component.
  • the computer program can in particular be kept in an electronic memory.
  • the electronic memory can in particular in a computer, a
  • Microcomputer or a programmable chip e.g. an application-specific integrated circuit (ASIC) or an FPGA (field-programmable gate array) can be introduced.
  • the computer program can be stored externally, in particular on a server or in a cloud, and made available online.
  • the present invention relates to a shaping tool for carrying out the method for producing at least one toothing on a component, wherein the tool can preferably be designed in the form of a die.
  • the tool comprises a recess which can be set up both for receiving the component and for guiding the component along a predetermined path, in particular a predetermined stamp path.
  • the tool further comprises an embossing zone along the path, which has a contour for producing a toothing on the component.
  • the proposed tool further comprises a preform zone along the path, which has at least one undercut made in the recess.
  • the undercut can also be at least partially over the embossing zone and / or over the
  • the preform zone can be arranged along the path in such a way that the component can first be guided through the preform zone and then through the stamping zone.
  • the preform zone can in particular be set up to introduce a preliminary toothing into the component, each individual tooth in the preliminary toothing having a further geometrical dimension,
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 1A Part of a tool according to the invention in the form of a die in a view from below (FIG. 1A), in an isometric view (FIGS. 1B and 1C) and in a side view (FIG. 1D);
  • Figure 2 is a schematic representation of exemplary contours of the
  • Figure 3 a comparison of contact surfaces of a component with a
  • Figure 5 is a schematic representation of the implementation of the
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a part of a tool according to the invention in the form of a die 110, which is set up to carry out the proposed method for producing at least one toothing on a component (not shown).
  • a shaping tool can be used, in particular a mandrel.
  • FIG. 1A shows a view of a part 112 of the die 110 from below
  • FIG. 1B shows a section 114 of the die 110 in an isometric view
  • 1 C shows a single tooth segment 1 16 of the die 1 10
  • FIG. 1 D shows one of the tooth segments 1 16 in a side view.
  • the die 110 shown in FIG. 1 comprises a carrier body 118, which has a material that can withstand the forming forces and compressive stresses that occur during the present method.
  • a hard metal, a tool steel or a technical ceramic is particularly preferred.
  • other materials for the carrier body 118 are possible.
  • the die 1 10 is set up for the production of toothings on components, which can have materials with high deformation properties, in particular unalloyed and low-alloy steels as well as non-ferrous metals and alloys.
  • other materials as the material for the component are possible.
  • the carrier body 118 of the die 110 in this case has a cutout 120 which, in the present exemplary embodiment, is set up to receive both the component to be formed and the component thus received along one
  • stamp path 122 the die 110 in the recess 120 along the stamp path 122 has various zones 124, 126, 128 for this purpose, which are referred to as the receiving zone 124, preform zone 126 and embossing zone 128 and are described in more detail below will.
  • the receiving zone 124 is set up to receive at least one component to be reshaped and, for this purpose, can have a surface 130 which is in particular adapted to a lateral surface (outside) of the component.
  • a force can be exerted on the component or a part thereof in order to, together with the guidance of the component or part thereof in the recess 120 of the die 110, the component or the part thereof along the
  • the stamp is preferably set up to exercise the movement of the component, while the die 110 is mounted in a stationary manner. In this way, a so-called “extrusion in a package” can take place, during which several components stacked on top of one another are pressed one after the other via the receptacle 120 through the die 110.
  • a further component which rests on a relevant component, can be used for the force transmission by the stamp.
  • components which are preferably used as disks available, use.
  • Another configuration, such as rod or pipe sections, is possible, however.
  • the component moved out of the receiving zone 124 along the predetermined stamp path 122 first crosses the preform zone 126 before it enters the stamping zone 128.
  • the embossing zone 128 here designates a forming zone in the recess 120 of the carrier body 118, which has a contour for producing the desired toothing on the part of the component provided for this purpose, in particular on an outside of the component.
  • the embossing zone 128 can in particular have a surface 132 which corresponds to a negative shape of the desired toothing on the components, which is also referred to as the “final contour”.
  • the embossing zone 128 can have a depression 134 at locations where the surface of the component is to have protruding shapes with respect to a central surface of the component, while at locations where shapes protruding into the surface of the component relative to the central surface of the component should have corresponding projections 136.
  • the moving component can be moved along the predetermined
  • Stamp path 122 first cross preform zone 126 before entering stamping zone 128.
  • the preform zone 126 here designates a further shaping zone in the recess 120 of the carrier body 118, which is set up to produce a contour for producing a preliminary shape (preform) on that part of the component which is intended for the subsequent toothing.
  • the preform zone 126 can in particular have a surface 138 which corresponds to a negative shape of the preform of the relevant part of the component.
  • the preform of the part of the component does not already have the desired final contour of the relevant part of the component, but rather differs from the final contour, which is only subsequently produced in the embossing zone 128.
  • the preform has similarities to the final contour, but shows deviations from the geometry of the final contour, in particular for manufacturing reasons.
  • the surface 138 of the preform zone 126 which corresponds to a negative shape of the preform of the part of the component, has at least one undercut 140 made in the recess 120 in the carrier body 118.
  • the undercut 140 designates at least one point in the preform zone 126 at which the surface 138 of the recess 120 forming the preform zone 126 in the carrier body 118 of the die 1 10 is configured in such a way that the non-deformed part of the component which is provided for the production of the preform cannot reach this point.
  • the undercut 140 can also extend at least partially over the receiving zone 124 and / or over the embossing zone 128.
  • a volume not filled by the carrier body 118 remains between the carrier body 118 and the non-deformed part of the component which is provided for producing the preform at the locations formed by the undercut 140.
  • this volume formed by the undercut 140 can be used particularly advantageously when carrying out the massive forming of the component, in particular in order to provide a volume for easier guidance and / or pre-distribution of the material from the component.
  • the surfaces 130, 132, 138 of the different zones 124, 126, 128 in the cutout 120 of the carrier body 118 are shaped such that transitions between the contours of adjacent zones 124, which are as tangent as possible, 126, 128 occur.
  • the contour 142 of the receiving zone 124 is arranged parallel to the direction of the stamp path 122. This also applies to the detail of the contour 144 shown in FIG. 1D from the surface 132 of the embossing zone 128, which is limited to a region of the contour 144 which adjoins an adjacent tooth segment 116.
  • contour 146 of the preform zone 126 is inclined, the embodiment shown by way of example in FIG. 1D having a first intermediate contour 148 with a first inclination by a first inclination angle cu and a second intermediate contour 150 with a second inclination by a second inclination angle a 2 ⁇ cu, each opposite to the direction of the stamp path 122, here also tangent-continuous transitions between the contours 142, 148, 150, 144 are provided.
  • contour 146 of the preform zone 126 for example a contour with a uniform inclination angle or a contour which is divided into more than two areas, are possible.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of different contours of the die 110 for carrying out the method according to the invention for producing a toothing on a component in a top view (FIG. 2A) and in a side view (FIG. 2B).
  • the contour 142 of the receiving zone 124 is parallel to the direction of the
  • Stamp path 122 is arranged and is therefore designed in the present case in the supervision of the die 1 10 as a segment of a circle in order to adapt as well as possible to a to achieve the lateral surface (outside) of a round component.
  • the contour 144 in the embossing zone 128, which can also be referred to as the “final contour” can finally be produced by cold massive forming according to the present method.
  • the preforming zone 126 can preferably have a design with different contours, which in each case merge continuously into one another and into the preceding receiving zone 124 and the subsequent embossing zone 128.
  • the preforming zone 126 can preferably have a design with different contours, which in each case merge continuously into one another and into the preceding receiving zone 124 and the subsequent embossing zone 128.
  • Preform zone 126 successively generates the first intermediate contour 148 and the second intermediate contour 150 from the starting contour 142 which is present at the beginning of the preform zone 126, before a preform 152 is obtained.
