[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kegelrädern nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 7.
[0002] Es ist bekannt, Kegelräder, die im Differentialgetriebe von Kraftfahrzeugen Verwendung
finden, durch Präzisionsschmieden herzustellen. Derzeitig werden solche Kegelräder
nur für einige Nutzfahrzeuge und Sportwagen serienmäßig hergestellt. Bei Nutzfahrzeugen
ergibt sich gegenüber Kegelrädern, die durch Zerspanung hergestellt sind, eine höhere
Lebensdauer; im Sportwagenbau erlauben geschmiedete Kegelräder bei gleichen Getriebeabmessungen
eine Erhöhung der Fahrzeugantriebsleistung. Im Serienbau von Personenwagen finden
geschmiedete Kegelräder bisher keine Anwendung, da sie im Vergleich zu spanend hergestellten
Rädern teurer sind. Der Grund für die höheren Fertigungskosten liegt darin, daß geschmiedete
Kegelräder noch einer spanenden Nachbehandlung bedürfen. In Differentialgetrieben
haben die Kegelräder zur Erzielung einer kompakten Baugröße kalottenförmige Rückenflächen.
Bei den derzeit eingesetzten Schmiedeverfahren auf einfach wirkenden Pressen fließt
das Material des Rohlings durch die Schließbewegung der Gesenke. Hierbei entsteht
ein Grat zwischen den Rückenflächen der Zähne, so daß die Zahnlücken rückenseitig
durch den Grat abgeschlossen sind. Im Bereich der Gratbahn unterliegen die die Zahnlücken
erzeugenden Rippen der Gesenke infolge der hier besonders hohen Fließgeschwindigkeiten
und Kontaktdrücke einem hohen Verschleiß. Um trotz des Verschleißes eine hohe Standmenge
erzielen zu können, werden die Zahnräder mit einem Übermaß im Kopfkreisdurchmesser
und im Rückenkegelwinkel geschmiedet. Dieses Übermaß, dessen Größe sich beim Verschleiß
der Gesenke ändert, wird beim anschließenden Abdrehen des Schmiedegrates entfernt,
wobei gleichzeitig die Formgebung der kalottenförmigen Rückenfläche erfolgt.
[0003] Die bekannten Verfahren zum Schmieden von Kegelrädern sind infolge der erforderlichen
spanenden Nachbehandlung aufwending und teuer. Wegen der nachträglich zu entfernenden
Materialmengen entsteht Abfallmaterial, wodurch die Kosten noch mehr erhöht werden.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Art zu schaffen, das die maßhaltige Herstellung von Kegelrädern durch
Schmieden mit geringem Material- und Nacharbeitsaufwand ermöglicht.
[0005] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
[0006] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der von den Gesenken umschlossene Gesenkhohlraum,
in dem der Rohling angeordnet ist, weitgehend kraftfrei geschlossen. Dies bedeutet,
daß die beiden Gesenke gegeneinander gesetzt werden, bevor eine wesentliche Verformung
des Rohlings stattfindet, bzw. bevor überhaupt eine Verformung erfolgt. Wichtig ist,
daß der Materialfluß des Rohlings den Schließspalt noch nicht erreicht hat, wenn dieser
bereits vollständig geschlossen ist. Bei geschlossenem Schließspalt kann kein Material
in diesen einfließen, so daß jegliche Gratbildung an den Enden der Zahnlücken vermieden
wird. Andererseits wird infolge des völlig verschlossenen Schließspalts ein Materialfluß
in den Schließspalt hinein vermieden, so daß keine engen Fließwege entstehen, in denen
hohe Fließgeschwindigkeiten mit der Folge hohen Verschleißes eintreten. Die Erzeugung
der Zähne, d.h. das Ausfüllen der entsprechenden Zwischenräume zwischen den Rippen
des Gesenks, erfolgt erst nach dem vollständigen Schließen des Gesenkhohlraums. Hierzu
wird nach dem Schließen des Gesenks der Preßstempel vorgeschoben. Der Preßstempel
rückt den Rohling in Richtung auf die Verzahnungsgravur, wodurch das Material des
Rohlings in sämtliche Formhohlräume eindringt. Besonders vorteilhaft ist, daß durch
den Preßstempel dasjenige Gesenk, das den Preßstempel enthält, vom Druck des Rohlings
weitgehend entlastet wird. Hierdurch werden die auf das Gesenk einwirkenden Reibungsschubspannungen
verringert, wodurch die Füllung der Gravur erleichtert und der Gesenkverschleiß herabgesetzt
wird.
