DE69616768T2

DE69616768T2 - Verfahren zur Herstellung eines Spannbackens für einen Spannfutter

Info

Publication number: DE69616768T2
Application number: DE69616768T
Authority: DE
Inventors: Russell Carter
Original assignee: Power Tool Holders Inc
Current assignee: Power Tool Holders Inc
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1996-03-13
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2016-03-14
Also published as: WO1996029169A1; BR9607959A; EP0814931B1; US5701779A; AU5251296A; CN1070747C; EP0814931A1; JPH11502158A; DE69616768D1; CA2215760A1; RU2150356C1; MX9707243A; US5857681A; CN1183067A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Spannfutter zur Verwendung mit Bohrern oder anderen Werkzeugantrieben.
Werkzeugantriebe verschiedener Typen sind gut bekannt, wobei dies sowohl handbetriebene Antriebe als auch Elektro- bzw. Druckluftantriebe umfaßt. Obgleich Spiralbohrer die häufigsten Werkzeuge sind, welche bei derartigen Antrieben verwendet werden, können die Werkzeuge auch Schraubendreher, Mutternschlüssel, Umlauffeilen, aufgesetzte Schleifsteine und andere Schneide- bzw. Abtragewerkzeuge umfassen. Aufgrund der Tatsache, daß die Werkzeuge Schäfte veränderlichen Durchmessers aufweisen können oder der Querschnitt des Werkzeugschafts polygonal sein kann, ist die Vorrichtung gewöhnlich mit einem Spannfutter versehen, welches in einem relativ breiten Bereich einstellbar ist. Das Spannfutter kann durch eine Gewinde- bzw. Konusbohrung an der Antriebswelle des Antriebs befestigt werden.
Es wurde eine breite Vielfalt von Spannfuttern von der Technik entwickelt. Bei einer Spannfutterausführung sind drei Backen in Umfangsrichtung in 120º Abstand voneinander angeordnet. Derartige Backen werden durch winkelig angeordnete Durchgänge in einem Körper gehalten, welcher an der Antriebswelle des Antriebs befestigt ist. Diese Durchgänge sind derart gestaltet, daß eine Drehung des Körpers in einer Richtung relativ zu einem festgehaltenen Gewindering, welcher mit den Backen ineinandergreift, bewirkt, daß die Backen den zylindrischen Schaft eines Werkzeugs greifen. Eine Drehung des Körpers in der entgegengesetzten Richtung gegen den gespannten Gewindering löst die Greifbeziehung der Backen.
Ein derartiges Spannfutter kann schlüssellos sein, wenn die Drehung zwischen dem Körper und dem Gewindering per Hand bewirkt wird. Ein Beispiel eines derartigen Spannfutters ist in dem U.S.-Patent Nr. 5 348 317 mit dem Titel "Spannfutter" offenbart, welches vollständig in der vorliegenden Schrift aufgenommen ist.
Die jeweiligen Backen dieser Spannfutter umfassen eine generell schräge Fläche, welche daran einen "Greifbereich" zum Greifen des Werkzeugschafts definiert. In der Vergangenheit wurde der Greifbereich durch Fräsen bzw. Schleifen eines "Rohling"-Stücks aus Metall, welches eine Länge, welche im wesentlichen gleich der fertigen Länge des Backens ist, aufweist, ausgebildet. Obgleich diese Technik generell geeignete Backen erzeugte, war sie nicht frei von Nachteilen. Beispielsweise weist der Rohling zu Beginn ein Metallvolumen auf, welches erheblich größer als das des fertigen Backenelements ist. In einer Massenherstellungssituation können die mit dem entfernten Metall verbundenen Kosten erheblich sein. Ferner muß der Fräs- bzw. Schleifvorgang, welcher verwendet wird, um den Greifbereich auszubilden, ein relativ genauer sein, um zu gewährleisten, daß die Backenelemente geeignet zusammenlaufen, um den Schaft eines Werkzeugs zu greifen. Demgemäß kann ein Fräsen bzw. Schleifen Probleme bei der Herstellung von Spannfuttern verursachen.
WO-A-93/17814 offenbart ein mehrstufiges Verfahren zur Herstellung von Kreuzkopfmeißeln durch Kaltformen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung erkennt die vorangehenden Überlegungen und andere, welche Bauweisen und Verfahren des Stands der Technik betreffen, an und betrifft diese. Demgemäß ist es generell eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren eines Backenelements zur Verwendung bei einem Spannfutter zur Verwendung bei einem manuellen bzw. kraftgetriebenen Antrieb mit einer drehbaren Antriebswelle zu schaffen. Das Spannfutter umfaßt ein generell zylindrisches Körperelement mit einem Vorderabschnitt und einem Hinterabschnitt. Der Hinterabschnitt weist eine Paßbohrung in Axialrichtung auf, welche darin definiert ist, um mit der Antriebswelle des Antriebs ineinanderzugreifen. Der Vorderabschnitt weist eine Aufnahmebohrung in Axialrichtung auf, welche darin definiert ist und ferner eine Vielzahl winkelig angeordneter Durchgänge, welche die Aufnahmebohrung kreuzen, dadurch hindurch verlaufend definiert.
Das Spannfutter umfaßt eine Vielzahl länglicher Backen, welche in jedem der winkelig angeordneten Durchgänge verschiebbar angeordnet sind. Jeder derartige Backen umfaßt einen zylindrischen Schaftabschnitt, welcher Gewindegänge an einer Außenfläche davon definiert. Der Schaftabschnitt geht einstückig in einen Greifabschnitt über, welcher eine generell schräge Fläche, welche daran eine Backenstirnfläche definiert, aufweist. Jeder der Backen weist ferner ein strukturelles Kornausrichtungsmerkmal mindestens des Greifabschnitts auf, welcher aus einem einzigen Stücke eines selektiv umverteilten Metalls umformend ausgebildet ist. Ein Gewindering ist relativ zu dem Körperelement drehbar angebracht, um mit den Gewindegängen ineinanderzugreifen, welche an den Backen definiert sind, so daß eine Drehung des Gewinderings die Backen betätigt.
Ein drehbares Gewindering-Eingriffselement kann mit dem Gewindering verbunden sein, so daß eine Drehung davon bewirkt, daß auch der Gewindering gedreht wird. Bei beispielhaften Konstruktionen kann ein derartiges Gewindering-Eingriffselement ein generell zylindrisches Hülsenelement, welches auf dem Vorderabschnitt des Körperelements aufgenommen ist, umfassen. Vorzugsweise kann ein derartiges Hülsenelement ein Greiffläche an einer Außenseite davon definieren, um eine manuelle Drehung zu erleichtern. Ein hinteres Hülsenelement kann gleichfalls vorgesehen und auf dem hinteren Abschnitt des Körperelements aufgenommen sein. Bei einer beispielhaften Konstruktion umfaßt das Spannfutter ferner einen Lagerdruckring, welcher an dem Körperelement angeordnet ist, und mindestens ein Wälzlager, welches zwischen dem Gewindering und dem Druckring angeordnet ist.
Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren eines Backenelements zur Verwendung bei einem Spannfutter des Typs, wie in Anspruch 1 definiert. Ein derartiges Verfahren kann den Schritt, zunächst einen Rohling aus einem ausgewählten Metall vorzubereiten, umfassen. Der Rohling wird generell als Zylinder mit einer ersten vorbestimmten Länge gestaltet. Als weiterer Schritt wird der Rohling durch selektive Umverteilung von Metall umformend zu einer Zwischengestalt mit einer zweiten vorbestimmten Länge, welche größer als die erste vorbestimmte Länge ist, ausgebildet. Die Zwischengestalt weist einen generell zylindrischen Schaftabschnitt auf, welcher einstückig in einen verjüngten Abschnitt übergeht. Der verjüngte Abschnitt weist eine dritte vorbestimmte Länge auf und ist durch einen größeren Durchmesser bei einer Zwischenposition an dem Rohling, welcher in einen kleineren Durchmesser bei einem ersten Ende davon übergeht, gekennzeichnet. Der verjüngte Abschnitt wird dann durch selektive Umverteilung von Metall umformend zu einem Greifabschnitt ausgebildet, welcher eine generell schräge Fläche, welche daran eine Backenstirnfläche definiert, aufweist. Der Greifabschnitt weist im wesentlichen die zweite vorbestimmte Länge auf und weist ferner bei Axialpositionen davon eine Querschnittsfläche auf, welche im wesentlichen zu der Querschnittsfläche des verjüngten Abschnitts bei entsprechenden Axialpositionen äquivalent ist. Dies führt dazu, daß ein Backenelement erzeugt wird, welches einen Schaftabschnitt und einen Greifabschnitt aufweist, wie erwünscht.
Bei einem beispielhaften Verfahren der Erfindung wird eine Umfangsabschrägung durch selektive Umverteilung von Metall an dem ersten Ende des Rohlings vor einer Ausbildung der Zwischengestalt umformend ausgebildet. Die Abschrägung definiert eine erste Endstirnfläche des Rohlings, welche einen vorbestimmten Durchmesser aufweist. Vorzugsweise wird der verjüngte Abschnitt der Zwischengestalt geeignet ausgebildet, um sich zu einem minimalen Durchmesser bei dem ersten Ende des Rohlings, welcher im wesentlichen zu dem vorbestimmten Durchmesser äquivalent ist, zu verjüngen. Der verjüngte Abschnitt ist vorzugsweise durch eine geschoßkugelförmige nichtlineare Verjüngung gekennzeichnet.
Eine Umfangsabschrägung kann ferner an einem zweiten Ende des Rohlings gegenüber dem ersten Ende ausgebildet werden. Ferner kann eine in einem Winkel angeordnete Endstirnfläche an einem ersten Ende des Rohlings durch selektive Umverteilung von Metall umformend ausgebildet werden. Als weiterer Schritt kann der Durchmesser des Schaftabschnitts durch selektive Umverteilung von Metall umformend zu einem zweiten vorbestimmten Durchmesser verkleinert werden.
Vorzugsweise wird vor der Ausbildung keine äußere Wärme auf das Material des Rohlings angewandt bzw. wird das Material erwärmt, doch vor einem umformenden Ausbilden davon nicht auf eine Temperatur, welche generell 538ºC (1000 Grad Fahrenheit) überschreitet.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden unten genauer erörtert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine vollständige und nachvollziehbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich der besten Ausführungsweise davon für gewöhnlich Fachkundige ist genauer im Rest der Beschreibung dargelegt, wobei dies Bezugnahmen auf die beigefügten Zeichnungen umfaßt, wobei:
Fig. 1 eine Längsansicht eines Spannfutters, dessen Backen erfindungsgemäß hergestellt wurden, in Teilschnitt ist;
Fig. 2 eine Explosionsansicht des in Fig. 1 dargestellten Spannfutters ist;
Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Backenelements ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausbildungsmaschine mit fünf Stationen ist, welche verwendet werden kann, um ein Backenelement wie das in Fig. 3 dargestellte herzustellen;
Fig. 5A eine perspektivische Ansicht eines Rohlings ist, welcher als Ausgangsmetallstück verwendet werden kann, um ein Backenelement wie das in Fig. 3 dargestellte herzustellen;
Fig. 5B schematisch darstellt, daß der Rohling von Fig. 5A von einer Spule aus Metalldraht abgetrennt wird;
Fig. 6A den Rohling darstellt, wie dieser nach einer ersten Stufe der Maschine von Fig. 4 ausgebildet ist;
Fig. 6B eine Preßform darstellt, welche bei der Maschine von Fig. 4 verwendet wird, um die Gestaltung von Fig. 6A zu erzeugen;
Fig. 7A den Rohling darstellt, wie dieser nach einer zweiten Stufe der Maschine von Fig. 4 ausgebildet ist;
Fig. 7B eine Preßform darstellt, welche bei der Maschine von Fig. 4 verwendet wird, um die Gestaltung von Fig. 7A zu erzeugen;
Fig. 8A den Rohling darstellt, wie dieser nach einer dritten Stufe der Maschine von Fig. 4 ausgebildet ist;
Fig. 8B eine Preßform darstellt, welche bei der Maschine von Fig. 4 verwendet wird, um die Gestaltung von Fig. 8A zu erzeugen;
Fig. 9A eine weitere Ansicht des Rohlings ist, wie dieser nach der dritten Stufe der Maschine von Fig. 4 ausgebildet erscheint;
Fig. 9B den Rohling darstellt, wie dieser nach einer vierten Stufe der Maschine von Fig. 4 ausgebildet ist;
Fig. 9C eine Preßform darstellt, welche bei der Maschine von Fig. 4 verwendet wird, um die Gestaltung von Fig. 9B zu erzeugen;
Fig. 10 eine Preßform zur Verwendung bei der fünften Stufe der Maschine von Fig. 4 darstellt;
Fig. 11 eine vergrößerte Draufsicht einer Zwischengestalt des Rohlings ist, wie dieser nach der dritten Stufe der Maschine von Fig. 4 ausgebildet ist;
Fig. 11A eine Querschnittsansicht gemäß den Linien 11A-11A von Fig. 11 ist;
Fig. 12 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Backenelements ist, wie dieses nach der fünften Stufe der Maschine von Fig. 4 ausgebildet ist;
Fig. 12A eine Querschnittsansicht gemäß den Linien 12A-12A von Fig. 12 ist.
Eine wiederholte Verwendung von Bezugszeichen in der vorliegenden Beschreibung und Zeichnung erfolgt in der Absicht, gleiche bzw. analoge Merkmale bzw. Elemente der Erfindung darzustellen.

