Werkzeug zum Glattwalzen

Abstract

 Werkzeug zum Glattwalzen, das im Einstichverfahren leicht konvex oder konkav gewölbte rotationssymmetrische Zapfen (1), insbesondere die Lagerzapfen von Kurbelwellen, walzen soll. Die Abweichung von der Zylinderform beträgt hierbei nur wenige µm. Bekannte Glattwalzwerkzeuge erreichen hierzu keine befriedigende Lastverteilung und damit kein befriedigendes Walzergeb­nis. Nach der Erfindung ist die Glattwalzrolle (6) so schlank ist, daß sie sich unter der von der Stützrolle (7) übertragenen Walzkraft elastisch über den Verlauf der Längsachse verformt und an die Werkstückform (1) anlegt, wobei die Stützrolle (7) so geformt ist, daß sie die beschriebene elastische Durchbiegung der Glattwalzrolle (6) erlaubt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Walzwerkzeug für das Walzen im Einstich von Wellenzapfen, insbesondere Kurbelwellenzapfen, mittels mindestens einer an das Werkstück mit Walzkraft anlegbaren Walzrolle, mit mindestens einer am Werkstück anlegbaren Stützrolle und mindestens einer weiteren Stützrolle zur Abstützung einer Walzrolle, wobei die Stützrolle für die Walzrolle eine von der glatten Zylinderform abweichende Form aufweist.

[0002] Walzwerkzeuzge der oben beschriebenen Art sowie die zum Betrieb der Walzwerkzeuge zweckmäßigen Maschinen sind bereits bekannt geworden mit der DE-PS 2146994. Werkzeuge dieser Art sind jedoch nur geeignet entweder zylindrische Zapfen zu walzen, oder aber zylindrische Zapfen so zu walzen, daß nach der Walzoperation der zylindrische Zapfen leicht konvex gestaltet ist.

[0003] Vielfach ist es so, daß insbesondere Kurbelwellenlagerzapfen leicht konkav oder konvex gestaltet werden, um hierdurch Einfluß auf Kantenpressungen und damit Lagerverschleiß zu nehmen. Hierbei beträgt die Abweichung von der Zylinderform nur jeweils einige my m, beispiels­weise 8 my m. Die jeweilige Größe der Abweichung von der Zylinderform muß bei solchen Zapfen sehr genau eingehalten werden, denn sie basiert auf großer Erfahrung hinsichtlich der Funktionsfähigkeit. Eine solche Abweichung von der Zylinderform des Lagerzapfens läßt sich mit einer entsprechend geformten Walzrolle, wie sie beispielsweise aus der DE-PS 2146995, Figur 5, bekannt ist, nicht mit genügender Genauigkeit erreichen. Vorbearbeitungstoleranzen und Werkstoffinhomogenitäten machen das Walzergebnis unsicher. Die elastische Verformbarkeit des Werkstückes macht es außerdem nahezu unmöglich die richtige Walzrollenkontur zu ermitteln und festzulegen.
Es ist aber auch nicht möglich mit solchen Walzrollen nach Figur 5 der genannten Patentschrift eine bereits entsprechend gekrümmte Ober­flächen zu walzen, weil Krümmung der zu walzenden Oberfläche und Krümmung der Walzrolle nicht identisch sind und es daher zu ungleich­mäßiger Lastverteilung kommt, die ebenfalls zu einem unbefriedigenden Walzergebnis führt.

[0004] Der Erfindung liegt, ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, ein Walzwerkzeug vorzuschlagen, mit dem die bereits gekrümmt vorbearbeiteten Zapfenoberflächen mit befriedigendem Walzergebnis sowohl hinsichtlich des Glattwalzerbgeb­nisses als auch hinsichtlich der Krümmungsformgenauigkeit gewalzt werden können.

[0005] Diese Aufgabe ist, ausgehend von dem vorbeschriebenen Walzwerkzeug, dadurch gelöst, daß die Glattwalzrolle so schlank ist, daß sie sich unter der von der Stützrolle übertragenen Walzkraft elastisch über den Verlauf der Längsachse verformt und an die Werkstückform anlegt, wobei die Stützrolle so geformt ist, daß sie die beschriebene elastische Durchbie­gung der Walzrolle erlaubt. In dem hier notwendigen sehr kleinen Durchbiegungsbereich ist eine schlanke und z.B. zylindrische Walzrolle sehr gut durch Biegung an die Kontur des zu walzenden Werkstückes anzulegen. Es hat sich hierbei gezeigt, daß die Ursprungskontur des Werkstückes sehr genau erhalten bleibt, so daß es gelingt, die Werkstücke in bekannter und bewährter Weise in ihrer Kontur vorzufertigen und anschließend in gewünschter Weise glattzuwalzen, ohne daß hierdurch unzulässige Konturverfälschungen auftreten.

