CN104582874B - 成型方法和按照该成型方法制造的齿部构件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种成型方法，在其中工件(2)在较低温度下、例如在微热成型或半热成型的范围中借助于成型工具(1)以摇摆方法或旋转锻造方法来成型。通过使成型力(F)不是同时被传递到整个成型面上、而是相继作用到逐步或持续变化的子面(7)上、直到整个成型面被以成型力(F)加载至少一次，可在比较小的力作用下实现惊人地高的变形度。

Description

成型方法和按照该成型方法制造的齿部构件

技术领域

本发明涉及一种成型方法，在其中工件在室温或一定的温度下借助于成型工具来成型。此外，本发明涉及一种利用该成型方法制造的成型件。

背景技术

文件DE 10 2005 027 259 A1说明了一种用于通过由带有超塑性组织的合金构成的坯件的半热成型制造金属构件的锻造方法。由此，成型工具中的成型压力被保持明显低于相应合金的对于锻造所需的成型压力。

文件DE 10 2007 023 087 A1涉及一种用于制造用于在机动车的内燃机中的凸轮轴的由可硬化的钢材构成的凸轮的方法。该制造方法包括用于产生凸轮坯件的半成品的成型和凸轮坯件的接着的热处理。为了使易于成型，杆材料或凸轮盘在成型之前必要时可根据材料被加热到直至400°C-500°C的温度上，使得该成型作为半热成型实现。这样的温度升高当然提高了可变形性。温度以这样的方式来选择，即该成型在无组织损伤的情况下实现且不出现起氧化皮。

通过文件WO 2005/021177 A1已知一种用于在成型工具中成型板、尤其用于板坯的半热成型或热成型的方法。在此，通过应用半热成型或热成型引起地例如相对于冷成型(如深冲)较高的变形度(Umformgrad)被证实为有利的。由此尤其可保护所使用的冲压工具。

文件DE 10 2009 025 023 A1涉及一种用于制造凸轮轴的方法，在其中使用半热冲压。

在半热成型中比在热成型中使用较低的温度，由此通常不实现材料硬化。然而，例如可使用已具有高强度特性的高强度材料。在该情况中仅需要实现温度升高到使易于成型的范围中、尤其到在850°C之下、优选地在500°C与700°C之间的温度上。

原则上适用的是，较高的变形度要求较高的成型温度。由此例如在1000°C与1200°C之间的温度范围中的热成型的情况下达到φ>4的高成型能力。然而，与此相联系的是在将工件加热到较高的温度上的情况下的高能量消耗。与热成型相联系的另一显著缺点是对于切削再加工的较高耗费，尤其由于需要去除在较高温度下产生的氧化皮(例如借助于喷射)。此外材料损失证实为不利的，因为为了平衡出现的偏差和不精确性须设置巨大的加工余量。在实践中，由于氧化皮层此外排除将多个方法步骤集成到一工具中，因为干扰的氧化皮会影响功能。

在较低温度下、例如在微热成型以及冷成型的范围中的成型的优点相对地在于用于加热的较少的能量消耗以及在于在无氧化皮的同时由此可实现的较高精度。然而相对于在较高温度下的成型，在较高成型力的情况下得到明显较低的成型能力。

由文件DE 32 02 254 C2已知一种用于通过冷成型制造齿条的方法，在其中柱状的坯件在上模与下模之间被成型。模压件在冲压过程期间在坯件上实施摇摆运动(Taumelbewegung)。通过与镦锻相比局部的成型区域实现较小的法向应力，其导致工具使用寿命的提高。

在根据文件DE 198 39 428 A1的一种用于制造用于齿条的坯件的方法中，在使用带有至少三个可彼此相对移动的模具的压铸装置的情况下在第一步中将带有大致圆形的横截面的原始材料置入模具之间。在第二步中，然后在模具彼此相对移动的方向上施加力到模具中的至少一个上。由此使原始材料成型成用于齿条的坯件，其在齿条啮合的轴向区域中获得不同于圆柱的形状。通过将力引入这三个可彼此相对移动的模具中，可在无较大的冷作硬化的情况下使原始材料在坯件的在齿条制造的进一步进程中经历较大变形的区域中成形。该方法的附加的优点在于，以简单的方式可实现坯件形状，利用其在随后的成型过程中、尤其在摇摆方法中避免毛刺形成。

