DE19807017A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines rotationssymmetrischen Werkstückes mit Innenverzahnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines rotationssymmetrischen Werkstückes mit Innenverzahnung, bei dem das Werkstück an einem Drückdorn mit einer Außenverzah­ nung eingespannt wird, das Werkstück relativ zu einer Drückeinrichtung in Rotation versetzt wird, die Drückein­ richtung relativ zu dem rotierenden Werkstück zumindest axi­ al bewegt und auf dieses zugestellt wird und mittels der Drückeinrichtung das Werkstück auf den Drückdorn angeformt und in die Außenverzahnung des Drückdorns eingedrückt wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens mit einem Drückdorn, der eine Außen­ verzahnung aufweist, einer Drückeinrichtung, welche relativ zumindest axial gegenüber dem Drückdorn verfahrbar ist, und einem Antrieb zum Rotieren des Werkstücks relativ zu der Drückeinrichtung.

Aus der DT 25 51 156 A1 sind ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens be­ kannt. Als Drückvorrichtung werden Walzen verwendet, bei­ spielsweise drei Stück, die im Winkel von 120° zueinan­ der versetzt sind. Die Walzen sind radial zum Dornzentrum verschiebbar und können so an das Werkstück angefahren wer­ den. Durch eine relative Axialbewegung von Werkstück und Walzen erfolgt eine Streckung des Werkstückes sowie ein Einformen in eine im Dorn vorgesehene Außenverzahnung.

Das beschriebene Verfahren hat sich bewährt und wird er­ folgreich in der Automobilindustrie angewendet, z. B. zur Herstellung von Planetengetriebe-Gehäusen oder Kupplungs­ gehäusen.

Mit dem bekannten Verfahren können wirtschaftlich jedoch nur Werkstücke mit relativ flachen Innenverzahnungen mit geraden Flanken hergestellt werden. Weiterhin hat sich als problematisch herausgestellt, daß aufgrund des großen, zwi­ schen den Drückwalzen bestehenden Abstandes, der sich na­ turgemäß bei nur zwei oder drei am Umfang angeordneten Wal­ zen ergibt, eine vergleichsweise hohe Wechselbeanspruchung des Werkstoffmaterials als auch des Drückdornes vorliegt, was die Werkzeugstandzeit herabsetzt und eine erhöhte Bruchgefahr für das Werkzeug mit sich bringt.

Weiterhin ist bekannt, durch Andrücken und Abrollen von Ku­ geln auf einem Werkstück eine gewünschte Oberflächenstruk­ tur und eine erhöhte Festigkeit zu erzeugen. Aus der DT 22 26 111 geht beispielsweise ein Verfahren hervor, mittels Kugeln einen Kopfkantenbruch an verzahnten Getriebeteilen anzuwalzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung von rotationssymmetrischen Werkstücken mit Innenverzahnung die Wechselbeanspruchung beim Drückwalzen zu verringern und gleichzeitig eine Vielzahl verschiedener Verzahnungsgeometrien zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß als Drückeinrichtung ein Kugelwerkzeug mit einer Vielzahl von Kugeln verwendet wird. Durch die Vielzahl von Kugeln und die sich daraus ergebende Vielzahl von Angriffspunkten am Werkstück kann ein starkes Drehmoment auf das Material ausgeübt werden, welches eine Verdrehung des Materials er­ möglicht und damit eine gute Ausformung von Schrägverzah­ nungen. Ferner wird durch die große Anzahl von umformenden Elementen am Werkstückumfang das Material am Umfang gleich­ mäßig niedergehalten, wodurch eine Wechselbeanspruchung so­ wohl des Materials, als auch des Drückdorns stark vermin­ dert wird. Dies hat eine erhöhte Werkzeugstandzeit zur Fol­ ge.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird als Ausgangswerkstück eine Blechronde verwendet. Es ist da­ mit möglich, in einem einzigen Überlauf des Werkstückes mit dem Kugelwerkzeug aus einer im wesentlichen planaren Blech­ ronde ein topfförmiges Werkstück zu formen und dieses gleichzeitig mit einer qualitativ hochwertigen Innenverzah­ nung zu versehen.