  • the preform 152 differs from the second intermediate contour 150 and in particular from the first
  • each individual tooth of the formed component in the preliminary toothing according to the preform 152 has a greater width in comparison to that
  • the hatched areas between the starting contour 142 on the one hand and the first intermediate contour 148, the second intermediate contour 150 and the preform 152 on the other hand each show the undercut 140, i.e. a location in the preform zone 126 to which the unformed component cannot reach.
  • an unfilled volume remains between the carrier body 118 and the non-formed component at the locations in the preform zone 126 which have an undercut 140.
  • the undercut 140 can first be used to serve as a volume for easier steering and / or pre-distribution of the material before the desired massive deformation of the component by approximating the shape of the
  • End contour 144 can be completed.
  • FIG. 3A shows a schematic illustration of a simulation of contact surfaces of the component with a conventional die 154 in a known method for
  • FIG. 3B shows that when a gearwheel is manufactured with the die 110 according to the invention according to FIGS. 1 and 2, the outside of the component comes into contact only with partial surfaces 158, while there is no contact with the surfaces of the undercuts 140 in the die 110. While a high surface pressure can occur in the conventional die 154 according to FIG. 3A, the surface pressure is considerably reduced when the die 1 10 according to the invention is used according to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 shows a course 160, 162 of numerically determined stamp forces F in kN over the stamp path s 122 in mm. While the solid line illustrates the course 160 of the stamp force over the stamp path 122 according to the prior art in a conventional method for producing gearwheels, the dashed line shows the course 162 of the stamp force over the stamp path 122 in the here
  • an undercut 140 is preferably made in the die 110 according to the invention over the entire preform zone 126, the friction between the die 110 and the component to be molded can be significantly reduced and thereby both relieve the material of the die 110 and the material of the component to be molded.
  • the undercut 140 and the successive shaping of the component can significantly reduce the forming forces that occur. In this way, the advantages of the successive shaping over a comparatively long forming zone, which both the
  • Preform zone 126 and the embossing zone 128 includes use.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the implementation of the method 164 according to the invention for producing at least one toothing on a component.
  • the die 110 is provided, which has the cutout 120 for receiving the component and for guiding the component along the stamp path 122, the stamp path 122 successively receiving the receiving zone 124, the preform zone 126 and the embossing zone 128 comprises, wherein the preform zone 126 has the undercut 140 made in the recess 120, and wherein the embossing zone 128 has a contour 144 for producing the toothing on the component.
  • a reshaping step 168 in accordance with step b), the component is introduced into the receiving zone 124 of the die 110 and a force is applied to the component with a stamp or via an additional component to be subsequently reformed in accordance with the Samanta process, which in turn is in contact with the stamp , for guiding the component along the punch path 122, the component first passing through the preform zone 126 and then the stamping zone 128, the component in the preform zone 126 being first brought into the preform 152, and the component in the stamping zone
  • the method 164 in particular the forming step 168, is carried out at room temperature.
  • a removal step 170 the removal of the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (164) zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, sowie ein Werkzeug (110) zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren (164) umfasst die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Werkzeugs (110), welches eine Aussparung (120) zur Führung des Bauteils entlang eines vorgegebenen Weges (122) aufweist, wobei die Aussparung (120) entlang des Weges (122) zumindest eine Vorformzone (126) und eine Prägezone (128) umfasst, wobei zumindest die Vorformzone (126) mindestens einen in die Aussparung (120) eingebrachten Hinterschnitt (140) aufweist, und wobei die Prägezone (128) eine Kontur (144) zur Erzeugung einer Verzahnung an dem Bauteil aufweist; b) Einbringen des Bauteils in das Werkzeug (110) und Kraftbeaufschlagung des Bauteils zur Führung des Bauteils derart entlang des Weges (122), dass das Bauteil hierbei zunächst die Vorformzone (126) und hieran anschließend die Prägezone (128) passiert, wobei das Bauteil in der Vorformzone (126) zunächst in eine Vorform (152) gebracht wird und wobei das Bauteil in der Prägezone (128) anschließend mit einer Endkontur (144) versehen wird, wobei die Endkontur (144) die herzustellende Verzahnung umfasst; und c) Entnehmen des Bauteils, welches die Endkontur (144) aufweist. Erfindungsgemäß können reibungsbedingte Verluste zwischen dem Werkzeug (110) und dem zu formenden Bauteil erheblich verringert werden. Hierdurch können sowohl das Material des Werkzeugs (110) als auch der Werkstoff des zu formenden Bauteils entlastet werden. Auf diese Weise lassen sich somit die Vorteile der sukzessiven Formgebung über eine lange Umformzone nutzen.

Description

Verfahren zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil und Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer
Verzahnung an einem Bauteil, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, und ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an einem Bauteil sowie Werkzeuge zur Durchführung derartiger Verfahren bekannt. Der Begriff der „Verzahnungen“ umfasst hierbei eine Formgebung eines Teils einer Oberfläche des Bauteils mit gegenüber der Oberfläche des Bauteils herausragenden oder in die
Oberfläche des Bauteils hineinragenden Formen, insbesondere spitze Geometrien, welche vorzugsweise zur Herstellung einer Verbindung, zur Erhöhung von Reibung oder zur Übertragung von Kräften und/oder Drehmomenten dienen können. Ein besonderes Beispiel ist eine Einbringung von Verzahnungen an eine seitliche Oberfläche eines Bauteils, welches in Form einer Scheibe vorliegt.
Verzahnungen an einem Bauteil werden häufig spannend hergestellt. Hierbei wird das für die Herstellung der Verzahnung vorgesehene Material oftmals mittels Warmumformung oder Halbwarmumformung vorverteilt. Bei der Warmumformung, welche auch als „Schmieden“ bezeichnet wird, wird das Bauteil über eine Rekristallisationstemperatur des betreffenden Materials erwärmt, während bei der Halbwarmumformung die Bauteile vor dem Einlegen in das Werkzeug auf eine gewisse Temperatur unterhalb der
Rekristallisationstemperatur erwärmt werden. Ein Kaltumformprozess, bei welchem das Bauteil vor dem Einlegen nicht erwärmt wird, führt zumeist nur zu unzureichend ausgeprägten Verzahnungen sowie zu einer hohen Belastung einer dafür eingesetzten Matrize. In dem Kaltumformprozess kann häufig keine ausreichende Formfüllung erzielt werden, obwohl, um die Formfüllung zu erhöhen, oftmals hohe Umformkräfte mittels einer Presse ausgeübt werden, so dass ein dafür eingesetztes Werkzeug einer sehr hohen Beanspruchung ausgesetzt wird. Ein Warmumformprozess resultiert in der Regel zwar in höheren erzielbaren Formfüllungen und damit etwas besser ausgeprägten Verzahnungen; ist häufig jedoch ebenfalls nicht wirtschaftlich, da an der Presse eine aufwändige und kostenintensive Anlage zur Bauteilerwärmung erforderlich ist, wodurch insbesondere ein flexibler Einsatz des Werkzeugs erschwert werden kann. Weiterhin kann durch die hierbei auftretende Wärmeeinbringung in das Material ein Verzug auftreten, so dass sich oftmals der Toleranzbereich für Abmessungen der Endkonturen des Bauteils vergrößert. Eine spanende Nacharbeitung ist insbesondere aus wirtschaftlicher Sicht nicht erwünscht. http://www.lft.uni-erlanqen.de/?option=com sfbpaqes&view=proiekt&id=234 (abgerufen am 17.10.2018) beschreibt das so genannte„Samanta“-Verfahren, welches der
Kaltmassivumformung zuzuordnen ist. Insbesondere wird hierbei ein fließpress- technisches Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern vorgeschlagen. Bei dem auch als „Fließpressen im Paket“ bezeichneten Verfahren werden mehrere gestapelte Bauteile gleichzeitig durch eine Matrize gepresst. Aufgrund einer hohen Mengenleistung bei einer gleichzeitig ressourcenschonenden Fertigung von Zahnrädern bietet dieses Verfahren neben einer materialeffizienten Herstellung auch verbesserte Eigenschaften der gefertigten Bauteile. Weiterhin wird jedoch beschrieben, dass eine kostenintensive spanende Nachbearbeitung in einem zusätzlichen Prozessschritt unvermeidbar ist. Ein Forschungsvorhaben zielt daher auf ein grundlegendes Verständnis über Einflussgrößen hinsichtlich der Genauigkeit der hergestellten Bauteile, insbesondere in Bezug auf Stofffluss und Formfüllung der Zahnkavität.
