[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen-Grundkörpern,
welches einen ersten Schritt, in welchem die äußere Oberfläche eines zylindrischen
Ausgangsmaterials durch Umformen bearbeitet wird, um wenigstens einen vorbestimmten
Durchmesserübergang in Längsrichtung eines Grundkörpers zu erhalten, und einen weiteren
Schritt, in welchem der Grundkörper zum Umformen der äußeren und/oder inneren Oberfläche
des Grundkörpers inkrementell zu dem Hohlwellen-Grundkörper umgeformt wird, umfasst.
[0002] Bei der Herstellung von beispielsweise Getrieben für Kraftfahrzeuge und dergleichen
ist es wünschenswert, das Gesamtgewicht des Getriebes so gering wie möglich zu halten.
Eine Gewichtseinsparung kann beispielsweise durch Gestalten der Getriebewelle als
Hohlwelle erzielt werden. Hierdurch wird das Gesamtgewicht des Getriebes verringert,
und somit auch das Gesamtgewicht eines Kraftfahrzeuges, in welchem das Getriebe eingebaut
wird, was im Hinblick auf eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs wünschenswert
ist.
[0003] Das Erfordernis, eine Welle als Hohlwelle auszuformen, kann auch getriebetechnologische
Gründe haben. Beispielsweise ist es bei einem Welle-in-Welle- oder Durchtriebgetriebe
wünschenswert, diese Welle teilweise oder ganz hohl auszuführen. Insbesondere der
Trend einer zunehmenden Wellenanzahl in einem Kraftfahrzeuggetriebe führt zu einer
Steigerung des Gesamtgewichts eines Getriebes, so dass im Rahmen von Ressourcenschonung,
wie beispielsweise Material- und Kraftstoffeinsparung und Umweltverträglichkeit (Emissionsminderung),
Maßnahmen zur Gewichtsreduktion der einzelnen Getriebewellen ergriffen werden müssen.
[0004] Gemäß einem in dem Stand der Technik angewandten Verfahren wird die Hohlwelle durch
Kombination von zwei bekannten Verfahren hergestellt. In einem ersten Schritt dieses
Verfahrens wird ein massives Ausgangsmaterial durch Gesenkschmieden zu einem Grundkörper
geformt. Alternativ kann der Grundkörper durch Querkeilwalzen geformt werden. Nachfolgend
zu diesem ersten Schritt wird dann zur Herstellung der Hohlwelle eine Bohrung bzw.
Innenbohrung in Längsrichtung des Grundkörpers spanabhebend hergestellt. Diese Bohrung
wird mittels eines Tieflochbohrverfahrens als durchgehende Bohrung oder als Sackloch
ausgeformt. Ein Tieflochbohrverfahren kennzeichnet eine spanabhebende Bearbeitung,
bei welcher das Verhältnis zwischen herzustellendem Bohrungsdurchmesser und zu bohrender
Länge 1:6 oder größer ist.
[0005] Das Tieflochbohrverfahren erfordert spezielle Maschinen und Werkzeuge (Tieflochbohrer)
und bringt somit erhöhte Herstellungskosten mit sich. Mit den oben beschriebenen Verfahren
ist es ferner nicht möglich, Hinterschnitte in der Bohrung, d.h. entlang der inneren
Oberfläche der hergestellten Hohlwelle zu erzeugen. Schließlich weist dieses Verfahren
den Nachteil auf, dass das Erfordernis der Ressourcenschonung aufgrund der spanabhebenden
Bearbeitung nicht erfüllt wird.
[0006] Aus der
EP 0 052 077 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem durch Fließpressen zwei hohle Grundkörper-Teile
erzeugt werden. Anschließend werden diese Grundkörper-Teile zu einem Hohlwellen-Grundkörper
durch ein Schweißverfahren zusammengefügt. Aufgrund des Schweißverfahrens werden jedoch
die Materialeigenschaften eines solchen Hohlwellen-Grundkörpers negativ beeinflusst
und das bekannte Verfahren bringt ferner den Nachteil mit sich, dass Maßnahmen zum
Auswuchten des erzeugten Hohlwellen-Grundkörpers ergriffen werden müssen.
[0007] Aus der
DE 197 05 279 A1 ist ein Verfahren gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt. Bei dem gattungsbildenden
Verfahren wird zunächst die Außenumfangsfläche des Ausgangsmaterials durch Kaltfließpressen
konturiert, und danach wird in dem Vollmaterial eine Bohrung ausgeformt. Im Anschluss
an das Tieflochbohren wird in einem weiteren Schritt der Grundkörper durch Rundkneten
oder Kaltfließpressen umgeformt. Da auch dieses bekannte Verfahren einen spanabhebenden
Verfahrensschritt aufweist, wird ein erheblicher Teil des eingesetzten Materials vergeudet.
