Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von rotationssymmetrischen Bauteilen aus einem Rohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe z.B. DE-A-1 804 673).
Rotationssymmetrische Bauteile, die über ihre Gesamtlänge unterschiedliche Außendurchmesser und unterschiedliche Wandstärken aufweisen, werden insbesondere bei Kraftfahrzeugen als Antriebswellen, Nockenwellen, Zwischenwellen oder Getriebewellen eingesetzt. Unter dem generell immer stärkere Beachtung findenden Gesichtpunkt der "Gewichtsreduzierung" werden seit einiger Zeit anstelle von aus Vollstäben hergestellten Wellen aus Rohren hergestellte Wellen, sogenannte Hohlwellen verwendet. Es gibt grundsätzlich zwei unterschiedliche Typen von Rohren, die sich auch in ihrem Herstellungsverfahren unterscheiden. Rohre, insbesondere Stahlrohre werden hergestellt entweder in nahtloser Ausführung, d. h. aus dem vollen Werkstoff ohne Längsnaht, oder in geschweißter Ausführung, d. h. aus gebogenem Blech oder Bandstahl mit Längsnaht. Für rotierende Bauteile werden meist geschweißte Rohre verwendet, da bei nahtlosen Rohren die erforderlichen Konzentrizität nicht immer ausreichend sicher gewährleistet werden kann. Darüber hinaus ist die Herstellung nahtloser Rohre in der Regel teurer als die Herstellung geschweißter Rohre.
Um nun die zuvor genannten rotationssymmetrischen Bauteile mit unterschiedlichen Außendurchmessern und Wandstärken herzustellen, gibt es - zumindest theoretisch - die Möglichkeit, mehrere Rohre mit unterschiedlichen, jeweils konstantem Außendurchmesser und konstanter Wandstärke zu einem Gesamtrohr mit dem gewünschten Außendurchmesser- und Wandstärkenverlauf zu verbinden. Derartige, aus mehreren Einzelrohren zusammengesetzte Rohre genügen jedoch in der Regel nicht den hohen mechanischen Anforderungen, denen Wellen im Betrieb ausgesetzt sind.
Im Stand der Technik werden daher, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, ausschließlich Monoblockwellen eingesetzt, d.h. solche Wellen, die aus einem einzigen Stück, im vorliegenden Fall aus einem einzigen Rohr, gefertigt sind. Die Welle wird dabei meist mit Hilfe des sogenannten Rundknetverfahrens bei Raumtemperatur aus dem Rohr hergestellt. In der Regel ist es gewünscht, daß die Welle in ihrem Mittenbereich eine möglichst geringe Wandstärke und in einem oder beiden Endbereichen einen geringeren Außendurchmesser und eine deutlich größere Wandstärke aufweist.
Nun ist jedoch die im Endbereich durch das Rundknetverfahren erreichbare Wandstärke nicht beliebig vergrößerbar, sondern hängt zum einen von dem Außendurchmesser und der Wandstärke des ursprünglichen Rohres, zum anderen von dem Außendurchmesser des Endbereichs der Welle ab (Materialerhaltung bzw. Volumenkonstanz). Soll der Endbereich eine besonders große Wandstärke aufweisen, so ist es erforderlich, daß auch das Ausgangsmaterial, d.h. das ursprüngliche Rohr, eine ausreichend große Wandstärke oder einen entsprechend großen Außendurchmesser aufweist. Dies kann dann dazu führen, daß die Wandstärke und/oder der Außendurchmesser des ursprünglichen Rohres größer sein muß als die hinterher gewünschte Wandstärke bzw. der Außendurchmesser der fertigen Welle im Mittenbereich. Bei dem Rohr müssen dann nicht nur die Endbereiche mittels Rundkneten bearbeitet werden, sondern es muß zusätzlich auch noch der Mittenbereich durch Abstrecken sowohl in seinem Außendurchmesser als auch in seiner Wandstärke verringert werden.