Genaue Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Bei gewöhnlicher Fachkenntnis ist zu ersehen, daß die vorliegende Erörterung lediglich eine Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele darstellt und nicht in der Absicht erfolgt, die weiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung zu begrenzen, wobei diese weiteren Aspekte in den beispielhaften Konstruktionen verwirklicht sind.
Die Fig. 1 und 2 stellen ein schlüsselloses Spannfutter 10 dar, welches als Grundlage zum Erläutern bestimmter Aspekte der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Im diesem Zusammenhang ist das Spannfutter 10 lediglich für ein typisches Spannfutter, welches erfindungsgemäß verbessert werden kann, beispielhaft. Daher sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Betriebsgestaltung des dargestellten Spannfutters begrenzt ist. Statt dessen sind Aspekte der Erfindung sowohl auf Schlüsselspannfutter als auch auf schlüssellose Spannfutter verschiedener Betriebsgestaltungen anwendbar.
Das Spannfutter 10 umfaßt ein vorderes Hülsenelement 12, ein optionales hinteres Hülsenelement 14, ein Körperelement 16 und eine Vielzahl von Backen 18. Wie dargestellt, ist das Körperelement 16 generell von zylindrischer Gestalt und umfaßt einen Schnauzen- bzw. Vorderabschnitt 20 und einen Schwanz- bzw. Hinterabschnitt 22. Eine Aufnahmebohrung 24 in Axialrichtung ist in dem Schnauzenabschnitt 20 des Körperelements 16 ausgebildet. Die Aufnahmebohrung 24 ist etwas größer als der größte Werkzeugschaft, zu dessen Aufnahme das Spannfutter 10 gestaltet ist. Eine Gewindebohrung 26 ist in dem Schwanzabschnitt 22 des Körperelements 16 ausgebildet und weist eine Normgröße auf, um zu der Antriebswelle eines Antriebs (nicht dargestellt) zu passen, mit welcher dieses verwendet wird. Bohrungen 24 und 26 können bei dem Zentralbereich 28 des Körperelements 16 verbunden sein. Obgleich eine Gewindebohrung 26 dargestellt ist, kann eine derartige Bohrung durch eine Konusbohrung mit einer Normgröße ersetzt werden, um mit einer verjüngten Antriebswelle ineinanderzugreifen.
Eine Vielzahl von Durchgängen 30 ist in dem Körperelement 16 definiert, um jeweilige Backen 18 aufzunehmen. Vorzugsweise umfaßt das Spannfutter 10 drei (3) derartige Durchgänge 30, welche bei dieser Konstruktion durch einen Bogen von etwa 120 Grad voneinander getrennt sind. Die Achsen der Durchgänge 30 und der Backen 18 darin sind in einem Winkel zu der Spannfutterachse angeordnet, wobei diese die Spannfutterachse bei einem gemeinsamen Punkt vor dem Körperelement 16 kreuzen.
Jeder der Backen 18 weist eine Werkzeugeingriffsfläche 32 auf, welche generell parallel zu der Achse des Körperelements 16 angeordnet ist. Jeder der Backen 18 definiert ferner Gewindegänge 34 an einer Außenfläche davon, welche generell gegenüber der Eingriffsfläche 32 angeordnet ist. Für den Fachkundigen ist ersichtlich, daß Gewindegänge 34 innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung von einem beliebigen geeigneten Typ sein und eine beliebige geeignete Gewindesteigung aufweisen können.
Bei dieser beispielhaften Konstruktion umfaßt das Körperelement 16 ferner ein Druckringelement 36, welches vorzugsweise einstückig damit ausgebildet sein kann. Wie dargestellt, umfaßt das Druckringelement 36 eine Druckfläche 38, welche eine gekrümmte Paßfläche zum Eingriff mit dem Innenlaufring einer abgeschlossenen Wälzlageranordnung 40 definiert. Die Lageranordnung 40 umfaßt eine Vielzahl von Lagerelementen 42, welche hier als Kugellager dargestellt sind. Es sei darauf hingewiesen, daß das Druckringelement 36 eine Vielzahl von Backenführungen 44 umfaßt, welche um dessen Umfang herum in Abstand angeordnet sind, um ein Zurückziehen eines jeweiligen Backens 18 dadurch hindurch zu ermöglichen.
Das Spannfutter 10 umfaßt ferner einen Gewindering zum Eingriff mit den Gewindegängen 34 der Backen 18. Eine Drehung des Gewinderings gegen das Körperelement 16 bewirkt, daß Backen 18 vorgeschoben bzw. zurückgezogen werden, wie erwünscht. Obgleich verschiedene Gestaltungen von Gewinderingen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, verwendet das dargestellte beispielhafte Spannfutter einen geteilten Gewindering mit halbkreisförmigen Abschnitten 46 und 48. Die Abschnitte 46 und 48 weisen jeweilige Gewinde 50 und 52 auf, welche an deren Innenumfangsfläche definiert sind, wie dargestellt. Ein Halteband 54 ist vorgesehen, um Abschnitte 46 und 48 als ringförmigen Gewindering zusammenzuhalten, wenn das Spannfutter 10 zusammengesetzt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß ein einstückiger Gewindering bzw. eine beliebige andere geeignete Gestaltung gleichfalls zu diesem Zweck verwendet werden kann.
Bei dieser beispielhaften Konstruktion ist das vordere Hülsenelement 12 geeignet gestaltet, um lose auf dem Schnauzenabschnitt 20 des Körperelements 16 angebracht zu werden. Wie dargestellt, umfaßt das vordere Hülsenelement 12 Antriebsrippen 56, welche mit Schlitzen 58 in Abschnitten 46 und 48 ineinandergreifen. Dies führt dazu, daß das vordere Hülsenelement 12 und der Gewindering funktional verbunden werden, das heißt, daß, wenn das vordere Hülsenelement 12 gedreht wird, der Gewindering damit mitgedreht wird.
Wie dargestellt, umfaßt das vordere Hülsenelement 12 einen ringförmigen Absatz 60, welcher geeignet gestaltet ist, um an einem Absatz 62 an der Basis des Schnauzenabschnitts 20 des Körperelements 16 aufzuliegen. Ein Schnauzenstück 64 ist an dem Schnauzenabschnitt 20 hinter dem Absatz 60 angeordnet, um das vordere Hülsenelement 12 in Position zu halten. In diesem Fall ist das Schnauzenstück 64 geeignet bemessen, um eine Preßpassung auf dem Schnauzenabschnitt 20 aufrechtzuerhalten. Es sei darauf hingewiesen, daß das Schnauzenstück 64 in einigen Fällen auch durch Schnappverschluß, Gewinde oder ähnliches befestigt werden kann.