Ferner ergibt sich durch das Fließpressen ein in Umfangsrichtung anisotroper Materialfluss,
was bei Wellen nachteilig ist. Außerdem sind mehrere Umformstufen bei großen Querschnittsveränderungen
und/oder bei komplizierten Werkstücken erforderlich. Um die erwünschten Querschnittsveränderungen
zu realisieren, müssen weitere Verfahrensschritte wie Stauchen und Setzen durchgeführt
werden. Häufig muss außerdem zwischen den einzelnen Umformstufen eine Wärmebehandlung
durchgeführt werden, damit der Werkstoff wieder umformbar ist. Somit ist es nicht
möglich, Grundkörper mit großen Durchmessänderungen an ihrer äußeren Umfangsfläche
durch dieses bekannte Verfahren wirtschaftlich zu erzeugen. Der Einsatz von mehreren
Umformstufen führt zu einem erhöhten Zeitaufwand für die Herstellung eines Hohlwellen-Grundkörpers
und senkt somit die Produktivität des Verfahrens insgesamt.
[0008] Es ist ferner bekannt, Hohlwellen durch Stauchen und/oder Innen-Hochdruckumformen
(IHU) in axialer und radialer Richtung des Rohres zu konturieren. Durch Stauchen wird
hierbei jedenfalls an der Außenumfangsfläche eine Materialverdickung in einem vorbestimmten
Bereich erzeugt. Bei diesem bekannten Verfahren besteht jedoch die Gefahr, dass eine
umlaufende, sich radial von dem Innenumfang des Rohres nach außen erstreckende Stauchfalte
entsteht, die bei der Beanspruchung der Welle Ausgangspunkt von Rissen in dem Material
sein kann, die zum Versagen der Welle führen.
[0009] Das IHU-Verfahren basiert prinzipiell darauf, dass ein Hohlteil durch hydrostatischen
Innendruck aufgeweitet, gleichzeitig in axialer und/oder radialer Richtung gestaucht
und schließlich durch einen noch höheren Druck gegen die Werkzeugkonturen eines Werkzeugs
expandiert wird. Dieses Verfahren ist jedoch im Hinblick auf die Qualität der erhaltenen
Hohlwellen-Grundkörper nicht zu bevorzugen. Insbesondere können aufgrund von Materialanhäufung
Falten an dem Hohlwellen-Grundkörper entstehen. Außerdem ist das IHU-Verfahren im
Hinblick auf die notwendige Restwandstärke einer Getriebe-Hohlwelle nicht geeignet.
[0010] Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Verfahren zu überwinden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem
Hohlwellen mit relativ großen Durchmessersprüngen am Außendurchmesser bei für Ritzelwellen-Getriebe-typischen
Materialanhäufungen herstellbar sind.
[0011] Die oben genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Ausgangsmaterial
durch Querkeilwalzen umgeformt wird.
[0012] In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die äußere Oberfläche
eines zylindrischen Ausgangsmaterials durch Querkeilwalzen derart bearbeitet, dass
wenigstens ein vorbestimmter Durchmesserübergang in Längsrichtung eines Grundkörpers
erhalten wird.
[0013] Beim Querkeilwalzen wird das zylindrische Ausgangsmaterial zwischen zwei profilierten
Walzen oder Flachbacken eingebracht, um das Ausgangsmaterial radial umzuformen, d.h.
an vorbestimmten Abschnitten der Außenumfangsfläche Durchmesseränderungen oder -Sprünge
zu erzielen. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass eine gute Materialökonomie erreicht
wird, da es bei diesem spanlosen Herstellungsverfahren kaum zu Materialabfall kommt.
Außerdem weist das Querkeilwalzen den Vorteil von niedrigen Taktzeiten auf. Sollte
das Ausgangsmaterial eine Bohrung aufweisen, wird vor dem Querkeilwalzen ein Dorn
in die Bohrung eingeführt, wodurch während der Umformbearbeitung der gewünschte Materialfluss
an der Außenumfangsfläche gefördert und der Erhalt der Bohrung sichergestellt wird.
Es können aber auch zwei Dorne gleichzeitig an dem jeweiligen Ende des Ausgangsmaterials
eingeführt werden. Die Dorne können für diesen Zweck beweglich und/oder ortsfest angeordnet
sein. Der Dorn ist beispielsweise zylindrisch mit einer glatten Oberfläche kann aber
auch eine bestimmte Oberflächengeometrie und/oder Durchmesserabstufung aufweisen,
die sich während des Querkeilwalzens auf die Innenumfangsfläche des Ausgangsmaterials
überträgt. Somit wird durch radiale und tangentiale Krafteinleitung während des Querkeilwalzens
an der inneren und/oder äußeren Umfangsfläche eine erwünschte Flächenkontur erzeugt.
[0014] Das in dem ersten Schritt erzeugte Zwischenerzeugnis, d.h. der Grundkörper weist
somit insbesondere an seiner Außenumfangsfläche wenigstens einen vorbestimmten erwünschten
Durchmesserübergang auf. Das Ausgangsmaterial ist nicht auf zylindrische Ausgangsmaterialien
mit kreisförmigen Querschnitt beschränkt. Vielmehr können auch Ausgangsmaterialien
mit anderen Querschnittsformen, wie beispielsweise rechteckigen Querschnitten benutzt
werden. Jedoch sind Ausgangsmaterialien mit rotationssymmetrischem Querschnitt zu
bevorzugen. Der nach dem ersten Schritt erhaltene Grundkörper weist allerdings vorzugsweise
einen kreisförmigen Querschnitt mit einer konturierten Oberfläche auf, d.h. ist rotationssymmetrisch.