[0006] Nach einer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Stützrolle für die Walzrolle axial im Bereich ihrer beiden Enden jeweils einen Auflagebund als Stützfläche für die Walzrolle aufweist und im Mittelteil solche Durchmesserabmessungen aufweist, daß die gewünschte elastische Durchbiegung der Walzrolle möglich ist. Dies ist eine günstige Ausgestaltung um konvex geformte Lagerzapfen glattzuwalzen. Der an jeder Seite an der Stützrolle angeordnete Auflagebund für die Glattwalzrolle sorgt dafür, daß die Glattwalzrolle sozusagen an die Kontur des glattzuwalzenden Zapfens angelegt wird. Die Kontur kann hierdurch ohne unzulässige Formverfälschung -wie praktische Versuche gezeigt haben- gewalzt werden.

[0007] Ergänzend ist noch vorgeschlagen, daß die Auflagefläche jedes Auflagebundes eine konvex verlaufende Kurvenform aufweist. Dies ist eine günstige Gestaltung bei relativ kleinen Krümmungsradien der zu walzenden Oberfläche.

[0008] Alternativ ist vorgeschlagen, daß die Auflagefläche jedes Auflagebundes zylindrisch ist. Hierdurch wird die Fertigung der Werkzeuge vereinfacht und dennoch eine befriedigende Lebensdauer mindestens bei relativ größen Krümmungsradien des Werkstückes erreicht.

[0009] Eine weitere, ausgestaltende Alternative sieht vor, daß die Auflagefläche jedes Auflagebundes kegelig ist mit auf den anderen Auflagebund gerichteter Kegelspitze und mit einer für die gewünschte elastische Durchbiegung der Walzrolle ausreichenden Kegelneigung. Auch dies ist eine Gestaltung die geeignet ist sowohl bei relativ großen als auch bei relativ kleinen Krümmungsradien der Querschnittsform eines Schnittes durch die Rotationsachse des Werkstückes, wobei die Kegelneigung hier entsprechend angepaßt werden kann.

[0010] Für die Bearbeitung konkav gestalteter Umfangsflächen zu walzender Zapfen ist vorgeschlagen, daß die Stützrolle für die Walzrolle ballig geformt ist mit einem Krümmungsradius gleich oder kleiner dem Krümmungsradius der Querschnittskontur des Werkstückes, betrachtet bei einem Schnitt durch die Rotationsachse. Hierdurch kann eine Durchbie­gung der Walzrolle in der hier erforderlichen Größenordnung so bewirkt werden, daß sich die Walzrolle sauber an die Kontur des Werkstückes anlegt und die Umfangsfläche des Werkstückes walzt ohne unzulässige Konturverfälschung des Werkstückes.
Es ist weiterhin vorgesehen, daß die Stützrolle für die Walzrolle von zwei mit der Basis gegeneinander gerichteten Kegelstümpfen gebildet wird, deren Basisflächen über ein balliges oder zylindrisches Zwischenstück miteinander verbunden sind und wobei die Kegelneigung genügend groß ist eine Durchbiegung der Walzrolle zur Anpassung an die Kontur des Werkstückes zuzulassen. Eine solche Form der Stützrollen ist einfach herstellbar und ergibt insbesondere bei breiten Lagerzapfen und großen Krümmungsradien der Querschnittskontur des Werkstückes eine gute Anlage der Walzrolle an diese Kontur und eine günstige Kraftverteilung.

[0011] Es ist schließlich noch vorgeschlagen, daß eine am Werkstück anlegbare Stützrolle in Anpassung an die Kontur des Werkstückes konkav oder konvex gewölbt ist mit einem Krümmungsradius, der im Falle der Konkavkrümmung größer und im Falle der Konvexkrümmung kleiner als der entsprechende Krümmungsradius des Werkstückes ist. Hierdurch wird im Bereich der Stützrolle eine bessere Lastverteilung erreicht. Es muß bei der Auslegung des Werkzeuges darauf geachtet werden, daß das Verhältnis von Walzrollendurchmesser und Stützrollendurchmesser deart ist, daß von der am Werkstück anliegenden Stützrolle ausschließlich eine elastische Verformung des Werkstückes bewirkt wird. Eine Anpassung der Stützrollenkontur an die Werkstückkontur erlaubt hierbei eine Verringe­rung des Durchmessers der an das Werkstück anlegbaren Stützrolle, wodurch der Bauraum für das Werkzeug verkleinert werden kann.