发明内容

在该背景下，本发明目的在于以最佳的方式将在较高温度下的成型方法的优点与在较低温度下的成型的优点结合。尤其应在比较低的温度下实现较高的变形度。此外应提供一种按照该成型方法制造的齿部构件(Verzahnungsbauteil)。

首先提及的目的利用一种根据权利要求1的特征的成型方法来实现。从属权利要求涉及本发明的特别适宜的改进方案。

根据本发明即设置一种成型方法，在其中由成型工具传递的成型力在成型期间仅作用到作为工件的待成型的成型面的部分面的较小的子面(Teilflaeche)上，其中，子面在大致恒定的成型力作用期间尤其持续地被改变，从而在一循环结束之后整面被加载以成型力。在此，本发明基于该令人惊讶的认识，即如果成型力不是同时被传递到整个成型面上、而是相继作用到逐步或持续变化的子面上、直到整个成型面被以成型力加载至少一次，可在比较低的温度(其处在冷成型的范围中或仅略微高于此且因此远低于半热成型的温度)下获得明显改善的成型能力。即尤其将成型力部分地或增加地传递到子面上，其中，所选出的子面关于成型面在预定的循环之后尤其被连续地改变。

相应于该方法的一特别有利的设计方案，在微热成型的温度范围中可达到φ>4的惊人地高的成型能力，这相应于热成型的成型能力且在此甚至明显超过半热成型的成型能力。虽然基于该突出的成型能力的物理效应尚未完全被理解，目前基于此，即由于可变的子面实现与剪切力相联系的波动的力引入，其相对于根据现有技术常见的纯轴向的力引入反作用减小的变形力矩。结果，通过根据本发明的在微热成型的温度下的成型方法结合了热成型和冷成型的优点。相对于热成型减小了否则对于工件的加热必要的能量消耗。此外取消了氧化皮的复杂去除，其中，同时达到较高的精度。因此需要较少的加工余量，其导致显著减少的切削修整且同时导致材料节省。相对于半热成型得到同样明显减少的用于加热的能量消耗以及在较小成型力下的提高的成型能力。此外还可降低用于成型的装置的购置耗费。此外还使工具磨损最小。但是相对于冷成型在成型力减小的同时也得到鉴于所说明的高成型能力的显著优点。例如本身已知的摇摆成型方法以及旋转锻造方法适用于该成型。在此，该成型方法优选地可在无中间退火的情况下执行。此外，成型力的作用方向不仅可具有水平的定向而且可具有竖直的定向。

该成型方法有利地可应用在50°C与450°C之间的温度范围中。该方法的一特别有利的设计方案还由此来实现，即工件被加热到在100°C至300°C之间、尤其在150°C至250°C之间的温度上且在成型期间温度被保持大致恒定。该温度范围根据目前的认识形成在成型能力以及必要的再加工耗费方面的最佳。

可考虑成型力在作用到第一子面上之后首先被中断或减小，以便接着作用到不同于第一子面的第二子面上。与此相对，如果成型力在循环期间被保持大致恒定，证实为特别符合实践。由此，由于由成型工具(其沿着工件表面被移动且由此加载持续变化的子面)引起的摩擦实现成型能力的期望的跳跃式的改善。同时减少控制耗费，其否则在工具与工件的相应的子面分离时需要附加的耗费用于重新相对定位。

由此可在唯一的循环或多个完整的循环期间执行从初始状态至预定的设定几何形状的成型。因此显著缩短制造耗费。同时以简单的方式保证在每个子面中一致的成型力。

当然，成型力在循环期间也可被改变，以便由此在不同的子面中实现不同的变形度。此外，成型工具也可被提供成使得可调节不同的位置且因此不同大小的子面可被加载，以便由此局部提高压力。而如果分别被成型力加载的子面在循环期间大致等大地被测定，是特别适宜的。由此保证恒定的力引入和因此均匀的成型。同时使表面平整且确保高尺寸稳定性。

通过使成型工具具有可调节的作用面或可更换地布置在工具容纳部处，子面的大小可容易地来预定。

该成型工具可在传递成型力期间暂时被保持在唯一的子面中，从而使相对位置步进地改变。根据本发明的成型方法的另一设计方案有希望证实为特别成功，在其中子面的变化持续地实现，从而即平行于表面连续地来执行在成型工具与工件的表面之间的相对运动。以该方式实现均匀的成型，其导致材料质量的进一步改善。

根据本发明的成型方法不限于确定的工件几何形状。然而如果待成型的面是点对称或大致旋转对称，已证实为特别符合实践的，其中，成型工具在传递成型力期间所作用的子面不超过带有相对于待成型的面减小的面积份额的部段(Sektor)的大小。