Durch das Querkeilwalzen wird der Grundkörper durch tangentiale und radiale Krafteinleitung
umgeformt. Das heißt, während des Umformverfahrens fließt das Material überwiegend
radial nach innen, unter Ausbildung einiger Erhebungen, während zeitgleich eine axiale
Streckung des Ausgangsmaterials bewirkt wird. Durch Ausformen mehrerer umlaufender
Vertiefungen und/oder Erhebungen an der Oberfläche des Ausgangsmaterials wird in dem
ersten Schritt ein Grundkörper geschaffen, welcher eine Vielzahl von unterschiedlichen
äußeren Durchmessern aufweisen kann. Außerdem kann der Grundkörper, sofern er bereits
hohl ist, mit variierender Wandstärke ausgeformt werden. Die ausgeformten Vertiefungen
und/oder Erhebungen können beispielsweise als nahezu zylindrische Abschnitte ausgeformt
werden.
[0015] Nachdem der Grundkörper mit dem wenigstens einen vorbestimmten Durchmesserübergang
geformt worden ist, wird die äußere und/oder innere Oberfläche des Grundkörpers in
einem weiteren Schritt inkrementell zu einem Hohlwellen-Grundkörper umgeformt. Inkrementelles
Umformen als solches ist ein bekanntes Verfahren und bezeichnet ein Umformverfahren,
bei dem die Umformung nicht in einem einzigen Werkzeughub erfolgt, sondern der Grundkörper
in mehreren Einzelschritten umgeformt wird . Das erfindungsgemäße Verfahren bietet
die Möglichkeit, die überwiegenden Außen- und/oder Innenumfangsflächen des Hohlwellen-Grundkörpers
kontumah durch Umformen darzustellen. Der nach dem weiteren Schritt vorliegende Hohlwellen-Grundkörper
muss vorzugsweise lediglich dort spanhebend nachbearbeitet werden, wo Lagersitze der
Hohlwelle für Wälzlager ausgebildet und/oder an Radialvorsprüngen Zahnflanken ausgebildet
werden.
[0016] Durch die erfindungsgemäße Kombination von Querkeilwalzen und inkrementellem Umformen
kann bei der Herstellung von Hohlwellen-Grundkörpern aufgrund der niedrigen Taktzeiten
beim Querkeilwalzen zusätzlich zu der Materialersparnis auch erheblich Zeit eingespart
werden. Außerdem entsteht durch diese Kombination eine größere Flexibilität beim Formen
der Hohlwellen-Grundkörper, da im Gegensatz zum gattungsbildenden Stand der Technik
kein Gesenk zum Umformen eingesetzt wird. Somit kann eine große Querschnittsreduzierung
durchgeführt werden, ohne dass weitere Umformstufen, wie bei dem gattungsbildenden
Stand der Technik, notwendig sind. Aufgrund der rotationssymmetrischen Bearbeitung
erhält man ferner durch die erfindungsgemäße Kombination beider Verfahren eine gleichmäßige
Verfestigung, sofern das Rundkneten kalt durchgeführt wird. Weiterhin ist die hohe
Abbildungsgenauigkeit an der äußeren Umfangsfläche des Grundkörpers bzw. Hohlwellen-Grundkörpers
vorteilhaft.
[0017] Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ausgangsmaterial während des ersten
Schritts durch axiale Krafteinleitung zum Ausbilden einer axialen Bohrung umgeformt.
Diese Bohrung kann eine in Längsrichtung des Ausgangsmaterials durchgehende Bohrung
oder nur eine teilweise sich in Längsrichtung des Ausgangsmaterials erstreckende Bohrung
sein. Ferner können zwei Bohrungen durch axiale Krafteinleitung an dem jeweiligen
Ende des Ausgangsmaterials erzeugt werden. Vorzugsweise wird die Bohrung durch Einführen
von mindestens einem Dorn in Längsrichtung des Ausgangsmaterials ausgebildet und das
Ausgangsmaterial radial nach außen umgeformt. Der Dorn kann vorzugsweise in das Ausgangsmaterial
während des Querkeilwalzens derart eingeführt werden, dass die Längsachsen des Ausgangsmaterials
und des mindestens einen Doms zusammenfallen, wobei der Dorn ortsfest gehalten wird,
während sich das Ausgangsmaterial zwischen den Walzen\ Backen dreht. Hierbei findet
eine tangentiale, radiale und axiale Krafteinleitung und eine entsprechende Umformung
statt. Aufgrund der Kombination dieser wirkenden Kräfte erhält man eine hervorragende
Konturierung der Außenumfangsfläche des Grundkörpers. Da sich das Ausgangsmaterial
auch radial nach außen umformt, wird der Materialfluss gegen das Profil der Walzen
gefördert und eine maßgenaue Anpassung der Oberfläche des Ausgangsmaterials an das
Profil der Wälzen erzielt. Vorzugsweise wird der Dorn bzw. die Dorne axial zumindest
bis zu einem Bereich eingeführt, in dem an der äußeren Oberfläche des Ausgangsmaterials
ein Durchmesserübergang ausgebildet wird. Dabei werden das Einführen des Dornes und
das Querkeilwalzen vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass der Dorn gegen Ende
des Querkeilwalzens in den Bereich eintritt. Hierdurch können rechtwinklige Konturen
der Walze in dem ersten Schritt mit hoher Genauigkeit auf den Grundkörper übertragen
werden.