[0012] Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen in den Figuren 1 bis 6 ausschnittsweise verschiedene Formen einer einer Walzrolle zugeord­neten Stützrolle zusammen mit der zugeordneten Werkstückkontur, sowie in Figur 7 zusätzlich als Ausschnitt die Kontur einer am Werkstück anlegbaren Stützrolle.

[0013] In Figur 1 ist in Seitenansicht eine Stützrolle 7 mit ihrer als Mittellinie dargestellten Rotationsachse halb dargestellt. Die Stützrolle 7 besteht im wesentlichen aus einem Mittelteil 7ʹ das z.B. zylindrisch sein kann, welches begrenzt ist an beiden Stirnseiten von den Auflagebunden 20.

[0014] Die Auflagebunde 20 sind im Durchmesser größer als das Mittelteil 7ʹ und überragen daher dieses radial. Die Umflangsfläche der Auflagebunde 20 ist zylindrisch und es kommt in einem in seinem Aufbau im übrigen bekannten Walzwerkzeug eine zylindrische Walzrolle 6 mit der Längsachse 21 parallel zur Rotationsache der Stützrolle 7 liegend zur Anlage an den zylindrischen Umfangsflächen der Bunde 20. Über das in seinem sonstigen Aufbau bekannte Walzwerkzeug kann nur die Walzrolle 6 zur Anlage gebracht werden an ein zapfenförmiges Werkstück 1, beispielsweise an den Lagerzapfen einer Kurbelwelle. Nach Figur 1 weist der Zapfen, dessen Rotationsachse wieder als Mittellinie angedeutet ist, in einem Längsschnitt durch diese Mittellinie eine konvex gestaltete Außenkontur auf. Die konvexe Krümmung des Zapfens ist in Figur 1 sehr stark übertrieben dargestellt. Sie beträgt real nur wenige my m. Der Zapfen 1 wird in bekannter Weise im Einstich gewalzt. Hierbei wird die Stützrolle 7 mit der notwendigen Walzkraft radial gegen das Werkstück 1 gefahren, wodurch die Walzrolle 6 am höchsten Punkt der Kontur des Werkstückes 1 an diesem zur Anlage kommt. Unter der Walzkraft, die von den Bunden 20 auf die Glattwalzrolle 6 übertragen wird, wird nun die Glattwalzrolle 6 um die Kontur des Werkstückes 1 herumgebogen. Da die Rolle 6 schlank ist, ist für die notwendige Umbiegung nur eine geringe Kraft erforderlich. Nachdem die Umbiegung erfolgt ist und damit die Oberfläche der Walzrolle 6 vollständig an der konvexen Querschnitts­oberfläche des Werkstückes 1 anliegt, baut sich die Walzkraft auf und es kann nun in üblicher Weise der Walzvorgang durchgeführt werden. Auf der gesamten Umfangsfläche wird damit das Werkstück 1 glattgewalzt, ohne daß hierbei eine unzulässige Veränderung der konvexen Kontur des Werkstückes 1 zu befürchten wäre.

[0015] Der Aufbau eines Werkzeuges nach Figur 2 ist ganz ähnlich dem zu Figur 1 beschriebenen und es ist insbesondere die Arbeitsweise gleich. In Figur 2 ist jedoch eine Stützrolle 8 mit einem Mittelteil 8ʹ gezeigt, welches wiederum an beiden Stirnseiten begrenzt ist von Auflagebunden 19 für die Walzrolle 6. Die Umfangsflächen dieser Auflagebunde 19 sind jedoch ballig, so daß sie unter Punktberührung an der Walzrolle 6 anliegen. Dies ist besonders bei schmalen Zapfen 1 mit relativ kleinem Krümmungs­radius der Querschnittskontur von Vorteil, weil dann, wenn unter der Walzkraft, die von den Bunden 19 übertragen wird, die Rolle 6 an die Kontur des Zapfens 1 angelegt wird, eine unerwünschte Kantenpressung im Bereich der Stützbunde 19 vermieden werden kann. Auch bei Figur 2 liegt der Mittelteil 8ʹ auch radial genügend weit zurück, so daß die Durchbiegung der Rolle und deren Anlage an die Werkstückkontur vom Mittelteil 8ʹ nicht behindert wird. In diesem Zusammenhang sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß es nicht erforderlich ist, daß der jeweilige Mittelteil zwischen den genannten Auflagebunden zylindrisch ist. Er muß jedoch so geformt und bemessen sein, daß der Walzrolle 6 die notwendige Durchbiegungsfreiheit verbleibt.