例如适合在其中使用尤其至少逐段地柱状的由钢构成的坯件的工件。在此，工件在成型期间可位置固定地被固定或相对于成型工具被移动。在此，通过使成型工具的作用面不平行于工件的子面取向，成型力的部分力引入主要由成型工具的倾斜产生。

在执行该成型方法时，成型工具可利用唯一的工具作用到工件的子面上，其在它的背对工具的支承面上面型地经由其整个外表面置于冲模(Gesenk)中且由此被固定。一变体已证实为特别有利的，在其中成型工具以第一工具作用到工件的第一成型面的子面上而以第二工具作用到工件的第二成型面的尤其与第一成型面的子面统一的子面上。由此实现双重局部成型，在其中使两个工具相对于工件翻倾。由此，不仅在上模处而且在下模处实现较小的摩擦。此外，在工件的两个外表面处可实现较高的变形度，由此例如可最佳地制造圆柱齿轮。由此，该方法例如也适用于带有较小的齿模数的圆柱齿轮或适用于高齿部，其由此首次在低于起氧化皮界限的温度下通过成型也可制造。

在此，根据另一有利的设计方案这两个工具可被彼此同步地移动、尤其即执行统一的旋转运动。

优选地，这两个工具分别具有工具轴线，其与工件的中轴线包围在0°与7°之间的例如还一致的角度。当然，工具也可具有相对于工件不同的角度。此外，两个工具或仅仅一个工具可执行进给运动。

此外如果工件以其中轴线相对于这两个工具的工具轴线分别相对倾斜地布置，证实为符合实践的，其中，不仅工件而且至少一个工具被移动。尤其即至少一个工具为了将成型力传递到工件上被置于摇摆运动中或两个工具被置于围绕工具轴线的旋转运动中，工具轴线中的至少一个相对于中轴线翻倾。

在此，通过在成型之前以液态或固态润滑剂来加载工件或成型工具，可实现可获得的变形度的显著提升。

提供一种利用该成型方法制造的齿部构件的第二个提及的目的根据本发明由于较高的精度要求利用一种齿部构件、尤其锥齿轮、冠状齿轮或圆柱齿轮来实现。优选地，这也涉及这样的构件，在其中在利用不带中间退火的行程成型期间需要局部φ>4的变形度(例如在法兰轴的情况下)。

附图说明

本发明允许大量实施形式。为了进一步说明其基本原理，其中的一个在附图中示出且在下面来说明。其中：

图1显示了对在执行成型方法期间的成型工具和工件的侧视图；

图2显示了对工件的成型面的俯视图；

图3显示了对在执行成型方法期间带有两个工具的另一成型工具的侧视图；

图4显示了以该成型方法制造的锥齿轮的透视图；

图5显示了以该成型方法制造的圆柱齿轮的透视图。

具体实施方式

接下来为了说明基本原理根据图1和2来详细说明根据本发明的成型方法。图1在侧视图中显示了用于以本身已知的摇摆或旋转锻造方法制造实施为齿部构件的工件2的成型工具1。对此，成型工具1具有旋转对称的工具3，其为了将成型力传递到被保持在冲模4中的工件2上被置于相对于中轴线5的摇摆运动或围绕翻倾的工具轴线6的旋转运动中。与现有技术相比即不产生倒转的运动、而是环绕的旋转的运动。由此，在子面7的区域中相应于暂时的接触面从相对于工件2的周缘的中轴线5出发工具3的成型力F作用到被保持在冲模4中的工件2上，其中，成型力F在中轴线5与成型件的周缘之间具有其最大值F_max而在边缘区域中具有其最小值F_min。通过将工件2加热到大约200°C的温度上且使成型力F不同时被传递到整个在图2中可辨识的成型面8上、而是相继作用到逐步或持续地变化的子面7上、直到整个成型面8被以成型力f加载至少一次，可在力作用比较小的情况下实现惊人地高的变形度。

如尤其在图2中在对成型面8的俯视图中可辨识的那样，成型力F被局部传递到相应的子面7上，其中，选出的子面7关于成型面8在预定的循环之后连续地变换。如此确定的不同的子面7、7'、7''、7'''分别具有一致的尺寸且在图2中示意地示出。由于到不同子面7、7'、7''、7'''上的连续前进的力作用F，与剪切力相联系产生波动的力引入，其相对于根据现有技术常见的纯轴向的力引入反作用减小的变形力矩。结果，通过在微热成型的温度下的根据本发明的成型方法结合了热成型和冷成型的优点。

