WO2022194980A1 - Verfahren zur herstellung einer hohlwelle - Google Patents

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Bernd RUDERT
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Winkelmann Powertrain Components Gmbh & Co. Kg
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    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/14—Spinning
    • B21D22/16—Spinning over shaping mandrels or formers
    • 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
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    • B21K1/063—Making machine elements axles or shafts hollow
    • 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
    • B21K21/00—Making hollow articles not covered by a single preceding sub-group
    • B21K21/12—Shaping end portions of hollow articles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hollow shaft, which has at least one shaft shoulder, from a tubular preform by means of flow-forming.
  • Hollow shafts of this type are used, for example, as hollow rotor shafts in electrical machines.
  • DE 10 2019 109 183 A1 discloses a method for producing a hollow shaft from a tubular preform by flow-forming, in which both ends of the preform are formed with at least one forming roller and the preform is pressed during the entire manufacturing process up to the finished hollow shaft in the central tube area is held in a workpiece holder.
  • this method is not suitable for the production of a hollow shaft with only one shaft shoulder, in which case the tubular body is to be deformed over its entire length.
  • DE 196 20 812 A1 discloses a method for producing a rotationally symmetrical body from a tube section by pressure forming.
  • the object of the invention is to produce a hollow shaft having at least one shaft shoulder from a tubular preform in the simplest possible way.
  • this object is achieved according to the invention in that the tubular preform is placed on a stretching mandrel with at least two areas during the entire forming process different outer diameters, with a first area having an outer diameter corresponding to the inner diameter of the tubular preform and at least a second area having an outer diameter corresponding to the inner diameter of the at least one shaft shoulder of the hollow shaft to be produced, the first area of the stretching mandrel having its fixed at the free end, whereby in a first forming step the tubular preform is pressed radially against the first area of the stretching mandrel by means of a clamping device and the tubular preform is pushed down towards its free end around the at least one second area of the stretching mandrel by flow-forming by means of at least one flow-forming roller From the formation of a radial end face and the at least one shaft shoulder, and that in a second forming step along the longitudinal axis of the tubular preform, a tubular extension with its end
  • the flow-forming process is carried out in only one clamping, the tubular preform and the stretching mandrel do not have to be removed from this clamping during the entire forming process.
  • a perfect concentricity of all Umformberei surface is guaranteed. In principle, several shaft shoulders with diameters that decrease towards the free end can be formed on.
  • a stretching mandrel which has at least two second regions with different outer diameters, with the tubular preform being shaped in the first forming step towards its free end around the first second region of the stretching mandrel, forming a first corrugated shoulder and around at least a second second area of the Stretching mandrel to form at least one second shaft paragraph is drawn.
  • a stretching mandrel is used, the first area of which has a peripheral surface profile at least over part of its longitudinal extension. It is therefore possible, without additional processing steps, to roll a complementary contour, e.g. a toothing, into the inside of the first area of the hollow shaft.
  • a stretching mandrel is used, the at least one second area of which has a circumferential surface profile at least over part of its longitudinal extent. Accordingly, if required, a complementary contour can also be rolled into the second area of the hollow shaft.
  • the hollow shaft can preferably be used as part of a hollow rotor shaft.
  • FIG. 2 shows a first forming step and in FIG. 3 a second forming step.
  • a tubular preform ren as the starting product for the procedural invention is generally denoted by 1 in FIG.
  • This tubular preform 1 can be, for example, a drawn or welded metal tube.
  • the tubular preform 1 is arranged on a stretching mandrel 2, which in the exemplary embodiment has two areas with different outer diameters, namely a first area 2a with an outer diameter Dl corresponding to the inner diameter Dl of the tubular preform 1 and a second area with an inner diameter D2, which corresponds to the inner diameter of the shaft shoulder of the hollow shaft to be produced.
  • the first region 2a of the stretching mandrel 2 is fixed during the entire order forming process with its free end 2c in a chuck 3 of the forming machine, not shown.
  • the stretching mandrel 2 remains fixed in the chuck 3 with its free end 2c during the entire forming process up to the finished hollow shaft.
  • the tubular preform 1 also remains arranged on the stretching mandrel 2 unchanged until the end of the forming process.