[0016] Eine Möglichkeit die Vorteile der Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 zu verbinden, ist in der Figur 3 dargestellt. Aufbau und Funktionsweise eines Werkzeuges nach Figur 3 ist so wie zu den Figuren 1 und 2 bereits beschrieben. Auch nach Figur 3 ist wiederum eine Stützrolle 9 vorhanden, deren Mittelteil 9ʹ begrenzt ist von den Auflage­bunden 18. Die Umfangsflächen dieser Auflagebunde 18 sind jedoch jeweils entgegengesetzt gerichtet keglig. Der Übergang der Stirnseiten zu der zylindrischen Umfangsfläche kann hierbei bei der Walzrolle 6 abgerundet sein. Dies ist vorteilhaft, weil die Länge der Walzrolle 6 sich dann über die gesamte Länge der Stützrolle 7 erstrecken kann und dennoch der Berührungspunkt zwischen Walzrolle 6 und Stützrolle 9 weiter nach innen auf den kegeligen Umfangsflächen der Auflagebunde 18 liegt. Die Abmessungen des Mittelteils 9ʹ sind wiederum so, daß die notwendige Durchbiegung der Walzrolle 6 nicht behindert wird. Entsprechend ist auch die Neigung der kegeligen Umfangsflächen der Auflagebunde 18. Durch die beschriebene Gestaltung wird einerseits unerwünschte Kantenpressung zwischen Walzrolle und Stützrolle vermieden und es kann gleichzeitig die Stützrolle in ihrer Kontur relativ einfach hergestellt werden.

[0017] In den Figuren 4 bis 6 sind Ausführungsbeispiele gezeigt, die in ihrem Aufbau die Bearbeitung eines konkav gekrümmten Zapfens, beispiels­weise eines konkav gekrümmten Kurbelwellenlagerzapfens, ermöglichen. Auch hier kann wieder hinsichtlich des grundsätzlichen Aufbaues von den bekannten Werkzeugen ausgegangen werden. Auch die Werkzeuge nach den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 bis 6 weisen jeweils eine zylindrische Walzrolle 6 auf, die über eine zugeordnete Stützrolle 10, 11 oder 12 durchgebogen und damit an die Werkstückkontur angelegt werden. Das Werkstück 2 wird hierdurch in seiner konkaven Querschnitts­form nicht in einer unzulässigen Größenordnung verändert.

[0018] Im Ausführungsbeispiel nach Figur 4, besteht die Stützrolle 10 im wesentlichen aus zwei mit der Basis gegeneinander gerichteten Kegelstümpfen mit einer gemeinsamen, als Mittellinie angedeuteten Rotationsachse. Die Basisflächen der beiden Kegelstümpfe sind getrennt durch ein Zwischenstück 14, das im Ausführungsbeispiel nach Figur 4 als zylindrischer Teil vorgesehen ist.

[0019] Die Ausführungsform nach Figur 5 entspricht ganz der Ausführungsform nach Figur 4, jedoch ist bei der nach Figur 5 vorgesehenen Stützrolle 11 das Zwischenstück 13 zwar zylindrisch, aber im Übergangsbereich zu den Kegelflächen der Stützrolle 11 abgerundet. Hierdurch können Kanten­pressungen vermieden werden.

[0020] Auch ein Werkzeug nach dem Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist im wesentlichen so aufgebaut, wie die bereits zu Figuren 4 und 5 beschriebenen Werkzeuge. Die bei Figur 6 verwendete Stützrolle 12 ist jedoch ballig gestaltet, wobei darauf geachtet werden muß, daß der Krümmungsradius 15 der Stützrolle 12 allenfalls gleich, besser aber kleiner als der Krümmungsradius 16 des Werkstückes 2 ist. Zur Verdeutlichung ist in Figur 6 zum Werkstück 2 noch einmal dessen Rotationsachse 17 eingetragen, die parallel liegt zu den entsprechenden Rotationsachsen der Walzrolle 6 und der jeweils zugeordneten Stützrolle. Eine Stützrolle nach Figur 6 ermöglicht es auf einfache Weise mögliche Parallelitätsfehler zwischen der Rotationsachse 17 des Werkstückes 2 und der nicht näher bezeichneten Rotationsache der Stützrolle 12 auszugleichen.

[0021] In Figur 7 ist noch einmal ein Ausführungsbeispiel nach dem Aufbau der Figur 1 dargestellt. Die Darstellung nach Figur 1 ist jedoch bei Figur 7 um eine am Werkstück 1 anliegende Stützrolle 3 erweitert, die nur halb dargestellt ist. Entsprechend der konvexen Krümmung des Werkstückes 1 weist die Stützrolle 3 eine konkave Krümmung auf mit einem Krümmungsradius 4, der größer ist als der Krümmungsradius 5 des Werkstückes 1. Durch die Verwendung einer solchen Stützrolle werden günstige Anlageverhältnisse erreicht.