[0007] Die Patentansprüche 2 bis 7 beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
[0008] Mit dem Merkmal des Patentanspruchs 2 wird erreicht, daß der Rohling genügend Material
für die Ausfüllung des Gesenkhohlraums bereitstellt, so daß dieser Formhohlraum vollständig
ausgefüllt werden kann und die Form des hergestellten Kegelrades exakt derjenigen
des Gesenkhohlraums entspricht. Dadurch wird nicht nur die Verzahnungsgravur formgerecht
ausgefüllt, sondern auch die Rückenfläche des Kegelrades maßgerecht hergestellt, so
daß sich eine Nachbearbeitung erübrigt. Eine spanabhebende Nachbearbeitung kann allenfalls
in dem Mittelkanal des Kegelrades erforderlich sein, um diesen für die Montage einer
Welle vorzubereiten, z.B. eine Räumoperation zur Herstellung eines Keilwellenprofiles.
Bei Verwendung eines Preßstempels mit unrundem Querschnitt (z.B. Keilwellenprofil)
besitzt der Mittelkanal bereits infolge des Pressvorganges einen zur drehfesten Aufnahme
einer Welle geeigneten Querschnitt im Bereich des erzeugten Sackloches.
[0009] Der Preßstempel sollte so weit vorgeschoben werden, daß sein vorderes Ende etwa in
derjenigen Ebene liegt, in der der Gesenkhohlraum den größten Durchmesser hat. Bei
Kegelrädern mit kalottenförmiger Rückenfläche befindet sich diese Ebene etwa in der
Mitte der Länge des Gesenkhohlraums. Durch eine solche maximale Vorschubstellung
des Preßstempels wird erreicht, daß die am weitesten außen liegenden Bereiche des
Gesenkhohlraums mit dem Material des Rohlings vollständig ausgefüllt werden können.
[0010] Vorzugsweise ist der Rohling mit einem Dorn gegenüber dem Preßstempel abgestützt.
Der Dorn erzeugt zusammen mit dem Preßstempel einen Fließspalt, aus dem das Material
des Rohlings seitlich herausgedrückt wird. Der Dorn ist entweder während der Vorschubbewegung
des Preßstempels ortsfest, oder er wird mittels eines eigenen Antriebes zusätzlich
zur Vorschubbewegung des Preßstempels diesem entgegengeschoben. Sein Querschnitt kann
unrund sein zur Erzeugung eines unrunden Sackloches (z.B. Keilwellenprofil), um eine
Welle drehfest aufzunehmen. Durch Verstellen der Endlage des Dornes in Längsrichtung
können die seitlichen Fließbewegungen so eingestellt werden, daß sich die Fließscheide
etwa in der Ebene der größten seitlichen Ausdehnung des Gesenkhohlraums verläuft,
so daß dieser vollständig ausgefüllt wird. Andererseits besteht die Möglichkeit,
entweder den Dorn oder den Preßstempel als Auswerfer zum Auswerfen des fertigen Werkstücks
aus dem geöffneten Gesenk zu verwenden. Zwischen dem Dorn und dem Preßstempel entsteht
am Werkstück ein Zwischenboden (Spiegel), der zwei auf entgegengesetzten Seiten angeordnete
Sacklöcher voneinander trennt. Bei der Endbearbeitung des Kegelrades braucht lediglich
der Zwischenboden in einer Lochoperation durchstoßen zu werden, wobei zusätzlich bei
unrunden Sacklöchern an dem dadurch entstehenden Kanal eine dem Profil der Sacklöcher
entsprechende Keilnutung o.dgl. angebracht werden kann. Dies kann in einem einzigen
Arbeitsgang erfolgen. Bei dieser I,ochoperation wird nur eine relativ geringe Materialmenge
entfernt, weil das Kegelrad schon an beiden Enden vorgedornt ist. Das er findungsgemäße
Verfahren eignet sich daher insbesondere zur Fertigung von Kegelrädern mit Innendurchbruch.