Wie oben beschrieben, wurden Spannfutterbacken typischerweise durch Fräsen bzw. Schleifen eines zylindrischen "Rohlings" ausgebildet. Diese Technik erfordert, daß der Rohling mindestens die Länge und den Durchmesser wie der Backen, zu welchem dieser ausgebildet wird, aufweist. Metall, welches bei der Ausbildung der Eingriffsfläche und anderen Merkmalen des Backens entfernt wird, wird weitgehend vergeudet.
In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäß hergestelltes Backenelement 66 dargestellt, welches daran definierte Gewinde aufweisen kann, um einen Backen, wie etwa den Backen 18, herzustellen. Wie zu ersehen ist, umfaßt das Backenelement 66 einen Schaftabschnitt 68, welcher einstückig in einen Greifabschnitt 70 übergeht. Die generell schräge Fläche 72 an dem Greifabschnitt 70 definiert eine Eingriffsfläche bzw. "Backen"-Stirnfläche, wie etwa die mit 32 bezeichnete in den Fig. 1 und 2. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Eingriffsfläche derart ausgebildet, daß diese eine Oberflächengestaltung in der Richtung, welche quer zu der axialen Ausdehnung davon verläuft, aufweist, welche einem "W" ähnelt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß weitere geeignete Gestaltungen, wie etwa ein "V", gleichfalls erfindungsgemäß hergestellt werden können.
Eine Umfangsabschrägung 74 kann bei dem "Folgeende" des Elements 66 neben dem Schaftabschnitt 68 definiert sein. Eine Endstirnfläche 76 ist an dem gegenüberliegenden "Führungsende" des Elements 66 ausgebildet. Die Endstirnfläche 76 kann gemäß einer Ebene in einem Winkel angeordnet sein, wie dargestellt, so daß sich die Fläche 72 in Axialrichtung weiter als die gekrümmte Rückseite 78 des Greifabschnitts 70 erstreckt. Diese winkelige Ausrichtung führt dazu, daß die Endstirnfläche etwa lotrecht zu der Längsachse des Spannfutters 10 verläuft, wenn diese darin eingebaut ist.
Wie im folgenden beschrieben wird, wurde das Element 66 bis zu dieser Stufe aus einem generell zylindrischen Rohling ohne Entfernung von Metall ausgebildet. Anders ausgedrückt, werden die verschiedenen dargestellten Merkmale, welche die schräge Fläche 72 und die daran definierte Backenstirnfläche einschließen, durch "umformendes Ausbilden" des Rohlings erzeugt. Bei diesem Vorgang wird das Metall des Rohlings selektiv umverteilt, so daß diese Merkmale erzeugt werden.
In Fig. 4 ist eine (generell mit 80 bezeichnete) Ausbildungsmaschine schematisch dargestellt, welche verwendet werden kann, um ein Element, wie etwa 66, umformend auszubilden. Wie unten vollständiger erläutert wird, umfaßt die Maschine 80 eine Vielzahl von Stationen, bei welchen verschiedene Aspekte bei der Ausbildung des Elements 66 auftreten. Bei gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispielen umfaßt die Maschine 80 fünf (5) derartige Stationen. Fünf (5) Greif- bzw. Beförderungsvorrichtungen, wie die mit 82 bezeichneten, sind vorgesehen, um den Rohling von Station zu Station zu bewegen.
Die Maschine 80 umfaßt einen ersten Abschnitt 84 und einen zweiten Abschnitt 86 mit ebenen Stirnflächen, welche einander gegenüber angeordnet sind, wie dargestellt. In diesem Fall ist der Abschnitt 86 geeignet eingerichtet, um sich gegen den Abschnitt 84 zu bewegen, wie durch den Pfeil 88 dargestellt. Jede Ausbildungsstation ist in dieser Ansicht durch ein Loch 90, welches in der Stirnfläche 92 des Abschnitts 84 definiert ist, und einen zugehörigen Preßstempel 94, welcher von der gegenüberliegenden Stirnfläche des Abschnitts 86 ausgehend verläuft, dargestellt. Wenn der Abschnitt 86 zu dem Abschnitt 84 hin bewegt wird, stößt der Preßstempel den Rohling in das zugehörige Loch. Diese Bewegung bewirkt, daß der Rohling dazu neigt, sich der Gestalt einer Preßform, welche innerhalb des Abschnitts 84 bei der entsprechenden Station angeordnet ist, anzugleichen.
Es sei darauf hingewiesen, daß mehrfache Stationen in der Maschine 80 vorgesehen sind, so daß das Element 66 in mehrfachen aufeinanderfolgenden Stufen ausgebildet werden kann. Diese Technik wird verwendet, da ein Versuch, das Element 66 in einer Stufe aus einem generell zylindrischen Rohling auszubilden, häufig extrem schwierig ist. Durch Ausbilden des Elements 66 in getrennten Stufen kann eine geeignete und wirksame umformende Ausbildung davon erreicht werden. Vorzugsweise befindet sich in der Maschine 80 während der Bewegung des Abschnitts 86 zu dem Abschnitt 84 hin bei jeder Station ein Rohling. Somit befindet sich eine Anzahl von Rohlingen, welche der Anzahl der Stationen gleich ist, in dem Vorgang der Ausbildung, um Herstellungswirksamkeit zu erreichen.
Die verschiedenen Stufen, durch welche ein Rohling zu dem Element 66 ausgebildet werden kann, werden nun beschrieben. Fig. 5A stellt einen zylindrischen Rohling 96 dar, welcher verwendet werden kann, um das Element 66 erfindungsgemäß herzustellen. Wie dargestellt, weist der Rohling 96 eine Länge L&sub1; und einen Durchmesser auf, welche ausreichen, um ein Metallvolumen zu definieren, welches dem des Elements 66 im wesentlichen äquivalent ist. Wie in Fig. 5B angezeigt, wird der Rohling 96 typischerweise von einer Spule 100 aus Metalldraht abgetrennt, wobei eine geeignete Schneideeinrichtung verwendet wird. Generell besteht der Rohling 96 aus Stahl oder einer geeigneten Legierung davon. Beispielsweise wird angenommen, daß ein Kohlenstoffstahl mittleren Kohlenstoffgehalts, wie etwa ein Stahl mit einem Kohlenstoffbereich von 38-45 und etwas Blei, für diesen Zweck geeignet sein kann. Andere geeignete Metalle bzw. geeignete Materialien können jedoch gleichfalls innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