[0018] Alternativ kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einem dem ersten Schritt
vorangehenden Schritt in dem Ausgangsmaterial eine in Längsrichtung des Ausgangsmaterials
verlaufende Bohrung ausgebildet werden. Diese Bohrung kann, wie oben beschrieben,
durch axiale Krafteinleitung, d.h. insbesondere beim Warmumformen durch Einpressen
eines Dornes ausgebildet werden. In diesem Fall wird beispielsweise das Ausgangsmaterial
in die Querkeilwalzvorrichtung eingebracht und dort ortsfest gehalten und die Bohrung
durch axiale Krafteinleitung umgeformt. Anschließend wird dann das eine bzw. zwei
axiale Bohrungen aufweisende Ausgangsmaterial in dem ersten Schritt querkeilgewalzt.
Die Bohrung kann jedoch auch alternativ durch andere Umformverfahren, wie beispielsweise
Fließpressen oder durch spanabhebende Verfahren vor dem ersten Schritt erzeugt werden.
[0019] Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform kann eine axiale Bohrung im Anschluss
an den ersten Schritt in dem Grundkörper ausgebildet werden. Beispielsweise durch
spanabhebende Bearbeitung.
[0020] Vorzugsweise wird nach dem ersten Schritt die Innenumfangsfläche der Bohrung nachbearbeitet.
Eine derartige Nachbearbeitung ist zur Glättung der Innenumfangsfläche erwünscht und
wird beispielsweise durch Schleifen, Polieren, Drehen und/oder dergleichen durchgeführt.
Eine von durch Umformbearbeitung hervorgerufenen Oberflächendefekten bereinigte Anlagefläche
(Bohrung) für den wenigstens einen während des inkrementellen Umformverfahrens eingeführten
Dorn trägt zu erhöhter Qualität des Hohlwellen-Grundkörpers bei.
[0021] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
der Grundkörper vor dem weiteren Schritt in mehrere Grundkörper-Teileinheiten getrennt
und diese Grundkörper-Teileinheiten werden jeweils in dem weiteren Schritt zu Hohlwellen-Grundkörpern
umgeformt. Diese bevorzugte Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass durch Verwendung
eines einzigen Ausgangsmaterials, d.h. eines einzigen Rohlings, mehrere Hohlwellen-Grundkörper
erzeugt werden können, was zu einer erhöhten Produktivität dieses Verfahrens führt.
Die Abtrennung der Grundkörper-Teileinheiten kann durch ein beliebiges Verfahren erfolgen,
jedoch wird im Hinblick auf eine Minimierung des Werkstoffabfalls ein Umformverfahren
zur Trennung des Grundkörpers in mehrere Grundkörper-Teileinheiten bevorzugt. Vorzugsweise
wird der Grundkörper während des ersten Schritts durch ein Umformverfahren getrennt.
Beispielsweise kann durch Scherwalzen oder -grate, die am Ende des Querkeilwalzens
in dem Querkeilwalzstand zur Wirkung gebracht werden, das Ausgangsmaterial in mehrere
Grundkörper-Teileinheiten getrennt werden.
[0022] Vorzugsweise wird in dem weiteren Schritt der Hohlwellen-Grundkörper durch Rundkneten
inkrementell umgeformt. Durch das Rundkneten wird die innere und äußere Oberfläche
des Grundkörpers umgeformt, um einen Hohlwellen-Grundkörper mit erwünschter Innenflächen-
und Außenflächen-Konturierung zu erhalten. Während des Rundknetens kann ein Dorn an
beiden Enden des Grundkörpers eingeführt werden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird nur eine Seite des Grundkörpers in dem weiteren Schritt durch Einführen eines
vorzugsweise gestuften Doms inkrementell umgeformt, während die andere Seite an Ihrer
Innenumfangsfläche frei geformt wird. Der wenigstens eine Dorn kann beweglich oder
ortsfest angeordnet werden. Wenn mehrere Dorne benutzt werden, können diese unterschiedlich
zueinander angeordnet werden, d.h. ein Dorn kann beweglich und der andere ortsfest
angeordnet werden. Diese können ebenfalls an ihrer Umfangsfläche Durchmessersprünge
und/oder kontinuierliche Durchmesserübergänge aufweisen. Im Falle von Freiumformen,
d. h. inkrementelles Umformen ohne Dorn, kann eine erhöhte Wandstärke in diesem Bereich
erreicht werden.