[0011] Das Verfahren wird vorzugsweise als Warmpressen ausgeführt, wobei der Rohling in
einer Inertgasatmosphäre auf etwa 1100 °C erwärmt wird. Durch diese zunderfreie Erwärmung
der umformend, spanend durch Sintern oder durch Gießen hergestellten Rohlinge wird
eine gemittelte Rauhtiefe von weniger als 8 µm erreicht. Beim Einsetzen des Rohlings
in das Gesenk wird der Rohling kurzzeitig der Atmosphäre ausgesetzt, wodurch an seiner
Oberfläche ein Oxidfilm gebildet wird, der zwischen Werkzeug und Werkstück als Trennmittel
wirkt. Im Anschluß an die Lochoperation zum Ausstoßen des Zwischenbodens kann eine
Wärmebehandlung unter Ausnutzung der Schmiedewärme erfolgen. Durch Abschrecken der
oberflächennahen Bereiche und gesteuertes Abführen der Restwärme können die Randzone
von Rückenfläche und Laufverzahnung martensitisch umgewandelt und die Kernbereiche
in weichem Gefügezustand gehalten werden. Da die zu härtenden Bereiche, nämlich Rückenfläche
und Verzahnung, nach dem Umformen nicht mehr spanend nachgearbeitet werden müssen,
ist es auch möglich, bei Verwendung von Einsatzstahl unter Ausnutzung der Schmiedewärme
eine Einsatzhärtung des Kegelrades durchzuführen. Hierbei ist lediglich eine Abdeckung
der ggf. spanend nachzubearbeitenden Lochwandfläche erforderlich.
[0012] Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung von Kegelrädern mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 7. Diese Vorrichtung bietet außer den oben schon
genannten Vorteilen den weiteren Vorteil, daß die Gesenke relativ zueinander keine
aufwendige und mechanisch starke Führung benötigen, weil der Hauptteil der Verformung
bei vollständig geschlossenem Gesenk erfolgt.
[0013] Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung näher erläutert.
[0014] Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Gesenkform nach dem Einsetzen des Rohlings,
Fig. 2 einen Schnitt durch die geschlossene Gesenkform zu Beginn des Preßvorgangs
und
Fig. 3 einen Schnitt durch die geschlossene Gesenkform nach Beendigung des Preßvorgangs.
[0015] Mit der dargestellten Gesenkform können Kegelräder hergestellt werden, deren Rückenfläche
die Form einer Kugelkalotte hat. Solche Kegelräder werden beispielsweise für die
Differentialgetriebe von Kraftfahrzeugen benutzt.
[0016] Die Gesenkform besteht aus einem Untergesenk 10 und einem Obergesenk 11. Beide Gesenke
10, 11 haben ebene Schließflächen 12, die beim Schließen der Gesenkform flach gegeneinander
gedrückt werden und den Gesenkhohlraum ringförmig umschließen. Ein Teil des Gesenkhohlraums
ist in dem Untergesenk 10 ausgebildet. Dieser Hohlraumteil 13 hat die Form einer Kugelkalotte,
die zur Schließfläche 12 hin offen ist. Das Obergesenk 11 bildet die Verzahnungsgravur.
In seinem Hohlraumteil 14 sind nach innen vorstehende Rippen 15 ausgebildet, die die
Zahnlücken zwischen den Zähnen des herzustellenden Kegelrades formen. Die Rippen 15
sind kegelstumpfförmig angeordnet, und ihre Höhe nimmt in Richtung auf das Untergesenk
10 zu. Die Stirnflächen 15a der Rippen 15 ragen über die Schließfläche 12 des Obergesenks
11 hinaus und haben eine kugelförmige Kontour, die derjenigen der Wand des Hohlraumteils
13 angepaßt ist, so daß die Stirnseiten 15a sich beim Schließen der Gesenkform dicht
und vollflächig an die Wand des Hohlraumteils 13 anlegen. An der einen Schließfläche
12 ist ein um den zugehörigen Hohlraumteil 14 ringförmig herum verlaufender Führungssteg
16 vorgesehen, der in eine Führungsnute 17 in der Schließfläche 12 des Untergesenks
10 passend eingreifen kann. Der Führungssteg 16 und die Führungsnute 17 bilden ineinandergreifende
Führungsmittel, um die Gesenke 10,11 in der Endphase der Schließbewegung und im Schließzustand
in fester gegenseitiger Zuordnung zu halten. Die zum Schließen des Gesenks benutzte
Presse braucht daher keine stark dimensionierte Linearführung aufzuweisen.
[0017] In einem Kanal 18 des Untergesenks 10 ist ein Preßstempel 19 längs der Mittelachse
des Gesenkhohlraums 13,14 und quer zu den Schließflächen 12 verschiebbar. Ein Dorn
21 ist in einem axial mit dem Kanal 18 ausgerichteten Kanal 20 des Obergesenks 11
verschiebbar. Der Dorn 21 hat im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Preßstempel
19, jedoch kann der Durchmesser des Dornes 21 auch etwas kleiner sein, wenn die Fußpunkte
der Rippen 15, die den Dorn 21 umgeben, dies erforderlich machen.