In Fig. 6A wurde eine Umfangsabschrägung 102 an dem Führungsende des Rohlings 96 bei der ersten Stufe der Maschine 80 ausgebildet. Die Abschrägung 102 definiert eine kreisförmige Endstirnfläche 104 mit einem Durchmesser D&sub1;. Die Abschrägung 102 kann durch Stoßen des Rohlings 96 in eine komplementäre Preßform 106 in dem Abschnitt 84, wie die in Fig. 6B dargestellte, durch einen der Preßstempel 94 umformend ausgebildet werden. Wie dargestellt, kann der Rohling 96 bei dieser Stufe eine Länge von etwa L&sub1; behalten.
Nachdem die Abschrägung 102 ausgebildet ist, wird der Preßstempel 94 zurückgezogen. Der Rohling 96 kann dann aus der Preßform 106 entfernt werden, wobei ein Entfernungszapfen innerhalb des Abschnitts 84 verwendet wird. Ein Durchgang 108 in Axialrichtung ist in dem Abschnitt 84 definiert, so daß der Entfernungszapfen an dem Führungsende des Rohlings 96 angreifen und diesen zurück durch das jeweilige der Löcher 90 herausstoßen kann. Obgleich dies in der vorliegenden Schrift nicht explizit beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, daß andere Stationen der Maschine 80, außer in vielen Fällen der letzten Station, typischerweise gleichfalls Entfernungszapfen verwenden, um eine Entfernung des Rohlings 96 aus der zugehörigen Preßform zu bewirken.
Die Gestalt des Rohlings 96 nach der zweiten Stufe der Maschine 80 ist in Fig. 7A dargestellt. Wie zu ersehen ist, ist der Rohling 96 bei dieser Zwischengestalt zu einer Länge L&sub2; verlängert, welche vorzugsweise größer als die Länge L&sub1; ist. Hier umfaßt der Rohling 96 einen zylindrischen Schaftabschnitt 110, welcher einstückig in einen verjüngten Abschnitt 112 übergeht Wie dargestellt, wird der Durchmesser des verjüngten Abschnitts 110 in der Richtung der Endstirnfläche 104 fortschreitend verkleinert, wobei dieser nach dieser Stufe der umformenden Ausbildung im wesentlichen den Wert D&sub1; beibehält.
Vorzugsweise weist der verjüngte Abschnitt 112 eine "Geschoßkugelgestalt" auf, wobei die Verjüngung nichtlinear ist. Wie unten vollständiger erläutert wird, ist die Querschnittsfläche des verjüngten Abschnitts 112 vorzugsweise im wesentlichen zu der Querschnittsfläche des erwünschten endgültigen Backenelements 66 bei entsprechenden Axialpositionen äquivalent. Diese Gestaltung erleichtert die Ausbildung des relativ komplexen Details der Backenstirnfläche, welche an einer schrägen Fläche 72 definiert ist. Eine geeignete Preßform zum Ausbilden dieser Zwischengestalt ist in Fig. 7B dargestellt und darin mit 114 bezeichnet.
Fig. 8A stellt die Gestaltung des Rohlings 96 nach der dritten Stufe der Maschine 80 dar. Wie dargestellt, wurde der verjüngte Abschnitt 112 nun zu einem Greifabschnitt 116 ausgebildet. Der Greifabschnitt 116 umfaßt eine generell schräge Fläche 118, welche daran eine Backenstirnfläche der erwünschten Gestaltung definiert. Die Rückseite des verjüngten Abschnitts 116 ist als generell halbkreisförmige Fläche 120 gestaltet, wie dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß die halbkreisförmige Fläche 120 im wesentlichen den gleichen Radius wie der Schaftabschnitt 110 aufweist und im wesentlichen eine Fortsetzung davon ist.
Die Endstirnfläche 104 wurde zu der Endstirnfläche 122 umgeformt, welche die dargestellte Gestaltung aufweist. Aus Gründen, welche unten vollständiger erläutert werden, weist die Endstirnfläche 122, obgleich diese keine kreisförmige Gestaltung mehr aufweist, dennoch einen Oberflächenbereich auf, welcher im wesentlichen zu der Endstirnfläche 104 äquivalent ist. Bei dieser Stufe weist der Rohling 96 eine Länge von L&sub3; auf. Die Länge L&sub3;, welche größer als die Länge L&sub1; sein kann, ist im wesentlichen die endgültige Länge des Elements 66. Eine geeignete Preßform zum Ausbilden dieser Schrittbearbeitung des Rohlings 96 ist in Fig. 8B dargestellt und darin mit 124 bezeichnet.
Ähnlich wie Fig. 8A stellt Fig. 9A die Gestaltung des Rohlings 96 nach der dritten Stufe der Maschine 80 dar. In Fig. 9A ist jedoch ein Grat 122, wie er an dem Folgeende des Rohlings 96 erscheinen kann, in übertriebener Weise dargestellt. Ein derartiger Grat kann durch die fortlaufende Stampfwirkung der Preßstempel 94 verursacht werden.
Fig. 9B stellt den Rohling 96 dar, wie dieser nach der vierten Stufe der Maschine 80 ausgebildet ist. Wie zu ersehen ist, weist das Folgeende nun eine Umfangsabschrägung 128 auf, welche anstelle des Grats 126 darum herum definiert ist. Ferner wurde die Endstirnfläche 122 in einem Winkel angeordnet, wie dargestellt, um eine in einem Winkel angeordnete Endstirnfläche 130 zu erzeugen.
Fig. 9C stellt eine geeignete Preßform 132 zur Verwendung beim Herstellen dieser Stufe des Rohlings 96 dar, welche in Fig. 9B dargestellt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß eine unerwünschte Drehung des Rohlings 96 in der Haltevorrichtung 82 verhindert werden muß, wenn dieser von der dritten Station zu der vierten Station bewegt wird, um zu gewährleisten, daß der Greifabschnitt 116 richtig in der Preßform 132 ausgerichtet wird.
Die in einem Winkel angeordnete Endstirnfläche 132 kann durch eine komplementäre Fläche an dem Ausstoßzapfen 133, welcher vorzugsweise in der dargestellten Position verbleibt, wenn der Rohling 96 in die Preßform 132 eingeführt wird, ausgebildet werden. Ferner ist die Preßform 132 zum Erzeugen der Abschrägung 128 derart gestaltet, daß ein Abschnitt 134 des Folgeendes des Rohlings 96 von der Stirnfläche 92 ausgeht. Der Preßstempel 94 ist bei dieser Station abgewandelt, um eine Vertiefung 136 zu definieren, welche generell komplementär zu der Abschrägung 128 ist. Ein Eingriff des Rohlings 96 mit der Vertiefung 136 erzeugt somit die Abschrägung 128, wie erwünscht.