Ein weiteres Problem ergibt sich häufig dadurch, daß geschweißte Rohre nicht mit beliebiger Wandstärke bzw. mit einem beliebigen Verhältnis von Wandstärke zu Außendurchmesser hergestellt werden können. Dabei beträgt das maximale Verhältnis von Wandstärke zu Außendurchmesser etwa 1/7. Soll das Rohr eine noch größere Wandstärke oder bei gleichbleibender Wandstärke einen geringeren Außendurchmesser aufweisen, so ist dies nicht mehr durch einfaches Biegen des Blechs oder Bandstahls und anschließendem Schweißen des Rohres möglich. In einem solchen Fall muß zunächst ein Rohr mit einem größeren Außendurchmesser und einer kleineren Wandstärke hergestellt, d.h. gebogen und geschweißt werden, das dann anschließend einem oder mehreren Ziehprozessen unterzogen werden muß, wodurch der Außendurchmesser verringert und gleichzeitig die Wandstärke des Rohres vergrößert wird. Sind mehrere Ziehprozesse zur Erreichung des gewünschten Rohres erforderlich, so ist zwischen den einzelnen Ziehprozessen in der Regel eine Wärmebehandlung des Rohres erforderlich. Durch die zusätzlichen Bearbeitungsschritte bei der Herstellung des Rohres ergibt sich für sogenannte "gezogene" Rohre ein deutlich höherer Preis als für nur einfach geschweißte Rohre, wobei der Mehrpreis für "gezogene" Rohr bis zu ca. 30 % beträgt.
Im Stand der Technik erfordert das Herstellen eines eingangs beschriebenen rotationssymmetrischen Bauteiles aus einem Rohr somit folgende Schritte:
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines eingangs beschriebenen rotationssymmetrischen Bauteiles aus einem Rohr anzugeben, welches möglichst einfach und damit kostengünstig durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird als Rohr ein geschweißtes, nicht nachgezogenes Rohr verwendet Dadurch können - wie weiter oben ausgeführt - die Herstellungskosten für das Ausgangsmaterial d.h. das Rohr deutlich reduziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich dadurch vorteilhafterweise weitergestalten, daß das axiale Stauchen und das radiale Schmieden des erwärmten Bereiches des Rohres in einer Aufspannung erfolgen. Muß das Rohr bei den einzelnen Bearbeitungsschritten nicht von einer Maschine auf die andere umgespannt werden, so ergeben sich kürzere Herstellungszeiten für das rotationssymmetrische Bauteil, was sich ebenfalls günstig auf die Herstellungskosten auswirkt.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 zeigt schematisch die Fertigungsfolge bei der Herstellung einer Welle 1 mit einem über die Gesamtlänge L1 variierenden Außendurchmesser D und einer variierenden Wandstärke d gemäß einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, ausgehend von einem Rohr 2. Von den insgesamt dargestellten vier Fertigungsschritten betreffen die beiden ersten Fertigungsschritte (Fig. 1a und 1b) die Herstellung des Rohres 2, während die beiden letzten Fertigungsschritte (Fig. 1c und 1d) die Herstellung der Welle 1 aus dem Rohr 2 betreffen.
Fig. 1a zeigt ein einfach geschweißtes Rohr 2 mit einem Außendurchmesser D1 und einer Wandstärke d1. Die Wandstärke d1 entspricht dabei der Dicke des Bleches oder des Bandstahls, aus dem das Rohr 2 gebogen worden ist. Fig. 1b zeigt das Rohr 2', nachdem es durch eine Ziehdüse oder einen Ziehring gezogen worden ist. Durch das Ziehen des Rohres 2 weist dieses einen Außendurchmesser D2 < D1 und eine Wandstärke d2 > d1 auf Dieses Rohr 2' ist so dimensioniert, daß daraus eine Welle 1 mit einem Endbereich 3 mit dem gewünschten Außendurchmesser DE und der gewünschten Wandstärke dE durch Rundkneten hergestellt werden kann. Gleichzeitig weist das Rohr. 2' jedoch einen Außendurchmesser D2 und eine Wandstärke d2 auf, die jeweils größer sind als der Außendurchmesser DM und die Wandstärke dM des Mittenbereichs 4 der Welle 1. Somit ist es bei der Herstellung der Welle 1 aus dem Rohr 2' zunächst erforderlich, den Mittenbereich 4 abzustrecken, um den gewünschten Außendurchmesser DM und die gewünschte Wandstärke dM zu erreichen. Hierfür wird in das Rohr 2' ein - hier nicht dargestellter - Dorn mit einem entsprechenden Außendurchmesser eingeschoben und anschließend das Rohr 2' in seinem Mittenbereich 4 von außen hämmernd bearbeitet (vgl. Fig. 1c). Als letztes wird bei der Welle 1 der Endbereich 3 mit Hilfe des Rundknetverfahrens bearbeitet, so daß der Endbereich 3 den gewünschten -in Fig. 1d dargestellten - Außendurchmesser- und Wandstärkenverlauf aufweist.