Anstelle der Blechronde können alternativ auch geschmiede­ te, gegossene oder tiefgezogene Vorformen verwendet werden. Diese können eine Topfform aufweisen, wodurch sich das Ein­ formen der Verzahnung erleichtert. Der Umformvorgang kann erfindungsgemäß in einer Warm- oder Kaltumformung bestehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können das Kugelwerk­ zeug und/oder das Werkstück in Drehung versetzt werden, wo­ mit die relative Rotation von Werkstück und Kugelwerkzeug herbeigeführt wird.

Die axiale Relativbewegung von Kugelwerkzeug und Werkstück kann durch Verfahren des Kugelwerkzeuges und/oder des Werk­ stückes erfolgen. Der Vorschub kann dabei durch übliche An­ triebe, wie Spindelantriebe oder Hydraulikzylinder, erfol­ gen.

Erfindungsgemäß wird ein wirtschaftliches Verfahren dadurch erreicht, daß das Werkstück in einem einzigen Überlauf des Kugelwerkzeuges fertig geformt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden Werkstück und/oder Kugelwerkzeug in eine oszillie­ rende Rotation versetzt. Dies führt zu einer guten Einfor­ mung des Materials in das Profil des Werkzeugdorns.

Zur Durchführung des Verfahrens und damit zur weiteren Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 zur Verfügung gestellt. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß die Drückeinrichtung ein Kugelwerkzeug mit einer Vielzahl von Kugeln ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß bei dem Kugelwerkzeug die Kugeln ringförmig angeordnet und mit einem Lagerring und einem Käfig drehbar gehalten sind. Der Aufbau des Kugelwerkzeuges entspricht etwa der Art eines Schrägkugellagers.

Die Vorrichtung kann eine axiale Außenverzahnung am Drück­ dorn aufweisen, wodurch ein Werkstück mit einer axialen In­ nenverzahnung geformt werden kann. Es ist erfindungsgemäß jedoch bevorzugt, daß die Außenverzahnung des Drückdorns als eine Schrägverzahnung ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die Verwendung einer Vielzahl von Kugeln anstelle der Drückwalzen des Standes der Technik erhebliche Vorteile mit sich bringt. Durch die Vielzahl der Kugeln und die sich daraus ergebende Vielzahl von Angriffspunkten der formenden Elemente am Werkstück wird ein starkes Drehmoment auf das Material ausgeübt. Dies ermöglichst eine Verdrehung des Ma­ terials und damit die Ausformung von Schrägverzahnungen, was mit dem Verfahren des Standes der Technik nicht gelei­ stet werden kann. Ferner wird durch die Vielzahl von umfor­ menden Elementen am Werkstückumfang das Material am Umfang gleichmäßig niedergehalten, wodurch die Wechselbeanspru­ chung sowohl des Materials, als auch des Drückdornes stark verringert wird. Dies erhöht die Werkzeugstandzeit insbe­ sondere im Hinblick auf die empfindlichen Bereiche der Ver­ zahnungen. Weiterhin wird die Fertigungszeit durch das er­ findungsgemäße Verfahren erheblich verringert, da aufgrund der Kraftaufteilung auf eine Vielzahl von nebeneinanderlie­ genden Werkzeugelementen das Kugelwerkzeug mit einem we­ sentlich höheren Vorschub gefahren werden kann, als bei ei­ ner Vorrichtung mit nur zwei oder drei angreifenden Drück­ walzen. Besonders vorteilhaft erweist sich auch, daß, ins­ besondere durch die Erhöhung der Werkzeugstandzeit, die Werkzeugkosten gesenkt werden können.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand einer bevorzugten Ausführungsform weiter erläutert, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Drückwalzmaschine nach dem Stand der Technik im Querschnitt;