[0023] Welche Verfahrensvariante des Rundknetens verwendet wird, ist von der erwünschten
Geometrie der herzustellenden Hohlwelle abhängig. Somit kann die Verfahrensvariante
Einstechrundkneten, bei welcher die Werkzeuge auch radial zugestellt werden, eingesetzt
werden, wenn an der inneren oder der äußeren Umfangsfläche Hinterschnitte erwünscht
sind. Wenn besondere Anforderungen an die Innenoberfläche des Hohlwellen-Grundkörpers
gestellt sind, wird Rundkneten unter Verwendung eines Doms durchgeführt. Bei dieser
Verfahrensvariante wird ein Dorn während des Umformvorgangs in die Bohrung eingeführt
und somit wird beispielsweise eine hohe Maßgenauigkeit und eine gute Oberflächengüte
erreicht. Selbstverständlich können auch weitere bekannte Verfahrensvarianten des
Rundknetens, wie beispielsweise Warmrundkneten in dem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen
Verfahrens angewandt werden.
[0024] Vorzugsweise wird durch das Verfahren ein Hohlwellen-Grundkörper erzeugt, der ein
mindestens doppelt so großes Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis wie das Ausgangsmaterials
hat. Somit wird ein relativ kurzes nicht-schlankes Ausgangsmaterial zu einem langen
Hohlwellen-Grundkörper geformt. Zur Bestimmung des Verhältnisses ist der geringste
inkrementell umgeformte Durchmesser maßgeblich.
[0025] Durch die Kombination der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, d.h. durch die Kombination
von Querkeilwalzen und inkrementellem Umformen, vorzugsweise Rundkneten, können verhältnismäßig
große, mehrfache Außendurchmessersprünge verwirklicht werden. Diese mehrfachen Durchmessersprünge
werden beispielsweise durch voneinander in Längsrichtung beabstandete Vorsprünge an
der äußeren Umfangsfläche mit gleichen oder unterschiedlichen Durchmessern verwirklicht.
Die mehrfachen Durchmessersprünge können auch treppenförmig, d.h. durch aneinander
angrenzende, aufwärts oder abwärts gestufte Vorsprünge verwirklicht werden.
[0026] Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der
Zeichnung. In dieser zeigt:
- Figur 1
- eine Längsschnittansicht eines schematischen ersten Ausführungsbeispiels mit der Darstellung
des Grundkörpers in dem oberen Teil (V) und der Darstellung des Hohlwellen-Grundkörpers
in dem unteren Teil (N);
- Figur 2
- eine Längsschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines zur Herstellung eines
Hohlwellen-Grundkörper geeigneten Grundkörpers;
- Figur 3a-3d
- jeweils Längsschnittansichten von Ausführungsbeispielen von Grundkörpern mit unterschiedlichen
Bohrungen;
- Figur 4a
- eine Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines nach dem ersten
Schritt erhaltenen Grundkörpers;
- Figur 4b
- eine Längsschnittansicht eines Hohlwellen-Grundkörpers, erhalten durch inkrementelles
Umformen des Grundkörpers gemäß Fig. 4a;
- Figur 5a
- eine Längsschnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines nach dem ersten
Schritt erhaltenen Grundkörpers; und
- Figur 5b
- eine Längsschnittansicht eines Hohlwellen-Grundkörpers, erhalten durch inkrementelles
Umformen des Grundkörpers gemäß Fig. 5a;
[0027] Die wesentlichen Verfahrensschritte sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel
nach Figur 1 erläutert werden. Zunächst wird ein zylindrisches Ausgangsmaterial in
einem ersten Schritt durch Querkeilwalzen zu einem Grundkörper 2 umgeformt. Das Ausgangsmaterial
wird zwischen den zwei profilierten Walzen oder Backen einer Querkeilwalzvorrichtung
positioniert. Die auf diesen Walzen, oder Backen, vorhandenen Profile werden während
des Umformens auf das Ausgangsmaterial übertragen. Nach der Umformung durch Querkeilwalzen
weist der hierdurch erhaltene Grundkörper 2 ein erwünschtes äußeres Oberflächenprofil
auf. D.h., durch die Querschnittsänderung mittels Querkeilwalzens weist der Grundkörper
2 eine konturierte Außenumfangsfläche mit vorbestimmten Durchmesserübergängen auf.
Der in Fig. 1 gezeigte Grundkörper 2 besteht im wesentlichen aus zwei zylinderförmigen
Abschnitten 4a, 4b, die die Enden des Grundkörpers 2 bilden. Zwischen diesen beiden
Zylinderabschnitten 4a, 4b sind zwei Erhebungen 3, 3 ausgebildet, deren Flanken sich
in radialer Richtung erstrecken und zwischen denen ein gegenüber den Zylinderabschnitten
4a, 4b im Radius vergrößerter, achsparallel zu dem Grundkörper 2 ausgerichteter Grund
5 ausgeformt ist. Es handelt sich hierbei aber nur um ein Ausführungsbeispiel und
kontinuierliche Übergänge an der Innen- und/oder Außenumfangsfläche des Bauteils sind
ebenfalls denkbar. Insbesondere können mit Umformschritten kontinuierliche Durchmesserübergänge
und an den Übergangsstellen Radien ausgebildet werden, so dass die Festigkeit nachteilig
beeinflussende Kerben vermieden werden können.