Bei der fünften Stufe der Maschine 80 erfolgt eine endgültige Größenfestlegung des Rohlings 96. Genauer wird der Rohling 96 vorzugsweise durch eine Bohrung 138 geführt, welche einen Abschnitt 140 mit verkleinertem Durchmesser aufweist. Der Innendurchmesser des Abschnitts 140 ist vorzugsweise im wesentlichen dem erwünschten Außendurchmesser des Elements 66 gleich. Somit hat der Rohling 96, nachdem dieser durch die Bohrung 138 geführt wurde, die in Fig. 3 dargestellte Gestaltung des Elements 66 erreicht.
In den Fig. 11 und 12 wird nun ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung erläutert. Speziell Fig. 11 stellt die Zwischengestalt eines Rohlings 96 nach der dritten Stufe der Maschine 80 dar. Wie dargestellt, kann die Länge des verjüngten Abschnitts 112 von der Endstirnfläche zu der Position, bei welcher dieser in den Schaft 110 übergeht, als Länge L&sub4; ausgedrückt werden. Fig. 12 stellt das Element 66 nach der fünften Stufe der Ausbildung dar, wie oben erörtert. Wie zu ersehen ist, weist die Länge des Greifabschnitts 70 generell gleichfalls die Länge L&sub4; auf. Somit entspricht eine gegebene Axialposition innerhalb des verjüngten Abschnitts 112 einer gegebenen Axialposition innerhalb des Greifabschnitts 70.
Wie in den Fig. 11A und 12A dargestellt, weist der jeweilige Querschnitt an diesen Axialpositionen eine unterschiedliche geometrische Gestaltung auf. Dennoch sind die Querschnittsflächen des Elements 66 und des Rohlings 96 bei entsprechenden Axialpositionen im wesentlichen äquivalent. Diese Querschnittsfläche kann als Fläche A bezeichnet werden.
Die Übereinstimmung der Flächen, wie beschrieben, erwies sich beim umformenden Ausbilden der relativ komplizierten Gestalt des Greifabschnitts 70 aus einem Rohling, welcher achsensymmetrisch ist, als nützlich. Zum Beispiel kann ein Versuch, den Greifabschnitt 70 direkt aus einem zylindrischen Rohling herzustellen, zu einem "Festklemmen" in der Preßform führen. Die vorliegende Erfindung beseitigt ein derartiges "Festklemmen" und erzeugt den Greifabschnitt 70 wirksam durch Vorsehen des verjüngten Abschnitts 112, welcher Querschnittsflächen aufweist, welche zu Querschnittsflächen bei entsprechenden Axialpositionen äquivalent sind. Diese Gestaltung ermöglicht es, daß das Metall in der Preßform wirksam umverteilt wird.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Temperatur, bei welcher das Element 66 ausgebildet werden kann. Insbesondere kann das Element 66 bei Temperaturen ausgebildet werden, welche deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls liegen. Vorzugsweise wird die umformende Ausbildung des Rohlings 96 zu dem Element 66 bei angewandten Temperaturen bewirkt, welche 538ºC (1000 Grad Fahrenheit) generell nicht überschreiten. Häufig kann es wünschenswert sein, die umformende Ausbildung bei Raumtemperatur zu bewirken, obgleich zu bedenken ist, daß die Reibung bei der Metallbewegung einen inneren Temperaturanstieg erzeugt. In anderen Fällen kann es wünschenswert sein, eine gewisse äußere Wärme vor der Ausbildung auf das Material anzuwenden. Die optimale Temperatur in einer derartigen Situation hängt von dem speziellen Material ab, beträgt jedoch generell weniger als 538ºC (1000 Grad Fahrenheit), wie oben erörtert. Diese relativ niedrigen Temperaturen sind wünschenswert, da bei höheren Temperaturen, wie sie etwa zum Heißschmieden verwendet werden können, eine Schrumpfung des Rohlings 96 beobachtet werden kann.
Mikrofotografien des axialen Querschnitts eines Abschnitts eines Backens, welcher erfindungsgemäß bzw. gemäß maschinellen Bearbeitungstechniken des Stands der Technik hergestellt ist, zeigen, daß die strukturelle Kornausrichtung des maschinell bearbeiteten Backens durchgehend im wesentlichen in Axialrichtung verläuft. Demgegenüber ist die strukturelle Kornausrichtung des erfindungsgemäß hergestellten Backens deutlich verschieden. In diesem Fall weist das Korn eine derartige Richtungsorientierung auf, daß dieses generell parallel zu der schrägen Fläche verläuft.
Quer verlaufende Querschnitte bei fünfzigfacher (50-facher) Vergrößerung eines erfindungsgemäß bzw. gemäß dem Stand der Technik hergestellten Backenelements wurden aufgenommen, um einen Abschnitt der "W"- Gestalt der Backenstirnfläche darzustellen. Bei dem Backen des Stands der Technik ist das metallische Korn in einer Richtung ausgerichtet, welche im wesentlichen lotrecht zu der Mikrofotografie verläuft. Anders ausgedrückt, verläuft die Kornausrichtung längs der Sichtlinie des Betrachters "in" die Mikrofotografie hinein. Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Backen folgt die strukturelle Kornausrichtung demgegenüber in gewissem Umfang der Gestaltung der äußeren Oberfläche.
Obgleich bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und gegenwärtig bevorzugte Verfahren der Anwendung davon beschrieben wurden, können Abwandlungen und Änderungen durch gewöhnlich Fachkundige vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, welcher genauer in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist. Ferner sei darauf hingewiesen, daß Aspekte der verschiedenen Ausführungsbeispiele sowohl vollständig als auch teilweise vertauscht werden können. Ferner ist bei gewöhnlicher Fachkenntnis zu ersehen, daß die vorangehende Beschreibung lediglich beispielhaft ist und nicht in der Absicht erfolgt, die Erfindung zu begrenzen, welche in den beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Backenelements zur Verwendung bei einem Spannfutter des Typs, welcher mit einem manuellen bzw. kraftgetriebenen Antrieb mit einer drehbaren Antriebswelle verwendet wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