  • the tubular preform 1 is pressed radially against the first area 2a of the stretching mandrel 2 by means of a clamping device 4 and by flow-forming by means of at least one flow-forming roller 5 towards its free end around the second area 2a of the stretching mandrel 2, forming a radial end face 6 and a shaft paragraph 7 retracted.
  • the at least one flow-forming roller 5 rotates relative to the stretching mandrel 2 and the tubular preform 1 and can be moved relative to the preform 1 along the longitudinal axis L of the preform 1 .
  • the axis of rotation of the flow-forming roller 5 is inclined relative to the longitudinal axis L.
  • a shaft paragraph 7 enclosing, tubular or pot-shaped Miger Vorsteiger 8 with its end face 9 along the longitudinal axis L of the rohrför-shaped preform 1 and the stretching mandrel 2 pressed axially against the radial end face 6 generated in the first forming step.
  • the clamping means 4 is then released and the not yet formed area of the tubular preform 1 is stretched to the desired length along the first area 2a of the stretching mandrel 2 by means of at least one flow-forming roller 5 .
  • 3 shows a state in which this ironing process has not yet been completed.
  • a stretching mandrel 2 is used, the first area 2a and/or the second area 2b of which has a peripheral surface profile over at least part of its longitudinal extension.
  • a complementary inner profile e.g.
  • the finished hollow shaft is preferably part of a hollow rotor shaft of an electrical machine.
  • This finished hollow rotor shaft of an electrical machine can be produced, for example, from two hollow shafts produced according to the method described above, in that the two hollow shafts are positioned facing one another and welded to one another. Other configurations are also possible (for example a welded cover or other components).
  • the tubular preform 1 can also be a hollow shaft that has already been partially produced in some other way and that can be fixed in a chuck of a flow-forming machine for the process implementation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wenigstens einen Wellenabsatz aufweisenden Hohlwelle aus einer rohrförmigen Vorform mittels Drückwalzen. Dabei ist vorgesehen, dass die rohrförmige Vorform (1) während des gesamten Umformvorganges auf einem Streckdorn (2) mit wenigstens zwei Bereichen (2a,2b) mit unterschiedlichen Außendurchmessern (D1, D2) angeordnet wird, wo-bei ein erster Bereich (2a) eine dem Innendurchmesser (D1) der rohrförmigen Vorform (1) entsprechenden Außendurchmesser (D1) und wenigstens ein zweiter Bereich (2b) eine dem Innendurchmesser (D2) des wenigstens einen zu erzeugenden Wellenabsatzes (7) der Hohlwelle entsprechenden Außendurchmesser (D2) aufweist, wobei der erste Bereich (2a) des Streckdorns (2) während des gesamten Umformvorganges mit seinem freien Ende (2c) fixiert wird, wobei in einem ersten Umformschritt die rohrförmige Vorform (1) mittels eines Spannmittels (4) radial gegen den ersten Bereich (2a) des Streckdorns (2) gedrückt und durch Drückwalzen mittels wenigstens einer Drückwalzrolle (5) die rohrförmige Vorform (1) zu ihrem freien Ende hin um den wenigstens einen zweiten Bereich (2b) des Streckdornes (2) unter Ausbildung einer radialen Stirnfläche (6) und des wenigstens einen Wellenabsatzes (7) eingezogen wird und dass in einem zweiten Umformschritt entlang der Längsachse (L) der rohrförmigen Vorform (1) ein rohrförmiger Vorsetzer (8) mit seiner Stirnfläche (9) axial gegen die im ersten Umformschritt erzeugte radiale Stirnfläche (6) gedrückt, das Spannmittel (4) gelöst und der noch nicht umgeformte Bereich der rohrförmigen Vorform (1) entlang des ersten Bereiches (2a) des Streckdornes (2) mittels wenigstens einer Drückwalzrolle (5) abgestreckt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wenigstens einen Wel lenabsatz aufweisenden Hohlwelle aus einer rohrförmigen Vorform mittels Drück walzen.
Hohlwellen dieser Art werden z.B. als Rotorhohlwellen bei elektrischen Maschinen eingesetzt. Aus DE 10 2019 109 183 Al ist ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle aus einer rohrförmigen Vorform durch Drückwalzen bekannt, wobei beide Enden der Vorform jeweils mit wenigstens einer Umformrolle umgeformt werden und die Vorform während des gesamten Herstellprozesses bis zur ferti gen Hohlwelle im mittleren Rohrbereich von einem Werkstückhalter gehalten wird. Für die Herstellung einer Hohlwelle mit nur einem Wellenabsatz, bei wel chem der rohrförmige Körper über seiner gesamten Länge umgeformt werden soll, ist dieses Verfahren jedoch nicht geeignet.