Fig. 2 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Drück­ walzmaschine im Querschnitt;

Fig. 3 eine beispielhafte erste Verzahnungsgeometrie; und

Fig. 4 eine beispielhafte zweite Verzahnungsgeometrie.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt einer Drückwalzmaschine des Standes der Technik dargestellt. Ein im wesentlichen topf­ förmiges Werkstück 10 ist zwischen einem Reitstock 12 und einem Drückdorn 14 eingespannt. Der Drückdorn 14 weist an seinem Umfang eine Außenverzahnung 16 auf, in welche das Werkstück 10 mittels der an der Außenseite des Werkstückes 10 angreifenden Drückwalzen 18' eingeformt wird. Der gesam­ te Vorgang des Umformens sowie des Einformens in die Außen­ verzahnung 16 des Drückdorns 14 erfolgt während einer Dre­ hung des Werkstückes relativ zu den Drückwalzen 18', wäh­ rend diese eine relative Axialbewegung bezüglich des einge­ spannten Werkstückes 10 ausführen.

Fig. 2 zeigt nun einen Ausschnitt aus einer erfindungs­ gemäßen Drückwalzmaschine. Zwischen einem Reitstock 12 und einem Drückdorn 14 ist ein Werkstück 10 eingespannt, wel­ ches in der vorliegenden Momentaufnahme bereits im wesent­ lichen topfförmig umgeformt ist. Das Umformen des Werkstüc­ kes 10 sowie dessen Einformen in die Außenverzahnung 16 des Drückdornes erfolgt durch eine Vielzahl am Außenumfang des Werkstückes 10 angreifender Kugeln 22. Die relativ kleinen Kugeln 22 werden von einem Lagerring 20 und einem Käfig 24 gehalten. In der Schnittansicht der Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Käfig 24 an seiner linken Seite den Lagerring 20 umgreift, während er mit seinen gebogenen rechten Endberei­ chen die Kugeln 22 in der Lagerposition hält. Der rechte gebogene Bereich des Käfigs 24 ist gestrichelt dargestellt, da er in der vorliegenden Darstellung von der gezeigten Ku­ gel 22 verdeckt ist. Das Umformen, Einformen und Abstrecken des Werkstückes 10 erfolgt während einer Relativdrehung von Werkstück 10 und Kugelwerkzeug 18, wobei das Überfahren des Werkstückes 10 durch das aus Lagerring 20, Kugeln 22 und Käfig 24 bestehende Kugelwerkzeug 18 durch eine relative axiale Bewegung des Kugelwerkzeuges 18 bezüglich des Werk­ stückes 10 sowie des Reitstockes 12 und des Drückdornes 14 erfolgt. Beispielhafte Innenverzahnungen, die mit der Vor­ richtung nach Fig. 2 hergestellt werden können, sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Werkstück 10, beispielsweise eine Blechronde, zwischen ei­ nen Reitstock 12 und einen Drückdorn 14, der mit einer Außen­ verzahnung 16 versehen ist, eingespannt. Der Drückdorn 14 wird daraufhin zusammen mit dem aufgespannten Werkstück 10 sowie dem Reitstock 12 in Rotation versetzt. Alternativ kann das Kugelwerkzeug 18 in Rotation versetzt werden. Ebenfalls können sowohl das Kugelwerkzeug 18 als auch das Werkstück 10 mit Reitstock 12 und Drückdorn 14 in Drehung versetzt werden. Das sich relativ zum Werkstück 10 in Rota­ tion befindliche Kugelwerkzeug 18 wird dann auf das Werk­ stück 10 zugefahren, bis es mit diesem in Kontakt tritt. Durch ein weiteres Zustellen wird das als Blechronde ausge­ bildete Werkstück 10 umgeformt und damit topfförmig. Die Innenseite des topfförmigen Werkstückes 10 tritt mit der Außenverzahnung 16 des Drückdorns 14 in Kontakt und die Wände des Topfes werden gleichzeitig abgestreckt sowie die Außenverzahnung 16 des Drückdorns 14 eingeformt. Vorzugs­ weise ist das Verfahren nach einem einmaligen Überlauf des Kugelwerkzeugs 18 über das Werkstück 10 beendet, so daß dieses entweder nach dem Zurückfahren des Kugelwerkzeuges 18 entnommen werden kann oder auch sogleich nach dem er­ folgten Überlauf. Je nach dem Außenverzahnungsprofil des Drückdorns 14 sowie den Anforderungen an die Innenverzah­ nung des Werkstücks 10 kann die Relativdrehung von Werk­ stück 10, Reitstock 12 und Drückdorn 14 bezüglich des Ku­ gelwerkzeugs 18 auch oszillierend erfolgen.