WO 99/08820 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltzahnrades mit koaxial angeordneten und axial vorstehenden Schaltzähnen, die einen axialen
Hinterschnitt haben. Dazu werden eine Schaltzahnrad-Vorform mit vorgeformten
Schaltzähnen und ein Umformwerkzeug mit entsprechenden Zahnausnehmungen in Eingriff gebracht und zueinander in eine taumelnde Kreisbewegung versetzt. Beschrieben werden ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein mit dem
Verfahren herstellbares Schaltzahnrad. Letzteres zeichnet sich dadurch aus, dass die Flanken der Schaltzähne nach Beendigung des Herstellungsverfahrens konkav ausgebildet sind, wodurch sich ein Hinterschnitt ergibt.
WO 2007/009476 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung auf einem Bauteil einer Welle-Nabe-Verbindung, wobei das Bauteil permanent in einer Rufspannung gehaltert wird, während es in dieser Aufspannung eine zumindest zweistufige Verzahnung erhält. Auch wird eine spezielle Ziehmatrize zur Durchführung des Verfahrens
vorgeschlagen, wobei zwischen einer ersten und einer zweiten Stirnseite ein erster verzahnungsbildender Bereich mit einer ersten Höhe und zumindest ein nachfolgender zweiter verzahnungsbildender Bereich mit zumindest einer zweiten Höhe angeordnet sind und die erste Höhe geringer ausgebildet ist als die zweite Höhe.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil und ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens wird in der JP 5 070 516 B2 offenbart.
Trotz zahlreicher Vorteile beinhalten diese Verfahren und Werkzeuge noch
Verbesserungspotenzial. Insbesondere vor dem Hintergrund des oben beschriebenen „Samanta“-Verfahrens besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein
Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an einem Bauteil, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, sowie ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, welche die Herstellung von möglichst exakten Verzahnungen an wellen- bzw. rohrförmigen Bauteilen in hoher Qualität mittels Kaltmassivumformung ermöglichen. Hiermit soll insbesondere eine Verringerung der Umformkraft und damit der Belastung des formgebenden Werkzeugs einhergehen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer
Verzahnung an einem Bauteil, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, sowie ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche in Form eines formgebenden Werkzeugs. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil. Der Begriff der„Verzahnungen“ umfasst, wie eingangs bereits erwähnt, hierbei eine Formgebung eines Teils einer Oberfläche des Bauteils mit gegenüber einer mittleren Oberfläche des Bauteils herausragenden oder in die Oberfläche des Bauteils hineinragenden Formen, insbesondere in Form mindestens einer Zacke, Zinke oder eines Keils, welche vorzugsweise zur Herstellung einer
Verbindung mit einem weiteren Bauteil, zur Erhöhung von Reibung zu einer Oberfläche oder zur Übertragung von Kräften und/oder Drehmomenten auf ein weiteres Bauteil oder eine Oberfläche dienen können. Ein besonders bevorzugtes Beispiel ist eine Einbringung von Verzahnungen an eine seitliche Oberfläche (Außenseite) eines Bauteils, welches beispielsweise in Form einer Scheibe vorliegt. Andere Arten von Verzahnungen sind jedoch möglich.
Das hier vorgeschlagene Verfahren gehört zur Familie der Umformverfahren und kann aufgrund der dabei auftretenden geringen Kräfte als Verfahren zur Kaltumformung wirken. Alternativ kann das vorgeschlagene Verfahren jedoch auch im Warmumformbereich verwendet werden. Hierbei kann insbesondere eine Massivumformung erfolgen, wobei der Begriff der„Massivumformung“ ein Verfahren bezeichnet, welches die Herstellung eines Bauteils in einem einstufigen oder mehrstufigen Fertigungsvorgang ermöglicht. Während des Fertigungsvorgangs kann zudem ein so genanntes„Fließpressen“ auftreten, wobei eine Erzeugung einer Endkontur des umzuformenden Bauteils überwiegend mittels Druckbeanspruchung erfolgt.
Der Begriff des„Bauteils“ bezieht sich auf ein Werkstück, das in Form eines Vollkörpers oder auch eines Hohlkörpers vorliegen kann. In einer besonders bevorzugten
Ausgestaltung kann das Bauteil hierbei als Scheibe bereitgestellt werden und einen runden, ovalen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen. Andere Formen des Bauteils sind jedoch möglich. Das Bauteil umfasst hierbei wenigstens an seiner Oberfläche, bevorzugt jedoch in seinem vollständigen Volumen, einen Werkstoff, welcher durch Fließpressen umformbar ist. Hierzu gehören insbesondere metallische Werkstoff, welche wenigstens ein Metall oder eine Legierung aus mindestens zwei Metallen umfassen. Besonders bevorzugt zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens sind Bauteile aus Werkstoffen mit hohem Formänderungsvermögen, insbesondere unlegierte und niedriglegierte Stähle sowie Nichteisenmetalle und -legierungen. Andere Materialien als Werkstoff für das Bauteil sind jedoch möglich.
Zur Durchführung des Umformverfahrens können formgebende Werkzeuge, insbesondere so genannte„Fließpresswerkzeuge“ verwendet werden, welche zumeist eine Matrize und einen Stempel umfassen können. Andere Arten von formgebenden Werkzeugen, insbesondere ein Dorn, sind jedoch möglich. Der Begriff des„Doms“ bezieht sich hierbei auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Innenkonturen. Der Begriff des„Stempels“ bezeichnet hierbei eine Vorrichtung, welche zusammen mit einer Führung in der Matrize dazu eingerichtet ist, um derart eine Kraft auf das Bauteil oder eines Teils davon auszuüben, dass sich das Bauteil oder der Teil davon entlang eines vorgegebenen Weges oder Pfades bewegen kann, welcher auch als„Stempelweg“ bezeichnet wird. Im Falle der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, wenn der Stempel zur
Ausübung einer Bewegung des Bauteils eingerichtet ist, während die Matrize ortsfest gelagert ist. In dieser Ausgestaltung kann ein so genanntes„Fließpressen im Paket“ erfolgen, während dessen mehrere aufeinander gestapelte Bauteile nacheinander durch die Matrize gepresst werden. Hierbei kann ein weiteres Bauteil, das auf einem
betreffenden Bauteil aufliegt, als Stempel eingesetzt werden. Für diesen Zweck können insbesondere Bauteile, welche, wie oben beschrieben, bevorzugt als Scheibe vorliegen, dienen. Andere Arten der Ausgestaltung der Matrize und/oder des Stempels sind jedoch denkbar. Alternativ kann die für die Kraftbeaufschlagung des Bauteils erforderliche Kraft auch über das Bauteil selbst eingebracht werden, insbesondere beim so genannten „Abstreckgleitziehen“, welches für einen Einsatz zur Wanddickenreduktion von napfförmigen Bauteilen bekannt ist, wobei die Kraftbeaufschlagung über einen Napfboden erfolgt und die umzuformende Napfwand durch das formgebende Werkzeug geführt werden kann. Hierbei lassen sich sowohl Innenkonturen als auch Außenkonturen in das Bauteil einbringen.
Das vorliegende Verfahren umfasst hierbei die im Folgenden beschriebenen Schritte a) bis c):
a) Bereitstellen eines Werkzeugs, welches eine Aussparung zur Führung des Bauteils entlang eines vorgegebenen Weges aufweist, wobei die Aussparung entlang des Weges zumindest eine Vorformzone und eine Prägezone umfasst, wobei zumindest die Vorformzone mindestens einen in die Aussparung eingebrachten Hinterschnitt aufweist, und wobei die Prägezone eine Kontur zur Erzeugung einer Verzahnung an dem Bauteil aufweist;
b) Einbringen des Bauteils in das Werkzeug und Kraftbeaufschlagung des Bauteils zur Führung des Bauteils derart entlang des Weges, dass das Bauteil hierbei zunächst die Vorformzone und hieran anschließend die Prägezone passiert, wobei das Bauteil in der Vorformzone zunächst in eine Vorform gebracht wird und wobei das Bauteil in der Prägezone anschließend mit einer Endkontur versehen wird, wobei die Endkontur die herzustellende Verzahnung umfasst; und
c) Entnehmen des Bauteils, welches die Endkontur aufweist.