Aus DE 196 20 812 Al ist ein Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetri schen Körpers aus einem Rohrabschnitt durch Drückumformen bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise eine wenigstens einen Wellenabsatz aufweisende Hohlwelle aus einer rohrförmigen Vorform herzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfin dungsgemäß dadurch gelöst, dass die rohrförmige Vorform während des gesam ten Umformvorganges auf einem Streckdorn mit wenigstens zwei Bereichen mit unterschiedlichen Außendurchmessern angeordnet wird, wobei ein erster Bereich eine dem Innendurchmesser der rohrförmigen Vorform entsprechenden Außen durchmesser und wenigstens ein zweiter Bereich eine dem Innendurchmesser des wenigstens einen zu erzeugenden Wellenabsatzes der Hohlwelle entsprechenden Außendurchmesser aufweist, wobei der erste Bereich des Streckdorns während des gesamten Umformvorganges mit seinem freien Ende fixiert wird, wobei in ei nem ersten Umformschritt die rohrförmige Vorform mittels eines Spannmittels ra dial gegen den ersten Bereich des Streckdorns gedrückt und durch Drückwalzen mittels wenigstens einer Drückwalzrolle die rohrförmige Vorform zu ihrem freien Ende hin um den wenigstens einen zweiten Bereich des Streckdornes unter Aus bildung einer radialen Stirnfläche und des wenigstens einen Wellenabsatzes ein gezogen wird und dass in einem zweiten Umformschritt entlang der Längsachse der rohrförmigen Vorform ein rohrförmiger Vorsetzer mit seiner Stirnfläche axial gegen die im ersten Umformschritt erzeugte radiale Stirnfläche gedrückt, das Spannmittel gelöst und der noch nicht umgeformte Bereich der rohrförmigen Vor form entlang des ersten Bereiches des Streckdornes mittels wenigstens einer Drückwalzrolle abgestreckt wird.
Erfindungsgemäß wird das Drückwalzverfahren nur in einer einzigen Aufspan nung durchgeführt, die rohrförmige Vorform und der Streckdorn müssen wäh rend des gesamten Umformvorganges nicht aus dieser Aufspannung entnommen werden. Das Verfahren lässt sich dadurch sehr einfach und zeitsparend durch führen. Außerdem ist eine einwandfreie Konzentrizität sämtlicher Umformberei che gewährleistet. Dabei können grundsätzlich mehrere Wellenabsätze mit zum freien Ende hin abnehmenden Durchmessern angeformt werden.
So ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass ein Streckdorn verwendet wird, der we nigstens zwei zweite Bereiche mit unterschiedlichen Außendurchmessern auf weist, wobei im ersten Umformschritt die rohrförmige Vorform zu ihrem freien Ende hin um den ersten zweiten Bereich des Streckdornes unter Ausbildung eines ersten Wellenabsatzes und um wenigstens einen zweiten zweiten Bereich des Streckdornes unter Ausbildung wenigstens eines zweiten Wellenabsatzes einge zogen wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Streckdorn verwendet wird, dessen erster Be reich wenigstens über einen Teil seiner Längserstreckung eine umlaufende Ober flächenprofilierung aufweist. So ist es ohne zusätzliche Bearbeitungsschritte mög lich, innenseitig in den ersten Bereich der Hohlwelle eine komplementäre Kontur, z.B. eine Verzahnung, einzuwalzen.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass ein Streckdorn verwendet wird, dessen wenigstens ein zweiter Bereich wenigstens über einen Teil seiner Längserstreckung eine umlaufende Oberflächenprofilierung aufweist. Dement sprechend kann bei Bedarf auch in den zweiten Bereich der Hohlwelle eine kom plementäre Kontur eingewalzt werden.
Die Hohlwelle kann bevorzugt als Teil einer Rotorhohlwelle verwendet werden.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt jeweils im Längsschnitt in
Fig. 1 eine rohrförmige Vorform,
Fig. 2 einen ersten Umformschritt und in Fig. 3 einen zweiten Umformschritt.