Claims (13)

1. Verfahren zum Herstellen eines rotationssymmetrischen Werkstückes (10) mit Innenverzahnung, bei dem

• - das Werkstück (10) an einem Drückdorn (14) mit einer Außenverzahnung (16) eingespannt wird,
• - das Werkstück (10) relativ zu einer Drückeinrich­ tung in Rotation versetzt wird,
• - die Drückeinrichtung relativ zu dem rotierenden Werkstück (10) zumindest axial bewegt und auf die­ ses zugestellt wird, und
• - mittels der Drückeinrichtung (18) das Werkstück (10) auf den Drückdorn (14) angeformt und in die Außenverzahnung (16) des Drückdorns (14) eingedrückt wird,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß als Drückeinrichtung ein Kugelwerkzeug (18) mit einer Vielzahl von Kugeln (22) verwendet wird, wel­ che an das Werkstück (10) angelegt werden und dieses in die Außenverzahnung (16) des Drückdorns (14) ein­ gedrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als ein Ausgangswerkstück eine Blechronde verwen­ det wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als ein Ausgangswerkstück eine geschmiedete, ge­ gossene oder tiefgezogene Vorform verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformen mittels Warm- und/oder Kaltumformung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herbeiführen der relativen Rotation des Werk­ stückes (10) bezüglich des Kugelwerkzeuges (18) das Kugelwerkzeug (18) in Drehbewegung versetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herbeiführen der relativen Rotation des Werk­ stücks (10) bezüglich des Kugelwerkzeuges (18) das Werkstück (10) in Drehbewegung versetzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Relativbewegung des Werkstückes (10) und des Kugelwerkzeuges (18) durch Verfahren des Kugelwerkzeuges (18) herbeigeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Relativbewegung des Werkstückes (10) und des Kugelwerkzeuges (18) durch Verfahren des Werkstückes (10) herbeigeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (10) in einem einzigen Überlauf des Kugelwerkzeuges (18) über das Werkstück (10) fertig geformt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation des Werkstückes (10) relativ zu dem Kugelwerkzeug (18) oszillierend ist.

11. Vorrichtung zum Herstellen eines rotationssymmetri­ schen Werkstückes (10) mit Innenverzahnung, insbeson­ dere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit

• - einem Drückdorn (14), der eine Außenverzahnung (16) aufweist,
• - einer Drückeinrichtung, welche relativ zumindest axial gegenüber dem Drückdorn (14) bewegbar ist, und
• - einem Antrieb zum Rotieren des Werkstücks (10) rela­ tiv zu der Drückeinrichtung,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Drückeinrichtung ein Kugelwerkzeug (18) mit einer Vielzahl von Kugeln (22) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Kugelwerkzeug (18) die Kugeln (22) ring­ förmig angeordnet sind und mit einem Lagerring (20) und einem Käfig (24) drehbar gehalten sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenverzahnung (16) des Drückdorns (14) als eine Schrägverzahnung ausgebildet.