Hierbei können, auf ein einzelnes Bauteil bezogen, die Schritte a) bis c) bevorzugt nacheinander ausgeführt werden. Allerdings kann auch besonders vorteilhaft sein, die Schritte b) und c) mehrfach zu wiederholen und insbesondere für mehrere aufeinander gelegte Bauteile auch zumindest teilweise gleichzeitig auszuführen, insbesondere während des hierein ebenfalls beschriebenen Fließpressens im Paket. Andere
Ausgestaltungen des Verfahrens sind jedoch möglich.
Gemäß Schritt a) wird ein formgebendes Werkzeug, vorzugsweise in Form einer Matrize, zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens bereitgestellt. Wie jedoch bereits erwähnt, ist alternativ auch ein Einsatz von anderen formgebenden Werkzeugen, wie insbesondere einem Dorn, möglich. Im Folgenden wird das vorliegenden Verfahren ohne Beschränkung der Allgemeinheit unter Verwendung einer Matrize als das formgebende Werkzeug dargestellt. Der Begriff der„Matrize“ bezeichnet hierbei eine Einrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens, welche mit einem Stempel derart zusammenwirkt, dass hierdurch Fließpresswerkzeuge bereitgestellt werden, die sich zur Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens aus dem Bereich des Fließpressens einsetzen lassen. Die Matrize kann hierbei einen Trägerkörper umfassen, der bevorzugt ein Material aufweist, welches hierbei auftretenden Umformkräften und Druckbeanspruchungen standhalten kann. Besonders bevorzugt zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens ist eine Matrize aus einem Hartmetall, einem Werkzeugstahl oder einer technischen Keramik. Andere Materialien für die Matrize sind jedoch möglich. Matrizen mit einfachen
geometrischen Formen können dabei spanend hergestellt werden, andere
Fertigungsverfahren sind jedoch möglich. Für Matrizen, die eine komplexe Ausführung unter Verwendung eines Hinterschnitts aufweisen, kann vorzugsweise eine additive Fertigung, insbesondere mittels eines 3D-Druckverfahren und einer anschließenden Nachbearbeitung, eingesetzt werden.
Die vorgeschlagene Matrize weist eine Aussparung auf, welche vorzugsweise in den Trägerkörper eingebracht ist. Die Aussparung verfügt hierbei über eine Form, durch welche sie dazu eingerichtet sein kann, um sowohl das Bauteil aufzunehmen als auch das so aufgenommene Bauteil entlang eines vorgegebenen Weges zu führen. Der Begriff der „Aussparung“ beschreibt hierbei eine Vertiefung in einem Teil des Trägerkörpers, welche von dem Material des Trägerkörpers freibleibt. Der Begriff der„Aufnahme“ oder „Aufnahmezone“ kann hierbei eine bevorzugte Einrichtung in dem Trägerkörper bezeichnen, welche dazu eingerichtet sein kann, um mindestens einen zur Einbringung einer Verzahnung vorgesehenen Teil des Bauteils aufzunehmen. In einer alternativen Ausgestaltung kann jedoch auf die Aufnahmezone verzichtet werden, insbesondere bei weiteren denkbaren Verfahren wie dem Abstreckgleitziehen. Der Begriff der„Führung“ bezeichnet eine weitere Einrichtung in dem Trägerkörper, welche dazu ausgestaltet ist, um bei der Kraftbeaufschlagung des Bauteils mit dem Stempel eine Bewegung mindestens des zur Einbringung der Verzahnung vorgesehenen Teil des Bauteils entlang des vorgegebenen Weges zu ermöglichen.
Die vorgeschlagene Matrize weist in der Aussparung entlang des Weges eine Prägezone auf. Der Begriff der„Prägezone“ bezeichnet hierbei eine Umformzone in dem
Trägerkörper, welche eine Kontur zur Erzeugung der gewünschten Verzahnung an dem dafür vorgesehenen Bereich des Bauteils, insbesondere an einer Außenseite des
Bauteils, umfasst. Die Prägezone kann hierzu insbesondere eine Oberfläche aufweisen, welche einer Negativform der gewünschten Verzahnungen an den Bauteilen entspricht. Hierzu kann die Prägezone an Stellen, an welchen die Oberfläche des Bauteils
gegenüber einer mittleren Oberfläche des Bauteils herausragende Formen aufweisen soll, eine Vertiefung aufweisen, während sie an Stellen, an denen in die Oberfläche des Bauteils gegenüber der mittleren Oberfläche des Bauteils hineinragende Formen aufweisen soll, über entsprechende Vorsprünge verfügen kann.
Erfindungsgemäß weist die vorgeschlagene Matrize in der Aussparung entlang des Weges zusätzlich zu der Prägezone eine Vorformzone auf. Der Begriff der„Vorformzone“ bezeichnet hierbei eine weitere Umformzone in dem Trägerkörper, welche eine Kontur zur Erzeugung einer vorläufigen Form (Vorform) an dem Bereich des Bauteils erzeugt, welcher für die spätere Verzahnung vorgesehen ist. Die Vorformzone kann hierzu insbesondere eine Oberfläche aufweisen, welche einer Negativform der Vorform des betreffenden Teils des Bauteils entspricht. Die Vorform des Teils des Bauteils weist hierbei jedoch nicht bereits die gewünschte Endkontur des betreffenden Teils des Bauteils auf, sondern unterscheidet sich noch von der Endkontur, welche erst in der Prägezone erzeugt wird. Wie in den Ausführungsbeispielen beispielhaft dargestellt, verfügt die Vorform über Ähnlichkeiten in Bezug auf die Endkontur, zeigt jedoch insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen Abweichungen von einer Geometrie der Endkontur. Die mit dem vorliegenden Verfahren erzielbaren fertigungstechnische Vorteile beziehen sich insbesondere auf die Herstellung des gewünschten Bauteils. Andererseits sind die Übergänge zwischen der Aufnahmezone, der Vorformzone und der Prägezone derart ausgestaltet, dass möglichst tangentenstetige Übergänge zwischen den Konturen der einzelnen Zonen auftreten. Dieses Merkmal kann beispielhaft den unten stehenden Ausführungsbeispielen entnommen werden.
Die Oberfläche der Vorformzone, welche einer Negativform der Vorform des Teils des Bauteils entspricht, weist zusätzlich mindestens einen in die Aussparung eingebrachten Hinterschnitt auf. Der Begriff des„Hinterschnitts“ oder der„Hinterschneidung“ bezeichnet hierbei zumindest eine Stelle mindestens in der Vorformzone, an welcher die Oberfläche der Aussparung in dem Trägerkörper der Matrize derart ausgestaltet ist, dass das nicht umgeformte Teil des Bauteils nicht an diese Stelle gelangen kann. Zusätzlich kann sich der Hinterschnitt auch zumindest teilweise über die Prägezone und/oder über die
Aufnahmezone erstrecken. Die Ausgestaltung des Hinterschnitts kann insbesondere abhängig von der Endkontur und der Vorformkontur des Bauteils sein. Hierbei kann die Geometrie des Hinterschnitts vorzugsweise individuell durch Ergebnisse aus Simulationen iterativ ausgearbeitet werden. In Folge dieser Ausgestaltung verbleibt an diesen Stellen ein nicht von dem Trägerkörper ausgefülltes Volumen zwischen dem Trägerkörper und dem nicht umgeformten Teil des Bauteils. Dieses Volumen kann jedoch besonders vorteilhaft bei der Durchführung der Massivumformung des Bauteils eingesetzt werden, insbesondere um ein Volumen für eine einfachere Lenkung und/oder Vorverteilung des Werkstoffs aus dem Bauteil bereitzustellen. Da überschüssiges Material aus dem Bauteil in den Hinterschnitt ausweichen kann, können hierdurch der Druck und Belastung der Matrize verringert werden. Darüber hinaus kann ein Vorhandensein des Hinterschnitts zudem die Reibung verringern.