Eine rohrförmige Vorform als Ausgangsprodukt für das erfindungsgemäße Verfah ren ist in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnet. Diese rohrförmige Vorform 1 kann z.B. ein gezogenes oder auch ein geschweißtes Rohr aus Metall sein.
Zur Herstellung einer wenigstens einen Wellenabsatz aufweisenden Hohlwelle aus einer solchen Vorform 1 durch Drückwalzen wird die rohrförmige Vorform 1 auf einem Streckdorn 2 angeordnet, der beim Ausführungsbeispiel zwei Bereiche mit unterschiedlichen Außendurchmessern aufweist, nämlich einen ersten Bereich 2a mit einem dem Innendurchmesser Dl der rohrförmigen Vorform 1 entsprechen den Außendurchmesser Dl und einen zweiten Bereich mit einem Innendurchmes ser D2, der dem Innendurchmesser des zu erzeugenden Wellenabsatzes der Hohlwelle entspricht.
Dabei wird der erste Bereich 2a des Streckdornes 2 während des gesamten Um formvorganges mit seinem freien Ende 2c in einem Spannfutter 3 der nicht näher dargestellten Umformmaschine fixiert.
Während des gesamten Umformvorganges bis zur fertiggestellten Hohlwelle ver bleibt der Streckdorn 2 mit seinem freien Ende 2c im Spannfutter 3 fixiert. Auch die rohrförmige Vorform 1 bleibt bis zum Ende des Umformvorganges unverän dert auf dem Streckdorn 2 angeordnet.
In einem ersten Umformschritt wird die rohrförmige Vorform 1 mittels eines Spannmittels 4 radial gegen den ersten Bereich 2a des Streckdornes 2 gedrückt und durch Drückwalzen mittels wenigstens einer Drückwalzrolle 5 zu ihrem freien Ende hin um den zweiten Bereich 2a des Streckdornes 2 unter Ausbildung einer radialen Stirnfläche 6 und eines Wellenabsatzes 7 eingezogen. Die wenigstens eine Drückwalzrolle 5 rotiert relativ zum Streckdorn 2 und der rohrförmigen Vor form 1 und ist relativ entlang der Längsachse L der Vorform 1 gegenüber der Vorform 1 bewegbar. Die Rotationsachse der Drückwalzrolle 5 ist gegenüber der Längsachse L geneigt.
In Fig. 2 ist bereits der eingezogene Zustand dargestellt.
Nach Abschluss der Ausbildung des Wellenabsatzes 7 wird in einem zweiten Um formschritt (Fig. 3) ein den Wellenabsatz 7 umschließender, rohr- oder topfför- miger Vorsetzer 8 mit seiner Stirnfläche 9 entlang der Längsachse L der rohrför migen Vorform 1 und des Streckdornes 2 axial gegen die im ersten Umform schritt erzeugte radiale Stirnfläche 6 gedrückt. Anschließend wird das Spannmit tel 4 gelöst und der noch nicht umgeformte Bereich der rohrförmigen Vorform 1 entlang des ersten Bereiches 2a des Streckdornes 2 mittels wenigstens einer Drückwalzrolle 5 auf die gewünschte Länge abgestreckt. Dabei zeigt Fig. 3 einen Zustand, bei dem dieser Abstreckvorgang noch nicht abgeschlossen ist.
Am Ende des Abstreckvorganges, vorher ist selbstverständlich das Spannmittel 4 aus dem Bewegungsweg der wenigstens einen Drückwalzrolle 5 entfernt worden, steht die fertige Hohlwelle mit einem Wellenabsatz 7 zur Verfügung.
Wenn in die Hohlwelle eine Innenprofilierung eingeformt werden soll, wird ein Streckdorn 2 verwendet, dessen erster Bereich 2a und/oder dessen zweiter Be reich 2b wenigstens über einen Teil seiner Längserstreckung eine umlaufende Oberflächenprofilierung aufweist. Dabei wird beim Drückwalzvorgang in bekann ter Weise an der herzustellenden Hohlwelle eine komplementäre Innenprofilie rung erzeugt, z.B. eine Innenverzahnung.