[0028] Eine weitere beispielhafte Außenflächenkonturierung des Bauteils, erhalten durch
Querkeilwalzen, ist in Fig. 2 dargestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind zwei
unterschiedliche Erhebungen 3', 3" an der äußeren Umfangsfläche des Ausgangsmaterials
ausgebildet, wobei die Erhebung 3' einen größeren Radius als die Erhebung 3" hat.
Dieses Ausführungsbeispiel hat Zylinderabschnitte 4a, 4b mit unterschiedlichen Durchmessern.
An den Erhebungen 3', 3" können durch Nachbearbeitung Zahnräder oder Sitze für Zahnräder
oder Lager ausgebildet werden. Die Anzahl der Erhebungen 3', 3" zur Ausbildung solcher
Funktionsflächen an der Hohlwelle kann beliebig gewählt werden.
[0029] Das in der Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt lediglich eine Zeitaufnahme
des Ausgangsmaterials während des ersten Schritts, da vorzugsweise auch mindestens
eine sich in Längsrichtung des Ausgangsmaterials erstreckende Bohrung während des
Querkeilwalzens in das Ausgangsmaterial eingearbeitet wird. Das Ausgangsmaterial wird
beispielsweise bei für die Warmumformung von Stahlmaterialien bekannten Temperaturen
in dem ersten Schritt umgeformt. Zusätzlich zu der radialen und tangentialen Umformung,
verursacht durch das Querkeilwalzen, wird über einen Dorn 9 bzw. über zwei Dorne 9a,
9b eine axiale Krafteinleitung in Längsrichtung des Ausgangsmaterials auf das Werkstück
ausgeübt. Hierdurch kann eine Bohrung 10 mit konstantem Durchmesser gemäß Fig. 3a
erzeugt werden. Alternativ kann der eingeführte Dorn 9 an seiner Umfangsfläche Durchmesserabstufungen
aufweisen und somit eine Bohrung 10' gemäß Fig. 3b erzeugen. Der Dorn 9 kann beim
Querkeilwalzen entweder axial beweglich geführt werden oder ortsfest angeordnet sein.
Die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 3a und 3b zeigen durchgehende, sich in Längsrichtung
des Ausgangsmaterials erstreckende Bohrungen 10, 10', jedoch ist es auch möglich,
ein Sackloch 16, wie in Fig. 3c, gezeigt zu erzeugen. Das geschlossene Ende wird vorzugsweise
vor dem weiteren Schritt abgetrennt. Fig. 3d zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel,
welches einen Grundkörper mit zwei nicht miteinander verbundene Bohrungen 10" aufweist.
Hierzu werden jeweils an einem Ende des Ausgangsmaterials ein Dorn in das Ausgangsmaterial
eingeführt.
[0030] Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, d. h. die Grundkörper 2 gemäß Figuren
3a bis 3d, zeigen das nach dem ersten Verfahrensschritt erhaltene Zwischenprodukt.
Es ist jedoch auch möglich, die Bohrungen 10, 10', 10", 16 nach dem Querkeilwalzen
durch eine spanabhebende Bearbeitung, z.B. des in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiels,
zu erzeugen. Ein Umformverfahren ist indes im Hinblick auf das Erfordernis der Materialeinsparung
zu bevorzugen. Die Erzeugung einer Bohrung während des Querkeilwalzens durch Eindringen
des wenigstens einen Domes in das Ausgangsmaterial, wobei der Dorn bis zu einem Bereich
entsprechend der Konturierung an der äußeren Umfangsfläche des Ausgangsmaterials eingeführt
wird, bringt den Vorteil mit sich, dass ein Materialfluss radial nach außen bewirkt
wird. Dieser Materialfluss trägt zu einer maßgenauen Oberflächenkonturierung bei.
Das heißt, da das Material im Bereich der erwünschten Erhebungen bzw. Vorsprünge auch
nach außen gegen das Profil der Walzen gedrückt wird, passt sich das Material an die
Walzenprofilierung sehr genau an.
[0031] Nach dem ersten Verfahrensschritt wird der die mindestens eine Bohrung 10, 10', 10",
16 aufweisende Grundkörper 2, nachdem ein eventuell eingesetzter Dorn bzw. Dorne herausgenommen
wurde, nachbearbeitet. Beispielsweise wird die Oberfläche der Bohrung 10, 10', 10",
16 geschliffen oder überdreht, um eine definierte Oberfläche auszubilden. Diese Nachbearbeitung
erfolgt mindestens an demjenigen Abschnitt der Bohrung 10, 10', 10", 16 an dem bei
einem weiteren Schritt zur inkrementellen Umformung des Grundkörpers durch Rundkneten
ein Dorn anliegt.
[0032] Während des Rundknetens wird die äußere und die innere Umfangsfläche 4, 6 des Grundkörpers
2 umgeformt. Die Umformung der inneren Umfangsfläche 6 ergibt sich als Folge der Umformung
der äußeren Umfangsfläche 4 des Grundkörpers 2 durch die Umformwerkzeuge. Das heißt,
das Rundkneten erfolgt, bezugnehmend auf den Grundkörper 2, von außen nach innen und
der Werkstoff fließt somit in radialer und axialer Richtung. Um einen Werkstofffluss
in radialer Richtung zu begrenzen, wird ein Dorn in den Grundkörper eingeführt.