a) Vorbereiten eines zylindrischen Rohlings (96) aus einem ausgewählten Material;

b) umformendes Ausbilden des Rohlings zu einer Zwischengestalt durch selektive Umverteilung von Material, wobei die Zwischengestalt einen generell zylindrischen Schaftabschnitt (110), welcher einstückig in einen verjüngten Abschnitt (112) übergeht, aufweist, wobei der verjüngte Abschnitt einen maximalen Durchmesser bei einer Zwischenstelle an dem Rohling und einen minimalen Durchmesser bei einem ersten Ende des Rohlings aufweist; und

c) umformendes Ausbilden des verjüngten Abschnitts zu einem Greifabschnitt (116) durch selektive Umverteilung von Material, wobei der Greifabschnitt eine generell schräge Fläche (118), welche eine Backenstirnfläche daran definiert, aufweist, wodurch ein Backenelement (66) erzeugt wird, welches einen Schaftabschnitt und einen Backenabschnitt aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt:

a2) umformendes Ausbilden einer Umfangsabschrägung an dem ersten Ende des Rohlings (96) durch selektive Umverteilung von Material, wobei die Abschrägung eine Endstirnfläche mit einem vorbestimmten Durchmesser definiert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ende des verjüngten Abschnitts (112) einen Durchmesser, welcher im wesentlichen zu dem vorbestimmten Durchmesser bei der Endstirnfläche äquivalent ist, aufweist.