Die fertige Hohlwelle ist bevorzugt ein Teil einer Rotorhohlwelle einer elektrischen Maschine. Diese fertige Rotorhohlwelle einer elektrischen Maschine kann z.B. aus zwei nach dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellten Hohlwellen hergestellt werden, indem die beiden Hohlwellen stirnseitig zueinander positioniert und mit einander verschweißt werden. Auch andere Gestaltungen sind möglich (z.B. an geschweißter Deckel oder andere Bauteile). Grundsätzlich ist es auch möglich, die so hergestellte Hohlwelle mit ihrem Wellenabsatz und einem Teil des ersten Bereiches im Spannfutter 3 zu fixieren und anschließend das Verfahren mit der so hergestellten rohrförmigen Vorform von vorne auszuführen, so dass das End produkt dann eine Hohlwelle ist, die an beiden Enden wenigstens einen Wellenab satz aufweist. Alternativ kann die rohrförmige Vorform 1 auch eine auf andere Weise bereits teilweise hergestellte Hohlwelle sein, die zur Verfahrensdurchfüh rung in einem Spannfutter einer Drückwalzmaschine fixierbar ist. Bezuaszeichenliste:
1 Rohrförmige Vorform
2 Streckdorn
2a Erster Bereich
2b Zweiter Bereich
2c Freies Ende
3 Spannfutter
4 Spannmittel
5 Drückwalzrolle
6 Stirnfläche
7 Wellenabsatz
8 Vorsetzer
9 Stirnfläche
Dl Durchmesser
D2 Durchmesser
L Längsachse

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer wenigstens einen Wellenabsatz aufweisenden Hohlwelle aus einer rohrförmigen Vorform mittels Drückwalzen, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige Vorform (1) während des gesamten Umformvorganges auf einem Streckdorn (2) mit wenigstens zwei Bereichen (2a, 2b) mit unterschiedli chen Außendurchmessern (D1,D2) angeordnet wird, wobei ein erster Bereich (2a) eine dem Innendurchmesser (Dl) der rohrförmigen Vorform (1) entspre chenden Außendurchmesser (Dl) und wenigstens ein zweiter Bereich (2b) eine dem Innendurchmesser (D2) des wenigstens einen zu erzeugenden Wellenabsat zes (7) der Hohlwelle entsprechenden Außendurchmesser (D2) aufweist, wobei der erste Bereich (2a) des Streckdorns (2) während des gesamten Umformvor ganges mit seinem freien Ende (2c) fixiert wird, wobei in einem ersten Umform schritt die rohrförmige Vorform (1) mittels eines Spannmittels (4) radial gegen den ersten Bereich (2a) des Streckdorns (2) gedrückt und durch Drückwalzen mittels wenigstens einer Drückwalzrolle (5) die rohrförmige Vorform (1) zu ihrem freien Ende hin um den wenigstens einen zweiten Bereich (2b) des Streckdornes (2) unter Ausbildung einer radialen Stirnfläche (6) und des wenigstens einen Wellenabsatzes (7) eingezogen wird und dass in einem zweiten Umformschritt entlang der Längsachse (L) der rohrförmigen Vorform (1) ein rohrförmiger Vor setzer (8) mit seiner Stirnfläche (9) axial gegen die im ersten Umformschritt er zeugte radiale Stirnfläche (6) gedrückt, das Spannmittel (4) gelöst und der noch nicht umgeformte Bereich der rohrförmigen Vorform (1) entlang des ersten Be reiches (2a) des Streckdornes (2) mittels wenigstens einer Drückwalzrolle (5) ab gestreckt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Streckdorn (2) verwendet wird, der wenigstens zwei zweite Bereiche mit unterschiedlichen Außendurchmessern aufweist, wobei im ersten Umformschritt die rohrförmige Vorform (1) zu ihrem freien Ende hin um den ersten zweiten Be reich (2b) des Streckdornes (2) unter Ausbildung eines ersten Wellenabsatzes (7) und um wenigstens einen zweiten zweiten Bereich (2b) des Streckdornes (2) un ter Ausbildung wenigstens eines zweiten Wellenabsatzes eingezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Streckdorn (2) verwendet wird, dessen erster Bereich (2a) wenigstens über einen Teil seiner Längserstreckung eine umlaufende Oberflächenprofilierung aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Streckdorn (2) verwendet wird, dessen wenigstens ein zweiter Bereich (2b) wenigstens über einen Teil seiner Längserstreckung eine umlaufende Ober flächenprofilierung aufweist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle als Teil einer Rotorhohlwelle verwendet wird.
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