[0033] Beispielsweise wird bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in die Bohrung
10 ein zylindrischer Dorn eingeführt, damit während des Rundknetens eine erwünschte
zylindrische Geometrie an der inneren Umfangsfläche 6 des Grundkörpers 2 erhalten
wird. Diese eine Verfahrensvariante des Rundknetens kann mit der weiteren Verfahrensvariante
Einstechrundkneten kombiniert werden, um z.B. Hinterschnitte zu erzeugen. Nachdem
der hohle Grundkörper 2 in dem weiteren Verfahrensschritt durch Rundkneten inkrementell
umgeformt wurde, weist er die erwünschten Durchmesserübergänge an der äußeren Umfangsfläche
12 des Hohlwellen-Grundkörpers 8, sowie einen durch den Dorn aufgeprägten Innendurchmesser
auf. D.h., durch Bearbeitung des Ausgangsmaterials gemäß diesem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung können Durchmessersprünge am Außendurchmesser geschaffen
werden. Nach der inkrementellen Bearbeitung bleibt der mittlere Abschnitt des Hohlwellen-Grundkörpers
8 im wesentlichen unverändert erhalten, mit zwei sich in radialer Richtung erstreckenden
Erhebungen 3, 3 und dem dazwischenliegenden Grund 5, dessen Wandstärke gegenüber dem
hohlen Grundkörper 2 nicht verändert wurde. Danach wird die Innenumfangsfläche 14
spanabhebend bearbeitet, um Zylinderabschnitte 14', 14", 14"' zu erhalten. Eine Längsschnittsansicht
dieses nach dem Rundkneten und spanabhebender Bearbeitung erhaltenen Hohlwellen-Grundkörpers
8 ist in dem unteren Abschnitt N der Fig. 1 gezeigt. Wie aus der Figur ersichtlich,
sind bei diesem ersten Ausführungsbeispiel rechtwinklige Konturen bzw. Hinterschnitte
an der inneren Umfangsfläche 14 des Hohlwellen-Grundkörpers 8 unter Beibehalt von
hohen Qualitätsanforderungen möglich.
[0034] Die Erhebungen 3 an der äußeren Umfangsfläche 12 der Hohlwelle 8 können zum Ausformen
beispielsweise von Zahnrädern, Lagersitzen, Steckverzahnungen und Walzverzahnungen
spanabhebend bearbeitet werden. Wenn erwünscht, kann eine Wärmebehandlung, Härtebehandlung
und dergleichen folgen, um den an eine Getriebewelle gestellten Anforderungen gerecht
zu werden.
[0035] Das in den Figuren 4a und 4b gezeigte zweite Ausführungsbeispiel wird hergestellt,
indem zunächst der in Fig. 4a gezeigte Grundkörper 2' mittels Querkeilwalzens geformt
wird. Dieser weist eine einzige Erhebung 3' auf. Auf der in Fig. 4a rechten Seite
der Erhebung 3' hat der Grundkörper 2' einen kurzen Zylinderabschnitt 4b' mit geringerem
Außendurchmesser als der auf der linken Seite der Erhebung 3' befindliche Zylinderabschnitt
4a'. Aus diesem Grundkörper 2' wird durch Kneten des linken Zylinderabschnitts 4b'
der in Fig. 4b gezeigte Hohlwellen-Grundkörper 8' gebildet. Hierbei kommt ein Dorn
18 zum Einsatz, der vier diskrete Zylinderabschnitte 20a-20d aufweist, die über drei
Konusabschnitte 22a-22c kontinuierlich ineinander übergehen. Dabei bleibt beim Rundkneten
der rechte Teil des Grundkörpers 2' unbearbeitet und die inkrementelle Umformung erfolgt
lediglich in dem mit R gekennzeichneten Längenabschnitt, wobei die Rundknetwalzen
in axialer Richtung von rechts nach links wandern und hierbei die überwiegende Länge
des Zylinderabschnitts 4a' auf die mehr als doppelte axiale Länge ausdehnen. Die nach
dem Rundkneten erhaltene Innen- und Außenumfangsfläche des Hohlwellen-Grundkörpers
8' ist in Fig. 4b in durchgezogener Linie gezeigt. Innerhalb der durchgezogenen Linien
befinden sich punkt-gestrichelte Linien, welche die fertige Kontur der endbearbeiteten
Hohlwelle wiedergeben. Danach wird der Hohlwellen-Grundkörper 8' an seiner Außenumfangsfläche
wie an seiner Innenumfangsfläche spanhebend bearbeitet. Darüber hinaus werden die
Enden des Hohlwellen-Grundkörpers 8' abgestochen.