Gemäß Schritt b) erfolgt ein Einbringen des zu formenden Bauteils in die Aufnahme der Matrize und eine Kraftbeaufschlagung des Bauteils, insbesondere ein Beaufschlagen des Bauteils mit einem Stempel, zur Führung des Bauteils entlang des Weges, insbesondere entlang des Stempelwegs. Hierbei passiert das Bauteil, insbesondere eine Außenseite des Bauteils, zunächst die Vorformzone, wobei das Bauteil, insbesondere die Außenseite des Bauteils, in der Vorformzone zunächst in mindestens eine Vorform gebracht wird, vorzugsweise ohne dass eine sich in radiale Richtung nach außen ausbildende
Materialanhäufung des Bauteils mit der Matrize in Kontakt treten kann, und hieran anschließend die Prägezone, wobei das Bauteil, insbesondere die Außenseite des Bauteils, in der Prägezone mit einer Endkontur versehen wird, wobei die Endkontur die herzustellende Verzahnung umfasst. Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die vorgesehene Verzahnung, welche vorzugsweise einzelne Zähne eines Zahnrads umfassen kann, in der Vorformzone zunächst mit einer weiteren geometrischen Ausdehnung, insbesondere mit einer höheren Breite, Dicke und/oder Höhe, als ein Sollmaß für die die vorgesehene Verzahnung vorgeformt werden und über die Vorformzone schrittweise verjüngt werden. Hieran anschließend kann in der
Prägezone der Hinterschnitt kontinuierlich auf das gewünschte Sollmaß verringert werden. Damit lässt sich zum Beispiel ein Zahnkopf vor dem Zahnfuß formen. Auf diese Weise kann entlang des Weges, d.h. von einem Beginn der Vorformzone an bis zu einem Ende der Prägezone hin, eine sehr lange Umformzone geschaffen werden. Ausgehend vom Stand der Technik würde aufgrund einer dadurch erhöhten Reibung davon ausgegangen werden können, dass auf diese Weise höhere Umformkräfte auftreten und den Vorteilen der beschriebenen sukzessiven Formgebung entgegenwirken würden. Da jedoch insbesondere im Unterschied zur WO 2007/009476 A1 der in der Vorformzone erfindungsgemäß in die Matrize eingebrachte Hinterschnitt somit in der aktiven Umformzone angeordnet ist, können die Gesamtreibungsverluste zwischen der Matrize und dem zu formenden Bauteil erheblich verringert werden. Hierdurch kann sowohl das Material der Matrize oder des Stempels als auch der Werkstoff des zu formenden Bauteils entlastet werden. Auf diese Weise lassen sich somit die Vorteile der sukzessiven Formgebung über eine lange Umformzone nutzen, ohne dass hierdurch die oben erwähnten zusätzlichen Nachteile auftreten würden.
Gemäß Schritt c) erfolgt schließlich ein Entnehmen des Bauteils, welches die Endkontur aufweist, aus der entsprechenden Aussparung der Matrize.
Die Herstellung von möglichst exakten Verzahnungen an wellenförmigen und/oder rohrförmigen Bauteilen in hoher Qualität vorzugsweise mittels Kaltmassivumformung kann somit durch ein ausgewogenes Zusammenspiel verschiedener Wirkmechanismen erfüllt werden, wobei die Wirkmechanismen insbesondere eine sukzessive Formgebung der Verzahnung und die Verringerung der Reibungsverhältnisse sowie eine
Materialentlastung durch den Hinterschnitt in de formgebenden Werkzeug umfassen. Mit dem vorliegenden Verfahren lassen sich somit Verzahnungen an einem Bauteil mittels eines Kaltumformverfahrens, d.h. ohne zusätzliche Erwärmung, hersteilen. Eine
Herstellung mittels Warmumformen ist jedoch ebenfalls denkbar. Durch die vorliegende Massivumformung kann eine sehr hohe Oberflächengüte erzielt werden; eine spanende Nacharbeit kann zumindest entfallen, gegebenenfalls verbleibt nur noch eine
Nacharbeitung von Stirnseiten des Bauteils. Damit ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren eine sehr wirtschaftliche Fertigung von Zahnrädern und anderen Bauteilen.
Durch den Hinterschnitt und die sukzessive Formgebung des Bauteils können die auftretenden Prozesskräfte erheblich verringert werden. Eine Belastung der Matrize kann erheblich verringert werden, wodurch einerseits die Standzeit der Matrize gesteigert und andererseits die Bauteilqualität der damit hergestellten Bauteile erhöht werden kann. Im Unterschied zum dem eingangs beschriebenen Samanta-Verfahren wird die Verzahnung hierbei sukzessiv bei gleichzeitiger graduell-transversaler Matrizenentlastung erzeugt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens zur Herstellung einer Verzahnung an einem Bauteil durchzuführen. Das Computerprogramm kann hierbei insbesondere in einem elektronischen Speicher vorgehalten werden. Der elektronische Speicher kann hierbei insbesondere in einen Computer, einen
Mikrocomputer oder einen programmierbaren Chip, z.B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (engl application-specific integrated Circuit ; ASIC) oder ein FPGA (engl field-programmable gate Array) eingebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Computerprogramm extern, insbesondere auf einem Server oder in einer Cloud, gespeichert und online zur Verfügung gestellt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein formgebendes Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil, wobei das Werkzeug vorzugsweise in Form einer Matrize ausgestaltet sein kann. Andere Arten der Ausgestaltung des formgebenden Werkzeugs, insbesondere in Form eines Doms, sind jedoch möglich. Das Werkzeug umfasst eine Aussparung, welche sowohl zur Aufnahme des Bauteils als auch zur Führung des Bauteils entlang eines vorgegebenen Weges, insbesondere eines vorgegebenen Stempelwegs, eingerichtet sein kann. Das Werkzeug umfasst ferner eine Prägezone entlang des Weges, welche eine Kontur zur Erzeugung einer Verzahnung an dem Bauteil aufweist. Das vorgeschlagene Werkzeug umfasst ferner entlang des Weges eine Vorformzone, welche mindestens einen in die Aussparung eingebrachten Hinterschnitt aufweist. Zusätzlich kann sich der Hinterschnitt auch zumindest teilweise über die Prägezone und/oder über die
Aufnahmezone erstrecken. Die Vorformzone kann hierbei derart entlang des Weges angeordnet sein, dass das Bauteil zuerst durch die Vorformzone und anschließend durch die Prägezone führbar ist. Die Vorformzone kann hierbei insbesondere dazu eingerichtet sein, um eine vorläufige Verzahnung in das Bauteil einzubringen, wobei jeder einzelne Zahn in der vorläufigen Verzahnung eine weitere geometrische Ausdehnung,
insbesondere eine höhere Breite, Dicke und/oder Höhe, im Vergleich zu der
vorgesehenen geometrischen Ausdehnung jedes einzelnen Zahns in der Endkontur aufweist. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das Computerprogramm und auf das Werkzeug wird auf die vorstehende Beschreibung des Verfahrens sowie auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele verwiesen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Teils eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in Form einer Matrize in Ansicht von unten (Figur 1A), in isometrischer Ansicht (Figuren 1 B und 1 C) sowie in Seitenansicht (Figur 1 D);
Figur 2: eine schematische Darstellung von beispielhaften Konturen der
Matrize zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Aufsicht (Figur 2A) und in Seitenansicht (Figur 2B);
Figur 3: ein Vergleich von Kontaktflächen eines Bauteils mit einer
herkömmlichen Matrize in einem bekannten Verfahren zur
Herstellung von Zahnrädern (Figur 3A; Stand der Technik) und mit der erfindungsgemäßen Matrize gemäß Figur 1 und 2 (Figur 3B); Figur 4: ein Vergleich von ausgeübten Stempelkräften in einem
herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern
(durchgezogene Linie; Stand der Technik) sowie in dem
erfindungsgemäßen Verfahren (gestrichelte Linie); und
Figur 5 eine schematische Darstellung der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in Form einer Matrize 110, welches zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil (nicht dargestellt) eingerichtet ist. Anstelle der Matrize kann jedoch auch ein anderes formgebendes Werkzeug eingesetzt werden, insbesondere ein Dorn. Figur 1A zeigt eine Ansicht eines Teils 1 12 der Matrize 1 10 von unten, Figur 1 B einen Abschnitt 114 der Matrize 1 10 in isometrischer Ansicht, wobei der Abschnitt 114 aus der Matrize 110 mehrere Zahnsegmente 116 umfasst, Figur 1 C ein einzelnes Zahnsegment 1 16 der Matrize 1 10 ebenfalls in isometrischer Ansicht und Figur 1 D eines der Zahnsegmente 1 16 in Seitenansicht.