在图3中补充地还示出了在执行成型方法期间可应用在根据本发明的成型方法中的带有两个工具3、10的成型工具9的一变体。在此，成型工具9以第一工具3作用到工件的第一成型面8的在图2中详细示出的子面7上而以第二工具10作用到工件2的第二成型面11的相对于第一成型面8的子面7等大的子面上。通过使这两个工具3、10分别不被整面地加载，在变形度较高的同时在工件2的两个外表面处实现较小的摩擦。这两个工具3、10分别具有工具轴线6、12，其相对于工件2包围一致的角度，使得这两个工具3、10的工具轴线6、12即分别相对工件中轴线倾斜地布置。

最后，在图4和5中还分别示出了利用根据本发明的成型方法制造的作为齿部构件的工件2，其中，在图4中显示了锥齿轮而在图5中显示了圆柱齿轮。

附图标记清单

1 成型工具

2 工件

3 工具

4 冲模

5 中轴线

6 工具轴线

7 子面

8 成型面

9 成型工具

10 工具

11 成型面

12 工具轴线

F 成型力

F_max 最大成型力

F_min 最小成型力。

Claims (15)

1.一种成型方法，在其中工件(2)被带到一定的温度或温度范围上且借助于成型工具(1,9)来成型，其中，通过所述成型工具(1,9)在成型期间所传递的成型力(F)相继作用到所述工件(2)的待成型的成型面(8,11)的逐步或持续变化的子面(7)上，直至整个成型面(8,11)被以成型力(F)加载至少一次，其中，所述子面(7)在恒定的成型力(F)作用期间被改变，其特征在于，所述工件(2)被加热到在100°C至300°C之间的温度上，且所述温度在成型期间被保持恒定，并且所述成型工具(9)以第一工具(3)作用到所述工件(2)的第一成型面(8)的子面(7)上而以第二工具(10)作用到所述工件(2)的第二成型面(11)的与所述第一成型面(8)的子面(7)一致的子面上。

2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，带有局部φ>4的变形度的成型利用不带中间退火的行程来执行。

3.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述成型通过摇摆成型方法和/或径向成型实现。

4.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述成型通过旋转锻造方法实现。

5.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述成型力(F)在整面被加载以成型力的循环期间被保持恒定。

6.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，从初始状态至预定的设定几何形状的成型在唯一的循环或多个完整的循环期间被执行。

7.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，分别被所述成型力(F)加载的子面(7)在一循环期间被测定得等大。

8.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述子面(7)在所述成型力(F)作用期间被持续地改变。

9.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述成型面(8,11)是圆形的，其中，所述子面(7)不超过带有所述成型面(8,11)的25%的面积的部段的大小。

10.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述第一工具(3)和所述第二工具(10)被彼此同步移动。

11.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述第一工具(3)和所述第二工具(10)分别具有工具轴线(6,12)，其与所述工件(2)的中轴线包围一致的角度。

12.根据权利要求11所述的成型方法，其特征在于，所述工件(2)以其中轴线相对于所述第一工具(3)和所述第二工具(10)的工具轴线(6,12)分别相对倾斜。

13.根据权利要求11所述的成型方法，其特征在于，所述第一工具(3)和所述第二工具(10)被置于围绕所述工具轴线(6,12)的旋转运动中，所述工具轴线(6,12)中的至少一个相对于所述中轴线(5)倾斜。

14.一种成型方法，在其中工件(2)被带到一定的温度或温度范围上且借助于成型工具(1,9)来成型，其中，通过所述成型工具(1,9)在成型期间所传递的成型力(F)相继作用到所述工件(2)的待成型的成型面(8,11)的逐步或持续变化的子面(7)上，直至整个成型面(8,11)被以成型力(F)加载至少一次，其中，所述子面(7)在恒定的成型力(F)作用期间被改变，其特征在于，所述工件(2)被加热到在100°C至300°C之间的温度上，且所述温度在成型期间被保持恒定，并且所述成型工具(1)以工具作用到所述工件(2)的待成型的成型面(8)的子面(7)上并且所述工件(2)面型地置于冲模(4)中的背对所述工具的支承面中。

15.锥齿轮、冠状齿轮或圆柱齿轮，其按照根据权利要求1或14所述的成型方法来制造。