[0018] In das Untergesenk wird der Rohling 22 eingesetzt. Dieser Rohling weist einen kegelstumpfförmigen
Abschnitt 22a mit kalottenförmiger Rückenfläche 22b und einen sich an die Rückenfläche
22b anschließenden Schaft 22c auf. Der Durchmesser des Schafts 22c ist etwa demjenigen
des Kanal 18 angepaßt, der den Schaft aufnimmt. Die Rückenfläche 22b liegt vollflächig
an der Fläche des Hohlraumteils 13. Der kegelförmige Teil 22a hat bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel eine solche Form und Größe, daß er bei geschlossener Gesenkform
(Fig. 2) den Gesenkhohlraum 13, 14 ausfüllt, mit Ausnahme der Zwischenräume zwischen
den Rippen 15. Die Mantelfläche des kegelförmigen Teils 22a liegt also an den Spitzen
der Zähne 15 an, während der Rücken 22b an der Wand des Hohlraumteils 13 anliegt.
Die Vorderseite des Rohlings 22 weist ein Sackloch 22d auf, in das das vordere Ende
des Dornes 21 bei geschlossener Gesenkform ausfüllend eintaucht. Die Gesenkform 10,
11 kann bei eingesetztem Rohling 22 kraftfrei geschlossen werden, also ohne daß irgendeine
Verformung des Rohlings erfolgt. Als Folge hiervon wird der von den Schließflächen
12 gebildete Schließspalt 23 vor dem Beginn der Verformung des Rohlings auf Null reduziert.
[0019] Zu Beginn des Verformungsvorgangs befindet sich der Preßstempel 19 in der Rückzugsstellung,
in der er an der Stirnfläche des Schaftes 22c anliegt. Der Dorn 21 bleibt während
des gesamten Vorgangs in derselben Stellung, in der sein vorderes Ende in den Gesenkhohlraum
13, 14 hineinragt.
[0020] Bei dem Verformungsvorgang wird der Preßstempel 19 in Richtung auf den Gesenkhohlraum
13, 14 vorgeschoben (Fig. 3), und zwar bis tief in den Gesenkhohlraum 13,14 hinein.
In der Endstellung befindet sich das vordere Ende des Preßstempels 19 in geringem
Abstand vom vorderen Ende des Dornes 21, und zwischen Preßstempel 19 und Dorn 21
bildet sich ein Zwischenboden 24 im Inneren des herzustellenden Kegelrades 25. Durch
den Druck zwischen Preßstempel 19 und Dorn 21 weicht während des Vorschubes des Preßstempels
19 das Material des Rohlings 22 seitlich aus. Es beginnt eine Fließbewegung dieses
Materials, wodurch die Lücken zwischen den Rippen 15 ausgefüllt werden. Nicht nur
das Material des Schafts 22b, sondern auch Material aus dem Inneren des Rohlings wird
nach außen gedrückt, um sämtliche Bereiche des Gesenkhohlraums 13, 14 vollständig
auszufüllen. An der Gesenkform sind (nicht dargestellte) Entlüftungsbohrungen vorgesehen.
Der Zwischenboden 24, der sich nach Erreichen der Endstellung des Preßstempels 19
ergibt, befindet sich etwa in der Höhe des größten Durchmessers des Gesenkhohlraums.
In Höhe des Zwischenbodens 24 entsteht eine Fließscheide, von der die in Fig. 3 durch
Pfeile bezeichneten Fließrichtungen seitlich abzweigen. In Höhe des Zwischenbodens
24 hat der Materialfluß die größte seitliche Reichweite.
[0021] Im Anschluß an den in Fig. 3 dargestellten Schmiedeprozeß wird die Gesenkform geöffnet
und das Kegelrad 25 aus dem Obergesenk 11 durch Vorschieben des Dornes 21 ausgestoßen.
Anschließend kann in einer Lochoperation der Zwischenboden 24 entfernt und das entstandene
Durchgangsloch bearbeitet werden. Abweichend davon, kann auch ein unrunder Preßstempel
und Dorn verwendet werden, mit dem z.B. Sacklöcher mit Keilwellenquerschnitt erzeugt
werden können, so daß das Einbringen eines Keilwellenprofiles nach dem Auslochen
des Zwischenbodens durch spanabhebende Verfahren entfallen kann.