Die in Figur 1 dargestellte Matrize 1 10 umfasst einen Trägerkörper 118, weicher ein Material aufweist, das während des vorliegenden Verfahrens auftretenden Umformkräften und Druckbeanspruchungen standhalten kann. Besonders bevorzugt ist hierbei ein Hartmetall, ein Werkzeugstahl oder eine technische Keramik. Andere Materialien für die den Trägerkörper 118 sind jedoch möglich. In dieser Ausführung ist die Matrize 1 10 zur Herstellung von Verzahnungen an Bauteilen eingerichtet, welche Werkstoffe mit hohem Formänderungsvermögen, insbesondere unlegierte und niedriglegierte Stähle sowie Nichteisenmetalle und -legierungen, als Werkstoff aufweisen können. Andere Materialien als Werkstoff für das Bauteil sind jedoch möglich.
Der Trägerkörper 1 18 der Matrize 110 weist hierbei eine Aussparung 120 auf, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet ist, um sowohl das umzuformende Bauteil aufzunehmen als auch das so aufgenommene Bauteil entlang eines
vorgegebenen Weges, welcher insbesondere aufgrund der Verwendung eines Stempels hier als Stempelweg 122 bezeichnet wird, zu führen. Wie aus den Figuren 1 B bis 1 C hervorgeht, weist die Matrize 1 10 in der Aussparung 120 entlang des Stempelwegs 122 hierzu verschiedene Zonen 124, 126, 128 auf, die als Aufnahmezone 124, Vorformzone 126 und Prägezone 128 bezeichnet und im Folgenden näher beschrieben werden.
Die Aufnahmezone 124 ist dazu eingerichtet, um mindestens ein umzuformendes Bauteil aufzunehmen und kann für diesen Zweck eine insbesondere an eine seitliche Oberfläche (Außenseite) des Bauteils angepasste Oberfläche 130 aufweisen. Mittels eines Stempels (nicht dargestellt) kann derart eine Kraft auf das Bauteil oder ein Teil davon ausgeübt werden, um zusammen mit der Führung des Bauteils oder des Teils davon in der Aussparung 120 der Matrize 110 das Bauteil oder den Teil davon entlang des
vorgegebenen Stempelwegs 122 zu bewegen. Vorzugsweise ist der Stempel zur Ausübung der Bewegung des Bauteils eingerichtet ist, während die Matrize 110 ortsfest gelagert ist. Hierdurch kann ein sogenanntes„Fließpressen im Paket“ erfolgen, während dessen mehrere aufeinander gestapelte Bauteile nacheinander über die Aufnahme 120 durch die Matrize 110 gepresst werden. Hierbei kann ein weiteres Bauteil, das auf einem betreffenden Bauteil aufliegt, zur Kraftübertragung durch den Stempel eingesetzt werden. Für diesen Zweck lassen sich insbesondere Bauteile, welche bevorzugt als Scheibe vorliegen, einsetzen. Eine andere Ausgestaltung, wie beispielsweise als Stangen- oder Rohrabschnitte, ist jedoch möglich.
Das aus der Aufnahmezone 124 entlang des vorgegebenen Stempelwegs 122 bewegte Bauteil durchquert zunächst die Vorformzone 126, bevor es in die Prägezone 128 eintritt. Die Prägezone 128 bezeichnet hierbei eine Umformzone in der Aussparung 120 des Trägerkörpers 1 18, welche eine Kontur zur Erzeugung der gewünschten Verzahnung an dem dafür vorgesehenen Teil des Bauteils, insbesondere an einer Außenseite des Bauteils, aufweist. Die Prägezone 128 kann hierzu insbesondere eine Oberfläche 132 aufweisen, welche einer Negativform der gewünschten Verzahnungen an den Bauteilen entspricht, welche auch als„Endkontur“ bezeichnet wird. Hierzu kann die Prägezone 128 an Stellen, an welchen die Oberfläche des Bauteils gegenüber einer mittleren Oberfläche des Bauteils herausragende Formen aufweisen soll, eine Vertiefung 134 aufweisen, während sie an Stellen, an denen in die Oberfläche des Bauteils gegenüber der mittleren Oberfläche des Bauteils hineinragende Formen aufweisen soll, über entsprechende Vorsprünge 136 verfügen kann.
Wie oben bereits erwähnt, kann das bewegte Bauteil entlang des vorgegebenen
Stempelwegs 122 zunächst die Vorformzone 126 durchqueren, bevor es in die Prägezone 128 eintritt. Die Vorformzone 126 bezeichnet hierbei eine weitere Umformzone in der Aussparung 120 des Trägerkörpers 118, welche dazu eingerichtet ist, um eine Kontur zur Erzeugung einer vorläufigen Form (Vorform) an demjenigen Teil des Bauteils, das für die spätere Verzahnung vorgesehen ist, zu erzeugen. Die Vorformzone 126 kann hierzu insbesondere eine Oberfläche 138 aufweisen, die einer Negativform der Vorform des betreffenden Teils des Bauteils entspricht. Die Vorform des Teils des Bauteils weist hierbei jedoch nicht bereits die gewünschte Endkontur des betreffenden Teils des Bauteils auf, sondern unterscheidet sich noch von der Endkontur, welche erst anschließend in der Prägezone 128 erzeugt wird. Wie in Figur 2 beispielhaft dargestellt, verfügt die Vorform über Ähnlichkeiten zur Endkontur, zeigt jedoch insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen Abweichungen von der Geometrie der Endkontur.
Die Oberfläche 138 der Vorformzone 126, welche einer Negativform der Vorform des Teils des Bauteils entspricht, weist mindestens einen in die Aussparung 120 in dem Trägerkörper 1 18 eingebrachten Hinterschnitt 140 auf. Der Hinterschnitt 140 bezeichnet hierbei zumindest eine Stelle in der Vorformzone 126, an welcher die Oberfläche 138 der die Vorformzone 126 ausbildenden Aussparung 120 in dem Trägerkörper 118 der Matrize 1 10 derart ausgestaltet ist, dass das nicht umgeformte Teil des Bauteils, welches für die Erzeugung der Vorform vorgesehen ist, nicht an diese Stelle gelangen kann. Zusätzlich kann sich der Hinterschnitt 140 auch zumindest teilweise über die Aufnahmezone 124 und/oder über die Prägezone 128 erstrecken. Hierdurch verbleibt an den von dem Hinterschnitt 140 ausgebildeten Stellen ein nicht von dem Trägerkörper 118 ausgefülltes Volumen zwischen dem Trägerkörper 118 und dem nicht umgeformten Teil des Bauteils, das für die Erzeugung der Vorform vorgesehen ist. Dieses von dem Hinterschnitt 140 ausgebildete Volumen kann jedoch besonders vorteilhaft bei der Durchführung der Massivumformung des Bauteils eingesetzt werden, insbesondere um ein Volumen für eine einfachere Lenkung und/oder Vorverteilung des Werkstoffs aus dem Bauteil bereitzustellen.