[0022] Mit Werkzeugen derart, wie sie in den Ausführungsbeispielen beschrieben sind, gelingt es, Zapfen, z.B. Kurbelwellenlagerzapfen, mit im Quer­schnitt durch die Rotationsachse gesehen leicht gekrümmter Oberfläche glattzuwalzen und hierbei eine unzulässige Konturveränderung zu vermeiden. Auch nach der Glattwalzoperation wird die gewünschte Kontur mit der erforderlichen Genauigkeit erreicht und es kann gleichzeitig das bisherige Fertigungsverfahren für die Vorbearbeitung des Werkstückes unverändert beibehalten werden. Das Werkzeug selbst ist einfach im Aufbau und kann preisgünstig hergestellt werden.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

[0023] 

1 Werkstück

2 Werkstück

3 Stützrolle

4 Krümmungsradius

5 Krümmungsradius

6 Walze

7 Stützrolle für die Walze

7ʹ Mittelteil

8 Stützrolle für die Walze

8ʹ Mittelteil

9 Stützrolle für die Walze

9ʹ Mittelteil

10 Stützrolle für die Walze

11 Stützrolle für die Walze

12 Stützrolle für die Walze

13 Zwischenstück

13 Zwischenstück

14 Zwischenstück

15 Krümmungsradius

16 Krümmungsradius

17 Rotationsachse

18 Auflagebund

19 Auflagebund

20 Auflagebund

21 Längsachse

Ansprüche

1. Walzwerkzeug für das Walzen im Einstich von Wellenzapfen mittels mindestens einer an das Werkstück mit Walzkraft anlegbaren Walzrolle, mit mindestens einer am Werkstück anlegbaren Stützrolle und mindestens einer weiteren Stützrolle zur Abstüztung einer Walzrolle, wobei die Stützrolle für die Walzrolle eine von der glatten Zylinderform abweichende Form aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Glattwalzrolle (6) so schlank ist, daß sie sich unter der von der Stützrolle (7-12) übertragenen Walzkraft elastisch über den Verlauf der Längsachse (21) verformt und an die Werkstückform anlegt, wobei die Stützrolle (7-12) so geformt ist, daß sie die beschriebene elastische Durchbiegung der Walzrolle (6) erlaubt.

2. Walzwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrolle (7,8,9) für die Walzrolle (6) axial im Bereich ihrer beiden Enden jeweils einen Auflagebund (18,19,20) als Stützfläche für die Walzrolle (6) aufweist und im Mittelteil (7ʹ, 8ʹ, 9ʹ) solche Durch­messerabmessungen aufweist, daß die gewünschte elastische Durchbiegung der Walzrolle (6) möglich ist.

3. Walzwerkzeug mindestens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche jedes Auflagebundes (19) eine konvex verlaufende Kurvenform aufweist.

4. Werkzeug mindestens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche jedes Auflagebundes (20) zylindrisch ist.

5. Werkzeug mindestens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche jedes Auflagebundes (18) kegelig ist mit auf den anderen Auflagebund gerichteter Kegelspitze und mit einer für die gewünschte elastische Durchbiegung der Walzrolle (6) ausreichenden Kegelneigung.

6. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrolle (12) für die Walzrolle (6) ballig geformt ist mit einem Krümmungsradius (15) gleich oder kleiner dem Krümmungsradius (16) der Querschnittskontur des Werkstückes (2), betrachtet bei einem Schnitt durch die Rotatiosachse (17).

7. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrolle (10,11) für die Walzrolle (6) von zwei mit der Basis gegeneinander gerichteten Kegelstümpfen gebildet wird, deren Basisflächen über ein balliges (13) oder zylindrisches (14) Zwischen­stück miteinander verbunden sind und wobei die Kegelneigung genügend groß ist, eine Durchbiegung der Walzrolle (6) zur Anpassung an die Kontur des Werkstückes (2) zuzulassen.

8. Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Werkstück (1,2) anlegbare Stützrolle (3) in Anpassung an die Kontur des Werkstückes (1,2) konkav oder konvex gewölbt ist mit einem Krümmungsradius (4), der im Falle der Konkavkrümmung größer und im Falle der Konvexkrümmung kleiner als der entsprechende Krümmungsradius (5) des Werkstückes (1,2) ist.

Zeichnung