[0022] Abweichend von dem obigen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, einen Rohling
22 ohne das Sackloch 22b zu verwenden. In diesem Fall dringt der Dorn 21 beim Schließen
der Gesenkform in den Rohling 22 ein. Der Rohling 22 muß auch in seiner Kegelfläche
nicht so ausgebildet sein, daß die Gesenkform sich kraftfrei schließen läßt. Wichtig
ist nur, daß bei Erreichen des vollständigen Schließzustandes der Materialfluß noch
nicht bis zum Schließspalt 23 vorgedrungen ist.
[0023] Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Kanals 18
wesentlich kleiner als der maximale Durchmesser des Gesenkhohlraums 13,14. Die vom
Preßstempel aufgebrachten hohen Preßkräfte werden im Innern des Rohlings von dem Dorn
21 seitlich umgelenkt. Der Durchmesser des Preßstempels 19 sollte maximal das 0,4-fache,
vorzugsweise das 0,3-fache des größten Durchmessers des Gesenkhohlraums betragen.
[0024] Obwohl der Dorn 21 während des Schmiedevorgangs fest steht, sollte seine Position
relativ zum Obergesenk 11 veränderbar sein, um die Stärke des sich ergebenden Zwischenbodens
24 beeinflussen zu können und um insbesondere auch die Lage der Fließscheide verändern
zu können. Solche Veränderungen sind für eine Optimierung des Schmiedevorgangs zweckmäßig.
[0025] Beim Vorschieben des Preßstempels 19 wird die Wand des Hohlraumteils 13 vom Rohling
22 entlastet. Durch diese Druckentlastung werden die Reibschubspannungen verringert.
[0026] Die in der Gesenkform hergestellten Kegelräder haben ihre Außenkontur durch die Gesenkform
erhalten. Eine spanende Nachbearbeitung der Außenkontur ist nicht mehr erforderlich.
1. Verfahren zum Herstellen von Kegelrädern durch Gesenkschmieden, bei welchem ein
Rohling (22) zwischen zwei Gesenken (10,11), von denen eines eine Verzahnungsgravur
aufweist, verformt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gesenke (10,11) in die Schließposition gebracht werden, bevor der Materialfluß
begonnen oder den Schließspalt (23) zwischen den Gesenken erreicht hat und daß in
einem Kanal (18) des einen Gesenks (10) ein Preßstempel (19) vorgeschoben wird, der
den Rohling (22) verformend in Richtung auf das andere Gesenk (11) drückt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohling (22) verwendet
wird, der einen in den Kanal (18) hineinragenden Schaft (22c) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempel
(19) bis in den von den Gesenken (10,11) umschlossenen Gesenkhohlraum (13,14) hinein
vorgeschoben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling
(22) mit einem Dorn (21) gegenüber dem Preßstempel (19) abgestützt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (21) nach dem Schließen
der Gesenke (10,11) in den Gesenkhohlraum (13,14) vorgeschoben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohling (22)
verwendet wird, der ein Loch (22d) zur Aufnahme des Endes des Dornes (21) aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch seine Anwendung
zur Herstellung von Kegelrädern (25) mit kalottenförmigem Rücken, wobei ein Gesenk
(11) mit kalottenförmigem Hohlraumteil (13) benutzt wird.
8. Vorrichtung zum Herstellen von Kegelrädern durch Gesenkschmieden, mit zwei gegeneinandersetzbaren
Gesenken (10,11), die einen Gesenkhohlraum (13,14) umschließen und von denen das erste
Gesenk (11) eine Verzahnungsgravur aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Gesenk (10) eine Gravur aufweist, die der Rückenkontur des herzustellenden
Kegelrades (25) entspricht und daß eines der Gesenke einen Preßstempel (19) aufweist,
der in einem in den Gesenkhohlraum (13,14) führenden Kanal (18) verschiebbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gesenk (11)
in axialer Ausrichtung mit dem Preßstempel (19) einen Dorn (21) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (21) auf unterschiedliche
Positionen zum ersten Gesenk (11) einstellbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Preßstempel (19) einen Durchmesser hat, der wesentlich kleiner ist als der größte
Durchmesser des Gesenkhohlraums (13,14).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der
Preßstempel (19) und/oder der Dorn (21) unrunden Querschnitt hat und ein Loch erzeugt,
das zum drehfesten Einsetzen eines unrunden Wellenendes geeignet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Preßstempel (19) bis etwa zur Ebene des Schließspalts (23) in den Gesenkhohlraum (13,14)
vorschiebbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß beide
Gesenke (10,11) ineinandergreifende Führungsmittel (16,17) aufweisen.