Wie insbesondere aus der Seitenansicht in Figur 1 D hervorgeht, sind die Oberflächen 130, 132, 138 der verschiedenen Zonen 124, 126, 128 in der Aussparung 120 des Trägerkörpers 118 so geformt, dass möglichst tangentenstetige Übergänge zwischen den Konturen von benachbart angeordneten Zonen 124, 126, 128 auftreten. Hierbei ist die Kontur 142 der Aufnahmezone 124 parallel zur Richtung des Stempelwegs 122 angeordnet. Dies trifft ebenfalls auf den in Figur 1 D dargestellten Ausschnitt der Kontur 144 aus der Oberfläche 132 der Prägezone 128 zu, welcher sich auf einen Bereich der Kontur 144 beschränkt, der an ein benachbartes Zahnsegment 1 16 angrenzt.
Demgegenüber ist die Kontur 146 der Vorformzone 126 geneigt, wobei die beispielhaft in Figur 1 D gezeigte Ausführung eine erste Zwischenkontur 148 mit einer ersten Neigung um einem ersten Neigungswinkel cu sowie eine zweite Zwischenkontur 150 mit einer zweiten Neigung um einen zweiten Neigungswinkel a2 ^ cu, jeweils gegenüber der Richtung des Stempelwegs 122 aufweist, wobei auch hier jeweils tangentenstetige Übergänge zwischen den Konturen 142, 148, 150, 144 vorgesehen sind. Andere
Ausgestaltungen der Kontur 146 der Vorformzone 126, beispielsweise eine Kontur mit einem einheitlichen Neigungswinkel oder eine Kontur, welche in mehr als zwei Bereiche aufgeteilt ist, sind jedoch möglich.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung von verschiedenen Konturen der Matrize 1 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Verzahnung an einem Bauteil in Aufsicht (Figur 2A) und in Seitenansicht (Figur 2B). Wie bereits erwähnt, ist die Kontur 142 der Aufnahmezone 124 parallel zur Richtung des
Stempelwegs 122 angeordnet und ist daher im vorliegenden Fall in der Aufsicht auf die Matrize 1 10 als Kreissegment ausgeführt, um eine möglichst gute Anpassung an eine seitliche Oberfläche (Außenseite) eines runden Bauteils zu erzielen. Aus der Kontur 142 in der Aufnahmezone 124, die auch als„Ausgangskontur“ bezeichnet werden kann, kann durch Kaltmassivumformung gemäß dem vorliegenden Verfahren schließlich die Kontur 144 in der Prägezone 128, welche auch als„Endkontur“ bezeichnet werden kann, erzeugt werden.
Wie in Figur 1 D und 2B schematisch dargestellt, kann die Vorformzone 126 bevorzugt eine Ausführung mit verschiedenen Konturen aufweisen, welche jeweils tangentenstetig sowohl ineinander als auch zu der vorangehenden Aufnahmezone 124 und zu der nachfolgenden Prägezone 128 übergehen. In dieser Ausführung werden in der
Vorformzone 126 sukzessiv aus der zu Beginn der Vorformzone 126 anliegenden Ausgangskontur 142 die erste Zwischenkontur 148 und die zweite Zwischenkontur 150 erzeugt, bevor eine Vorform 152 erhalten wird. Die Vorform 152 unterscheidet sich dadurch von der zweiten Zwischenkontur 150 und insbesondere von der ersten
Zwischenkontur 148, dass deren Form der Endkontur 144 weit besser angenähert ist. Insbesondere weist jeder einzelne Zahn des umgeformten Bauteils in der vorläufigen Verzahnung gemäß der Vorform 152 eine höhere Breite im Vergleich zu der
vorgesehenen Breite jedes einzelnen Zahns in der Endkontur 144 auf. Erst in der Prägezone 128 wird das Bauteil so umgeformt, dass die Breite des einzelnen Zahns verringert wird, bis in der Endkontur 144 die vorgesehene Breite des einzelnen Zahns erreicht wird.
Hierbei zeigen die schraffierten Flächen zwischen einerseits der Ausgangskontur 142 und andererseits der ersten Zwischenkontur 148, der zweiten Zwischenkontur 150 und der Vorform 152 jeweils den Hinterschnitt 140, d.h. eine Stelle in der Vorformzone 126, an welche das nicht umgeformte Bauteil nicht gelangen kann. Hierdurch verbleibt an den, einen Hinterschnitt 140 aufweisenden Stellen in der Vorformzone 126 ein nicht ausgefülltes Volumen zwischen dem Trägerkörper 1 18 und dem nicht umgeformten Bauteil. Somit kann zunächst der Hinterschnitt 140 eingesetzt werden, um als Volumen für eine einfachere Lenkung und/oder Vorverteilung des Werkstoffs zu dienen, bevor die gewünschte Massivumformung des Bauteils durch Annäherung an die Form der
Endkontur 144 abgeschlossen werden kann.
Figur 3A zeigt eine schematische Darstellung einer Simulation von Kontaktflächen des Bauteils mit einer herkömmlichen Matrize 154 in einem bekannten Verfahren zur
Herstellung von Zahnrädern. Hieraus geht deutlich hervor, dass die aus dem Stand der Technik bekannte herkömmliche Matrize 154 eine im Wesentlichen ebene Kontaktfläche 156 aufweist, welche bei der Herstellung eines Zahnrads großflächig, d.h. über die gesamte Umformzone, mit der Außenseite des Bauteils in Berührung kommt.
Figur 3B zeigt demgegenüber, dass bei der Herstellung eines Zahnrads mit der erfindungsgemäßen Matrize 110 gemäß Figur 1 und 2 die Außenseite des Bauteils nur mit Teilflächen 158 in Berührung kommt, während mit den Flächen der Hinterschnitte 140 in der Matrize 1 10 kein Kontakt erfolgt. Während in der herkömmlichen Matrize 154 gemäß Figur 3A eine hohe Flächenpressung auftreten kann, ist die Flächenpressung bei Verwendung der erfindungsgemäßen Matrize 1 10 gemäß Figur 1 und 2 erheblich verringert.
Figur 4 zeigt jeweils einen Verlauf 160, 162 von numerisch ermittelten Stempelkräften F in kN über den Stempelweg s 122 in mm. Während die durchgezogene Linie den Verlauf 160 der Stempelkraft über den Stempelweg 122 gemäß den Stand der Technik in einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern illustriert, zeigt die gestrichelte Linie den Verlauf 162 der Stempelkraft über den Stempelweg 122 in dem hier
vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren. Aus dem in Figur 4 dargestellten Unterschied lässt sich eine erfindungsgemäß deutlich verringerte Stempelkraft erkennen, welche zudem nur sehr langsam über den Stempelweg 122 zunimmt. Hierbei wurde nur ein Bauteil durch die Matrize 110 gepresst, so dass die Kraft nach dem Maximum wieder abflacht. Wird jedoch das nächste Bauteil durch die Matrize geschoben, wird die Kraft wieder auf das Maximum ansteigen.
Da jedoch, insbesondere im Unterschied zur WO 2007/009476 A1 , bevorzugt über die gesamte Vorformzone 126 erfindungsgemäß ein Hinterschnitt 140 in die Matrize 1 10 eingebracht ist, lässt sich die Reibung zwischen der Matrize 1 10 und dem zu formenden Bauteil erheblich verringern und hierdurch sowohl das Material der Matrize 110 als auch der Werkstoff des zu formenden Bauteils entlasten. Durch den Hinterschnitt 140 und die sukzessive Formgebung des Bauteils können die auftretenden Umformkräfte erheblich verringert werden. Auf diese Weise lassen sich somit die Vorteile der sukzessiven Formgebung über eine vergleichsweise lange Umformzone, welche sowohl die
Vorformzone 126 als auch die Prägezone 128 umfasst, nutzen.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 164 zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil. ln einem Bereitstellungsschritt 166 erfolgt gemäß Schritt a) eine Bereitstellung der Matrize 110, welche die Aussparung 120 zur Aufnahme des Bauteils und zur Führung des Bauteils entlang des Stempelwegs 122 aufweist, wobei der Stempelweg 122 sukzessive die Aufnahmezone 124, die Vorformzone 126 und die Prägezone 128 umfasst, wobei die Vorformzone 126 den in die Aussparung 120 eingebrachten Hinterschnitt 140 aufweist, und wobei die Prägezone 128 über eine Kontur 144 zur Erzeugung der Verzahnung an dem Bauteil verfügt.
In einem Umformschritt 168 erfolgt gemäß Schritt b) eine Einbringung des Bauteils in die Aufnahmezone 124 der Matrize 110 und eine Kraftbeaufschlagung des Bauteils mit einem Stempel oder über ein zusätzliches, anschließend umzuformendes Bauteil gemäß des Samanta-Verfahrens, welches wiederum in Kontakt mit dem Stempel steht, zur Führung des Bauteils entlang des Stempelwegs 122, wobei das Bauteil zunächst die Vorformzone 126 und anschließend die Prägezone 128 passiert, wobei das Bauteil in der Vorformzone 126 zunächst in die Vorform 152 gebracht wird, und wobei das Bauteil in der Prägezone
128 anschließend mit der Endkontur 144 versehen wird, wobei die Endkontur 144 die herzustellende Verzahnung umfasst. Das Verfahren 164, insbesondere der Umformschritt 168, wird bei Raumtemperatur durchgeführt. In einem Entnahmeschritt 170 erfolgt schließlich gemäß Schritt c) eine Entnahme des
Bauteils, welches die gewünschte Endkontur 144 aufweist.
Liste der Bezugszeichen
110 Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens (Matrize)
112 Teil der Matrize
114 Abschnitt der Matrize
116 Zahnsegment
118 Trägerkörper
120 Aussparung
122 Stempelweg
124 Aufnahmezone
126 Vorformzone
128 Prägezone
130 Oberfläche der Aufnahmezone
132 Oberfläche der Prägezone
134 Vertiefung
136 Vorsprung
138 Oberfläche der Vorformzone
140 Hinterschnitt
142 Kontur der Aufnahmezone
144 Kontur der Prägezone
146 Kontur der Vorformzone
148 erste Zwischenkontur
150 zweite Zwischenkontur
152 Vorform
154 herkömmliche Matrize (Stand der Technik)
156 Kontaktfläche
158 Teilfläche
160 Kraft-Weg-Verlauf eines herkömmlichen Samanta-Verfahrens
162 Kraft-Weg-Verlauf eines Beispiels des vorliegenden Verfahrens
164 Verfahren zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil
166 Bereitstellungsschritt
168 Umformschritt
170 Entnahmeschritt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren (164) zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil, mit den Schritten:
a) Bereitstellen eines Werkzeugs (1 10), welches eine Aussparung (120) zur Führung des Bauteils entlang eines vorgegebenen Weges (122) aufweist, wobei die Aussparung (120) entlang des Weges (122) zumindest eine Vorformzone (126) und eine Prägezone (128) umfasst, wobei zumindest die Vorformzone (126) mindestens einen in die Aussparung (120) eingebrachten Hinterschnitt (140) aufweist, und wobei die Prägezone (128) eine Kontur (144) zur Erzeugung einer Verzahnung an dem Bauteil aufweist;
b) Einbringen des Bauteils in das Werkzeug (1 10) und Kraftbeaufschlagung des Bauteils zur Führung des Bauteils derart entlang des Weges (122), dass das Bauteil hierbei zunächst die Vorformzone (126) und hieran anschließend die Prägezone (128) passiert, wobei das Bauteil in der Vorformzone (126) zunächst in eine Vorform (152) gebracht wird und wobei das Bauteil in der Prägezone (128) anschließend mit einer
Endkontur (144) versehen wird, wobei die Endkontur (144) die herzustellende Verzahnung umfasst; und
c) Entnehmen des Bauteils, welches die Endkontur (144) aufweist.
2. Verfahren (164) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei eine Oberfläche (138) der die Vorformzone (126) ausbildenden Aussparung (120) in einem
T rägerkörper (118) des Werkzeugs (1 10) derart ausgestaltet ist, dass das nicht umgeformte Teil des Bauteils, welches für die Erzeugung der Vorform
vorgesehen ist, nicht an diese Stelle gelangen kann.
3. Verfahren (164) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an den von dem Hinterschnitt (140) ausgebildeten Stellen ein nicht von dem Trägerkörper (1 18) ausgefülltes Volumen zwischen dem T rägerkörper (118) und dem nicht umgeformten Teil des Bauteils, das für die Erzeugung der Vorform vorgesehen ist, verbleibt.
4. Verfahren (164) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
überschüssiges Material aus dem Bauteil in den Hinterschnitt (140) ausweichen kann.
5. Verfahren (164) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der
Hinterschnitt (140) über die gesamte Vorformzone (126) in die Aussparung (120) eingebracht ist.
6. Verfahren (164) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die
herzustellende Verzahnung eine Mehrzahl an einzelnen Zähnen aufweist, wobei die einzelnen Zähne an einer Außenseite des Bauteils angebracht werden.
7. Verfahren (164) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Bauteil in der Vorformzone (126) derart vorgeformt wird, dass eine vorläufige Verzahnung in das Bauteil eingebracht wird, wobei jeder einzelne Zahn in der vorläufigen Verzahnung eine von der vorgesehenen Endkontur (144) jedes einzelnen Zahns abweichende Kontur aufweist.
8. Verfahren (164) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Bauteil in der Prägezone (128) derart umgeformt wird, dass eine geometrische Ausdehnung des einzelnen Zahns verringert wird, bis die vorgesehene Endkontur (144) jedes einzelnen Zahns erreicht wird.
9. Verfahren (164) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Stempel oder ein weiteres Bauteil zur Kraftbeaufschlagung des Bauteils eingesetzt wird.
10. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des
Verfahrens (164) nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.
1 1. Werkzeug (1 10) zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil, umfassend eine Aussparung (120) zur Führung des Bauteils entlang eines vorgegebenen Weges (122) sowie eine Prägezone (128) entlang des Weges (122), wobei die Prägezone (128) eine Kontur (144) zur Erzeugung einer Verzahnung an dem Bauteil aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Werkzeug (1 10) entlang des Weges (122) weiterhin eine Vorformzone (126) umfasst, wobei zumindest die Vorformzone (126) mindestens einen in die Aussparung (120) eingebrachten Hinterschnitt (140) aufweist.
12. Werkzeug (1 10) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei eine Oberfläche (138) der die Vorformzone (126) ausbildenden Aussparung (120) in einem Trägerkörper (1 18) des Werkzeugs (1 10) derart ausgestaltet ist, dass das nicht umgeformte Teil des Bauteils, welches für die Erzeugung der Vorform
vorgesehen ist, nicht an diese Stelle gelangen kann.
13. Werkzeug (1 10) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei der Hinterschnitt (140) über die gesamte Vorformzone (126) in die Aussparung (120) eingebracht ist.
14. Werkzeug (1 10) nach einem der drei vorangehenden Ansprüche, wobei sich der Hinterschnitt (140) zumindest teilweise über die die Prägezone (128) und/oder über eine Aufnahmezone (124), welche zur Aufnahme des Bauteils in die Aussparung (120) eingerichtet ist, erstreckt.
15. Werkzeug (1 10) nach einem der vier vorangehenden Ansprüche, wobei jeweils ein tangentenstetiger Übergang zwischen Konturen der Aufnahmezone (124) und der Vorformzone (126) sowie zwischen den Konturen der Vorformzone (126) und der Prägezone (128) auftreten.
16. Werkzeug (1 10) nach einem der fünf vorangehenden Ansprüche, wobei die
Vorformzone (126) dazu eingerichtet ist, um eine vorläufige Verzahnung in das Bauteil einzubringen, wobei jeder einzelne Zahn in der vorläufigen Verzahnung eine von der vorgesehenen Endkontur (144) jedes einzelnen Zahns abweichende Kontur aufweist.
17. Werkzeug (1 10) nach einem der sechs vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorformzone (126) derart entlang des Weges (122) angeordnet ist, dass das Bauteil zuerst durch die Vorformzone (126) und anschließend durch die
Prägezone (128) führbar ist.
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