4. Verfahren nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, wobei der Greifabschnitt (116) derart ausgebildet wird, daß dieser eine Querschnittsfläche bei Positionen in Axialrichtung davon aufweist, welche zu einer Querschnittsfläche des verjüngten Abschnitts bei entsprechenden Positionen in Axialrichtung äquivalent ist.

5. Verfahren nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, umfassend den letzten Schritt:

d) umformendes Ausbilden einer winkeligen Endstirnfläche (122) an dem Ende des Greifabschnitts durch selektive Umverteilung von Material.

6. Verfahren nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, wobei der verjüngte Abschnitt (112) der Zwischengestalt durch eine geschoßkugelartige nichtlineare Verjüngung gekennzeichnet ist.

7. Verfahren nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, wobei der Rohling (96) beim umformenden Ausbilden davon nicht auf eine Temperatur, welche 538ºC (1000ºF) überschreitet, erwärmt wird.

8. Verfahren nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, ferner umfassend den Schritt eines umformenden Verkleinerns eines Durchmessers des Schaftabschnitts (110) zu einem zweiten vorbestimmten Durchmesser durch selektive Umverteilung von Material.

9. Verfahren nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, wobei die Schritte eines umformenden Ausbildens ein Stoßen des Rohlings (96) mit einem Preßstempel (94) in ein Preßformloch (90) umfassen, wobei sich der Rohling dadurch der Innengestalt des Preßformlochs angleicht.