[0036] Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Figuren 5a und 5b in gleicher Weise dargestellt,
wie dies unter Bezugnahme auf die Figuren 4a und 4b erläutert wurde. Der in Fig. 5a
gezeigte Grundkörper 2" wird zunächst nach Einbringen eines Domes 18" auf der rechts
von der Erhebung 3 liegenden Seite inkrementell umgeformt. Danach wir der Dorn 18"
entnommen. Danach wird die links von der Erhebung 3 liegende Seite des Zwischenproduktes
inkrementell umgeformt. Hierbei wird kein Dorn eingesetzt. Die innere Kontur des linken
Teils wird dementsprechend bei der Umformung frei geformt. Der unmittelbar benachbart
zu der Erhebung 3 liegende Bereich des Grundkörpers 2" wird nicht inkrementell umgeformt.
Der auf diese Weise unter halbwarmen bis warmen Bedingungen inkrementell umgeformte
Hohlwellen-Grundkörper wird daraufhin bearbeitet, um die in Fig. 5b gezeigte strich-punktierte
Kontur zu erhalten. Diese gibt das Fertigteil an.
[0037] Aus den Figuren 4b und 5b ist zu erkennen, dass die Hohlwellen-Grundkörper 8', 8"
gemäß diesen Ausführungsbeispielen durch das Rundkneten near-to-net-shape verarbeitet
wurden. Insbesondere verdeutlichen die jeweiligen punkt-gestrichelten Linien, dass
nur eine minimale spanhebende Bearbeitung erforderlich ist, um jeweils die erwünschte
Endkontur der Ausführungsbeispiele nach Figuren 4 oder 5 zu erhalten. Bezugnehmend
auf Figur 4b, wird beispielsweise eine Überlänge an den jeweiligen Enden des Hohlwellen-Grundkörpers
8' abgetrennt, und die äußere Umfangsfläche minimal spanabhebend bearbeitet, um bei
der Erhebung mit dem größten Durchmesser einen rechtwinkligen Übergang zu erhalten.
Bezugszeichenliste
[0038]
- 2, 2'
- Grundkörper
- 3, 3', 3"
- Erhebung
- 4a, 4b
- Zylinderabschnitt
- 5
- Grund
- 6
- Innere Oberfläche
- 8,8',8"
- Hohlwellen-Grundkörper
- 9, 9a, 9b
- Dorn (Querkeilwalzen)
- 10, 10', 10"
- Bohrung
- 12
- äußere Umfangsfläche
- 14
- innere Umfangsfläche
- 14',14",14"'
- Zylinderabschnitt
- 16
- Sackloch
- 18
- Dorn (Rundkneten)
- 20a-d
- Zylinderabschnitte des Dorns
- 22a-c
- Konusabschnitte des Dorns
- V
- Längsschnittansicht vor dem weiteren Schritt
- N
- Längsschnittansicht nach dem weiteren Schritt
- R
- Inkrementell umgeformter Bereich
1. Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen-Grundkörpern (8), umfassend:
einen ersten Schritt, in welchem die äußere Oberfläche (4) eines zylindrischen Ausgangsmaterials
durch Umformen bearbeitet wird, um wenigstens einen vorbestimmten Durchmesserübergang
in Längsrichtung eines Grundkörpers (2) zu erhalten, und
einen weiteren Schritt, in welchem der Grundkörper (2) zum Umformen der äußeren und/oder
inneren Oberfläche (4, 6) des Grundkörpers (2) inkrementell zu dem Hohlwellen-Grundkörper
(8) umgeformt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ausgangsmaterial durch Querkeilwalzen umgeformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial während des ersten Schritts durch axiale Krafteinleitung zum
Ausbilden einer axialen Bohrung (10) umgeformt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einführen mindestens eines Dorns (9) in Längsrichtung des Ausgangsmaterials
die Bohrung (10) ausgebildet und das Ausgangsmaterial radial nach außen umgeformt
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn (9) in axialer Richtung zumindest bis zu einem Bereich eingeführt wird,
in dem ein Durchmesserübergang an der äußeren Oberfläche des Ausgangsmaterials ausgebildet
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dem ersten Schritt vorangehenden Schritt in dem Ausgangsmaterial eine in
Längsrichtung des Ausgangsmaterials verlaufende Bohrung (10) ausgebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (10) in dem vorangehenden Schritt durch Umformen unter axialer Krafteinleitung
ausgebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den ersten Schritt in dem Grundkörper (2) eine axiale Bohrung ausgebildet
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Schritt die Innenumfangsfläche der Bohrung (10) nachbearbeitet wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) vor dem weiteren Schritt in mehrere Grundkörper-Teileinheiten
getrennt wird und dass diese Grundkörper-Teileinheiten jeweils in dem weiteren Schritt
zu Hohlwellen-Grundkörpern (8) umgeformt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) während des ersten Schritts durch ein Umformverfahren getrennt
wird.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem weiteren Schritt der Grundkörper (2) durch Rundkneten inkrementell umgeformt
wird.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seite des Grundkörpers (2) in dem weiteren Schritt nach Einführen eines Doms
(18) inkrementell umgeformt wird.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verfahren ein Hohlwellen-Grundkörper (8) erzeugt wird, der ein mindestens
doppelt so großes Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis wie das Ausgangsmaterial hat.