Die Herstellung einer Welle 1 gemäß dem zuvor beschriebenen bekannten Verfahren ist dadurch besonders aufwendig und damit kostenintensiv, daß zunächst das Rohr 2' in mehreren Verfahrensschritten hergestellt werden muß, nämlich außer dem eigentlichen Biegen und Schweißen zusätzlich einem oder mehreren Ziehvorgängen und damit verbunden zusätzlich einem oder mehreren Wärmebehandlungen unterzogen werden muß. Anschließend muß zur Herstellung der Welle 1 aus dem Rohr 2' sowohl der Mittenbereich 4 als auch der Endbereich 3 bearbeitet werden, nämlich der Mittenbereich 4 mittels Abstrecken und der Endbereich 3 mittels Rundkneten verformt werden. Das Rundknetverfahren bei Raumtemperatur hat darüber hinaus den Nachteil, daß aufgrund der Kaltverfestigung nur relativ geringe Umformungsgrade erreichbar sind.
Das in Fig.1 dargestelle Rohr 2 bzw. die dargestellte Welle 1 weist in den einzelnen Fertigungsschritten beispielsweise folgende Außendurchmesser D und Wandstärken d auf:
Die Fig. 2 zeigt demgegenüber eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Welle 1 anhand von drei Fertigungsschritten. Der erste Fertigungsschritt (Fig. 2a) entspricht dem ersten Fertigungsschritt (Fig. 1a) bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, er zeigt nämlich ein einfach geschweißtes Rohr 2 mit einem Außendurchmesser D1 und einer Wandstärke d1. Die Wandstärke d1 des Rohres 2 entspricht der Wandstärke dM des Mittenbereichs 4 der fertigen Welle 1 Darüber hinaus entspricht auch der Außendurchmesser D1 des Rohres 2 dem Außendurchmesser DM des Mittenbereichs 4 der Welle 1, so daß der Mittenbereich 4 des Rohres 2 bzw. der Welle 1 nicht bearbeitet werden muß.
Erfindungsgemäß wird als Rohr 2 ein einfach geschweißtes, nicht nachgezogenes Rohr 2 verwendet . Dadurch kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Bearbeitungsschritt bei der Herstellung des Rohres 2, nämlich das Ziehen des Rohres 2 eingespart werden.
Fig. 2b zeigt, daß das im Endbereich 3 partiell erwärmte Rohr 2 axial gestaucht wird, so daß das Rohr 2 eine Gesamtlänge L2 < L1 aufweist. Das axiale Stauchen des Rohres 2 führt zu einer Wandstärkenverdickung im Endbereich 3. Zusätzlich zum axialen Stauchen wird der erwärmte Bereich des Rohres 2, d.h. der Endbereich 3, durch radiales Schmieden mit einem Schmiedewerkzeug 5 bearbeitet, wodurch der gewünschte Außendurchmesser DE erreicht wird. Eine mehrstufige Außendurchmesser- und Wandstärkenveränderung im Endbereich 3 wird durch mehrere radiale Schmiedvorgänge erreicht In einem ersten Zwischenschritt weist der Endbereich 3 einen Außendurchmesser D2 < D1 auf.
Zur Erzielung des gewünschten Innendurchmesserverlaufs im Endbereich 3 wird während des axialen Stauchens und des radialen Schmiedens des erwärmten Bereichs ein Dorn in das Rohr 2 eingeführt. Durch die Wahl des Außendurchmessers des Domes wird dann auch die gewünschte Wandstärke dE der Welle 1 festgelegt. Dadurch, daß das Rohr 2 partiell erwärmt wird, treten keine bzw. deutlich verringerte Kaltverfestigungsprozesse auf, wodurch ein größerer Umformungsgrad möglich ist.
Das in Fig.2 dargestelle Rohr 2 bzw. die dargestellte Welle 1 weist in den einzelnen Fertigungsschritten beispielsweise folgende Außendurchmesser D und Wandstärken d auf: