DE10031652C1

DE10031652C1 - Werkzeug und Verfahren zum Querwalzen von Verzahnungen sowie Verfahren zur Auslegung eines solchen Werkzeuges

Info

Publication number: DE10031652C1
Application number: DE2000131652
Authority: DE
Inventors: Udo Hellfritzsch; Bernd Lorenz; Juergen Ouaas
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: DE10031652C2; DE10066177A1; DE10066177B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Querwalzen von Verzahnungen, wobei das Werkzeug eine Anwalzzone, eine Kalibrierzone und eine Auslaufzone umfasst und sich dadurch auszeichnet, dass zumindest im Bereich der Anwalzzone des Werkzeuges die Zahnstellung zwischen einzelnen Zähnen verschieden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Querwalzen von Verzahnungen mit folgenden Schritten: Anfertigen eines rotationssymmetrischen Werkstückes, Vorwalzen von Zähnen in den Werkstückmantel und Kalibrieren der vorgewalzten Zähne.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Werkzeug zum Querwalzen von Verzahnungen mit einer Anwalzzone, die eine Anzahl von Anwalzzähnen aufweist, und einer daran an grenzenden Kalibrierzone, die eine Anzahl von Kalibrierzähnen umfasst.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auslegung eines Werkzeuges zum Querwalzen von Verzahnungen, das einen Anwalzbereich und einen Kalibrierbereich aufweist.

Für die Herstellung von Zahnrädern und anderen rotationssymmetrischen Körpern, die auf ihrer Mantelfläche Verzahnungen, Riffelungen oder ähnliche rotationssymmetrische Strukturen aufweisen, sind verschiedene Fertigungsverfahren bekannt. So können der artige Zahnräder in Form gegossen und die so entstandenen Rohlinge mittels einer auf wendigen Fein- und Nachbearbeitung zu den fertigen Zahnrädern ausgebildet werden.

Deneben sind sogenannte Querwalzverfahren bekannt, bei denen ein rotationssymmet rischer Rohling, beispielsweise ein runder Stab, zwischen zwei oder mehreren Werkzeu gen so lange unidirektional oder hin und her gerollt werden, bis die auf den Werkzeugen ausgebildete Zahnstruktur auf die Mantelfläche des Rohlings übertragen worden ist.

Wie beispielsweise in Fig. 5 der vorliegenden Erfindung dargestellt, sind hierbei bei den Querwalzverfahren grundsätzlich vier verschiedene Walzverfahren zu unterscheiden:
Ein erstes Verfahren, das sogenannten Flachbackenverfahren, bedient sich zweier, im wesentlichen ebener Werkzeuge, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und auf deren jeweils zueinander zugewandten Oberfläche eine Verzahnungsstruktur ausge bildet ist, die durch Abrollen unter Druck auf den Walzkörperrohling übertragen wird.

Ein weiteres Querwalzverfahren bedient sich zweier konkaver Werkzeuge, die wiederum symmetrisch aufgebaut sind und zwischen deren Innenseiten, die einander gegenüber liegen, wiederum das Werkstück abgerollt wird, bis die gewünschte Zahnstruktur aufge bracht worden ist.

Ein drittes Querwalzverfahren bedient sich eines konkaven und eines konvexen Werk zeuges, wobei das konkave Werkzeug stationär gehalten wird, an dessen Innenseite ein Zahnprofil aufgebracht ist, das auf die sich an diesem Zahnprofil abrollenden Werkstücke übertragen wird und wobei das konvexe Werkzeug als runder Drehkörper ausgebildet ist, der sich im Zentrumspunkt des konkaven Werkzeugs abrollt und dabei die Werkstücke gegen das konvexe Werkzeug drückt.

Schließlich sind als viertes Querwalzverfahren sogenannte Rundrollenverfahren bekannt, wobei ein, zwei oder mehrere an ihrer Mantelfläche mit Zahnprofilen versehene Walzen werkzeuge gegen einen sich an ihrer Oberfläche abrollenden Werkstückmantel abstüt zen, um auf diese Weise das gegebene Werkzeugzahnprofil auf den Rollkörper zu über tragen.

Hierbei ist bei den Walzenverfahren mit zwei oder mehreren Walzwerkzeugen das zu bearbeitende Werkstück vorzugsweise jeweils zwischen den Werkzeugen angeordnet.

Zu dem Rundrollverfahren zählt auch das Walzen mit einem sogenannten Hohlradwerk zeug, bei dem das zu übertragende Zahnprofil auf der konvexen oder konkaven Seite des Hohlrades ausgebildet und durch Andruck eines Stützrades auf der jeweils gegenü berliegenden Seite das Zahnprofil auf das Werkstück übertragen wird.

Bei jedem dieser genannten Querwalzverfahren weisen das oder die Werkzeuge im Be reich ihrer Verzahnungen jeweils mehrere Bereiche auf. Üblicherweise sind hierbei ein sogenannter Anwalz- oder Vorwalzbereich sowie ein sogenannter Kalibrierbereich aus gebildet. Da die Anordnung und Ausbildung dieser Arbeitsbereiche für alle Querwalz verfahren im wesentlichen gleich ist, zumindest aber die Erkenntnisse von einem Verfah ren auf das andere übertragbar sind, soll im Folgenden sowohl in der Einleitung wie auch in der Detailbeschreibung nur auf das Flachbeckenverfahren eingegangen werden und an diesem exemplarisch für alle Querwalzverfahren die wesentlichen Unterschiede zwi schen dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung aufgezeigt werden.

Abgesehen von einigen altertümlichen Verfahren oder Spezialverfahren, bei denen die Zähne des Werkzeuges über den gesamten Arbeitsbereich identisch ausgebildet sind und die fortschreitende Ausbildung der Zähne an der Mantelfläche des Werkstückes nur über langsam zunehmenden Pressdruck des Werkzeuges auf das Werkstück erfolgt, weisen auch bei herkömmlichen Verfahren die Werkstücke gewöhnlicher Weise drei Be reiche auf, die wie folgt ausgebildet sind:
In einem ersten Bereich, dem sogenannten Anwalzbereich, steigt die Zahnhöhe vom Beginn bis zum Ende des Anwalzbereiches zunehmend an, um schließlich die Höhe der Zähne im Kalibrierbereich, dem zweiten Bereich, zu erlangen, indem die Zähne alle i dentisch ausgebildet sind. Hierbei erfolgt üblicherweise die Herstellung des Anwalzberei ches derart, dass zunächst bei einem Werkzeug die Zähne aller Bereiche identisch aus gebildet werden und dann mittels eines Schleifverfahrens die Zähne im Anwalzbereich schräg abgeschliffen werden, so dass die gewünschte Neigung im Bereich der Anwalz zähne entsteht. Im dritten Bereich, der Auslaufzone, erfolgt ein Entspannen der umform spezifischen Walzkräfte und eine Entnahme des Walzteiles ist möglich.

Mit zwei gegenüber dem Werkstückmittelpunkt punktsymmetrisch angeordneten Flach backenwerkzeugen wird sodann einmal über die gesamte Arbeitslänge des Werkzeuges, beginnend beim am meisten abgeflachten Zahn des Anwalzbereiches über die Mantel fläche des zu erzeugenden Zahnrades abgerollt. Hierbei entsteht eine gewisse Grund ausbildung des zukünftigen Zahnrades bereits im Anwalzbereich, wobei mit jedem Zahn des Anwalzbereiches eine größere Eindringtiefe in den Werkstückkörper gegeben ist, welches nach dem Durchlaufen der Auslaufzone entnommen werden kann.

Nach dem Anwalzbereich formen im Kalibrierbereich etliche, identisch ausgebildete Zähne des Werkzeuges noch einmal die vorausgebildeten Zähne des Werkstückes, so dass schließlich am Ende des Kalibrierbereiches ein gleichmäßig ausgebildetes Zahnrad gefertigt ist, welches nach dem Durchlaufen der Auslaufzone entnommen werden kann.

Das Kaltwalzen von Verzahnungen nach dem vorab beschriebenen Verfahren mit evol ventischen Flankenprofilen kleiner Module wird auf vielerlei Art gestalteten Flach- und Rundwerkzeugen praktiziert.

So ist beispielsweise in der DE 43 06 742 A1 ein Werkzeug und ein solches Verfahren zum Querwalzen von Verzahnungen bekannt. Hierbei wird die Zahnteilung im Bereich der Anwalzzone (erster Abschnitt des Werkzeuges) in Abhängigkeit vom Vorbearbei tungsdurchmesser des zu bearbeitenden Werkstückes festgelegt und ist im Bereich der Kalibrierzone (zweiter Abschnitt des Werkzeuges) unabhängig vom Vorbearbeitungs durchmesser festlegbar ist (vgl. Spalte 3, Zeilen 4 bis 16). Doch auch dieses Verfahren führt nicht zu zufriedenstellenden Werkstückergebnissen mit gleichbleibender Qualität.

So müssen aufgrund auftretender Walzfehler, insbesondere bei Teilungs-, Flankenform und Symmetriefehlern kostspielige und zeitaufwendige Werkzeugkorrekturen durchge führt werden, um funktionstüchtige Zahnräder zu erhalten. Auch existieren für die kon struktive Auslegung der Walzwerkzeuge bisher noch keine allgemein gültigen Regeln oder Richtlinien, noch irgendwelche Berechnungsmöglichkeiten, wie derartige Werkzeu ge auszulegen oder zu fertigen sind.

Die Werkzeugkonstruktion ist herkömmlicher Weise von einer empirisch geprägten He rangehungsweise gekennzeichnet. Dies führt laufend zu Werkzeugänderungen oder Neuanfertigungen, sobald festgestellt wird, dass ein empirisch gefertigtes Werkzeug nicht den gewünschten qualitativen Erfolg bei den produzierten Zahnrädern bewirkt. Es ist daher auch im vorhinein nicht abzuschätzen, ob ein geplantes oder benötigtes Werk zeug den geforderten Qualitätsansprüchen genügt, so dass vor jedem Werkzeugeinsatz entsprechend langwierige und kostspielige Probeläufe durchzuführen sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Werkzeug zum Querwalzen von Verzahnungen sowie ein Verfahren zur Auslegung eines solchen Werk zeuges zu schaffen, durch das Werkstücke mit gleichmäßigen und qualitativ hochwerti gen Verzahnungen versehen werden können.

Die Aufgabe wird für ein Werkzeug zum Querwalzen von Verzahnungen der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zahnteilung zwischen einzel nen Zähnen zumindest im Bereich der Anwalzzone verschieden ist.

Des weiteren wird die Aufgabe für ein Verfahren zum Querwalzen von Verzahnungen der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Vorwalzen mit tels zumindest eines mit Walzzähnen versehenen Werkzeuges erfolgt, das in zumindest einem Be reich eine verschiedene Zahnteilung zwischen einzelnen Walzzähnen aufweist.

Schließlich wird die Aufgabe zur Auslegung eines Werkzeuges zum Querwalzen von Verzahnungen, das einen Anwalzbereich und einen Kalibrierbereich aufweist, erfin dungsgemäß durch die folgenden Schritte gelöst: Bestimmen des Außendurchmessers d_v des zu walzenden Werkstückes, Festlegen der Anzahl s der Zähne im Anwalzbereich und Berechnen der jeweiligen Zahnteilung p_u im Anwalzbereich als Funktion des Wälz kreisdurchmessers d₀, des Außendurchmessers d_v und der Anzahl s der Anwalzzähne nach folgender Formel:

Indem es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, Walzwerkzeuge unabhängig von empirischen Kenntnissen oder Vorstellungen auszulegen, entfällt die bei jedem Walzwerkzeug bisher notwendige Erprobungs- und Nachbearbeitungsphase, so dass einerseits die Herstellungskosten reduziert, anderseits mit dem Einsatz des neuen Walzwerkzeuges früher begonnen werden kann.

Durch die exakte, neuartige Auslegung der Walzwerkzeuge bezüglich jedes einzelnen Moduls, jeder erforderlichen Größe und Form der zu fertigenden Zahnräder, ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der erreichbaren Walzteilqualität hinsichtlich Teilungs fehler, Symmetriefehler und Flankenformfehler.

Als weitere Vorteile dar Erfindung sind ein homogener, mathematisch und umformtech nisch exakter Abwälzprozess zwischen Werkzeug und Werkstück hinsichtlich der Tei lungsauslegung sowie eine wesentliche Verbesserung der Werkstofffließbedingungen zu nennen.

Indem entsprechend der Erfindung im Anwalzbereich erstmalig von einer konstanten Zahnteilung abgewichen wird, ergibt sich eine Erhöhung der Walzteilqualität hinsichtlich Flankenform, Teilungsgenauigkeit und Symmetrie der Verzahnung.

Durch eine variable Zahnteilung im Anwalzbereich, die auf die jeweilige Eindringtiefe der Anwalzzähne in das rotationssymmetrische Werkstück abgestimmt ist, wird gleichfalls erreicht, dass die herzustellende Verzahnung durch einen homogenen Werkstofffluss besser ausgeformt wird.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt insbesondere die vorteilhafte Ausgestal tung der Anwalzzähne mit variablem Abstand als eine der entscheidenden Vorteile zum Tragen, wobei der Abstand zum nachfolgenden Kalibrierbereich des Werkzeuges hin zunehmend kleiner wird.

Wenn man auf einen Querschnitt des rotationssymmetrischen Werkstückrohlings die Eindrücktiefe der Anwalzzähne auftragen würde, ergäbe sich in etwa eine nach innen orientierte Spiralkontur, wobei die auszuprägenden Zähne im gleichen Abstand vonein ander quasi sternförmig und unabhängig von der Eindringtiefe der Anwalzzähne des Werkzeuges auszubilden wären. Da der auf den Spiralarmen jeweils zwischen den aus zubildenden Zähnen liegende Abstand abhängig von der Eindringtiefe (jeweiliger Um fangsabschnitt des momentanen Teilungsdurchmessers) unterschiedlich groß ist, muss auch die Teilung zwischen den einzelnen Zähnen der Anwalzzone des Walzwerkzeuges, die den jeweiligen Zahnrohling in seiner jeweiligen Phase ausbilden, unterschiedlich groß, also variabel sein.

Mit zunehmend kleinerem Zahnabstand (Reduzierung des Spiraldurchmessers) und gleichzeitig zunehmender Ausbildung des Zahnrades bzw. seiner Zahntiefe reduziert sich zunehmend die Teilung des die Zähne ausbildenden Werkzeuges. Bei Erreichen der Kalibrierzone des Werkzeuges sind auch alle Zähne des Werkstückes annähernd gleichmäßig vollständig ausgebildet, was im wesentlichen bedeutet, dass die Eindring tiefe des Werkzeuges in das Werkstück (neues Zahnrad) konstant ist und somit auch die Zahnteilung in der Kalibrierzone (Auslegung nach dem Teilkreisdurchmesser) des Werk zeuges konstant ausgebildet werden kann.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Werkzeuges sowie weitere Einzelheiten des Verfahrens zur Auslegung eines solchen Werkzeuges und des Verfah rens zum Querwalzens von Verzahnungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen dar gelegt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten, erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges zum Quer walzen von Verzahnungen im Beispiel eines Flachbackenwerkzeuges,

Fig. 2 eine Kalibrierzone eines erfindungsgemäßen Flachbackenwerkzeuges,

Fig. 3 eine Anwalzzone eines erfindungsgemäßen Flachbackenwerkzeuges,

Fig. 4 eine Vergleichsdarstellung bezüglich der Zahngestaltung einer herkömmli chen und einer neuen Anwalzzone eines Querwalzwerkzeuges, und

Fig. 5 eine Übersichtsdarstellung verschiedener Querwalzverfahren und die An ordnung der darin eingesetzten Werkzeuge, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Querwalzwerkzeuges und eines Werkstückes (Zahnrad) im Abwälzprozess.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug zum Querwalzen, das mit 1 bezeichnet ist, und ein zu walzendes Werkstück, das das Bezugszeichen 10 trägt. Das erfindungs gemäße Werkzeug in Form eines Flachbackenwerkzeuges ist in zwei Bereiche, den An walzbereich 2 und den Kalibrierbereich 3 unterteilt, wie sie in Fig. 2 und 3 einzeln gezeigt sind.

Fig. 6 zeigt das Querwalzwerkzeug und ein mit diesem hergestelltes Werkstück in zwei Herstellungsphasen während des Abwälzprozesses.

Im Anwalzbereich 2 sowie im Kalibrierbereich 3 sind jeweils einzelne Zähne 4, 6 ausge bildet. Im Kalibrierbereich 3 sind alle Zähne 6 identisch mit gleicher Zahnhöhe h_k und gleicher Teilung p_E ausgebildet.

Hingegen sind im Anwalzbereich alle Zähne k verschieden ausgebildet. Zum einen wei sen die einzelnen Zähne 4 eine unterschiedliche Höhe h_A auf, die vom ersten, in Fig. 1 links gezeichneten Zahn, bis zum letzten Zahn, der direkt zu der Grenze zum Kalibrier bereich 3 ausgebildet ist, kontinuierlich zunimmt. Zum anderen weisen die Zähne eine variable Teilung p_u auf, die von der Anfangsteilung p_A bis zur Teilung des Kalibrierberei ches p_E kontinuierlich kleiner wird.

Wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt, sind trotz der unterschiedlichen Höhen h_A der einzelnen Anwalzzähne 4 die Zahnprofile jeweils vollständig ausgebildet, nur in ihrer Hö he h_A quasi gestaucht geformt, wie an dem unter Bezugszeichen 5 gekennzeichneten Vergleichsprofil, das den Zahnprofil eines Kalibrierzahnes entspricht, festgestellt werden kann.

Im Gegensatz hierzu ist es aus dem Stand der Technik bei der Auslegung der Walz werkzeuge bekannt, die Anwalzzähne durch gleichmäßiges Abschleifen in einem defi nierten Winkel in ihrer Höhe h_A zu reduzieren, so dass, wie beispielsweise in Fig. 4a ge zeigt ist, nur die Zahnstümpfe, keineswegs aber ein vollständiges Zahnprofil zum Anwal zen zur Verfügung stehen. Durch das in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Zurück setzen der Zahnprofile im Anwalzbereich um den Einlaufzonenschrägungswinkel an Stelle des bisher üblichen Abschleifens der Zahnprofile wird ein Verformen zu breiter Lücken im Werkstück vermieden. Somit erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Querwalz verfahren eine Ausbildung des Zahnprofils in dem Werkstückkörper 10 mit den Zahn köpfen, die im wesentlichen bereits der endgültigen Zahnform der Kalibrierzähne 6 des Werkzeuges entsprechen, an Stelle von wie bisher mit den breiten Zahnstümpfen. Hier durch wird ein homogener Umformvorgang gewährleistet.

Im Folgenden wird das Verfahren zur Ausbildung der einzelnen Zähne und deren rech nerische Auslegung näher beschrieben werden.

An einem Anfangspunkt des Walzwerkzeuges, der dem Walzbeginn entspricht, also am Start der Einlaufzone, wird die Teilung der Werkzeugzähne nach dem Umfang des er mittelten theoretischen Vordrehdurchmessers d_v des rotationssymmetrischen Aus gangswerkstückes ausgelegt. Die so sich ergebende Anwalzteilung des Werkzeuges p_A wird so dann nach der folgenden Formel berechnet:

Hierbei entspricht U_A dem Umfang des rotationssymmetrischen Ausgangswerkstückes, Z der Zähnezahl des zu erzeugenden fertigen Walzteiles, d_v dem Vordrehdurchmesser des rotationssymmetrischen Werkstückes und π der Kreiszahl.

Über die Schrägung der Anwalzzone, die auch als Einlaufzone bezeichnet wird, wird zur Kalibrierzone 3 hin die Teilung p_u ständig auf den aktuell bezogenen Werkstückdurch messer angepasst. Schließlich mit dem Erreichen der Kalibrierzone 3 wird die Teilung p_E für den Bereich der vollen Ausformung der Verzahnung festgelegt. Dies geschieht nach folgender Formel:

Hierbei entspricht p_E der Zahnteilung in der Kalibrierzone des Werkzeuges, U_E dem Umfang des Walzteiles 10 am Teilkreisdurchmesser, d₀ dem Teilkreisdurchmesser des fertig ausgebildeten Walzteiles, Z wiederum der Zähnezahl des Walzteiles und π wieder um der Kreiszahl.

Aus der Anwalzteilung des Werkzeuges p_A und der Kalibrierzonenteilung des Werkzeu ges p_E lässt sich sodann auf die gesamte Länge der Einlaufzone des Werkzeuges eine angepasste Korrektur der Zahnteilung durchführen. Somit erfolgt auf dem gesamten rea lisierten Eindringvorgang der Werkzeugzähne des Anwalzbereiches in das rotations symmetrische Werkstück eine dem jeweils relativen bzw. bezogenen Werkstückdurch messer angepasste Korrektur der Werkzeugteilung.

Der Wert der Teilung läuft in der Einlaufzone von p_A auf die Teilung in der Kalibrierzone p_E zu. Hieraus lässt sich die Differenz in der Teilung gemäß der Formel 3 berechnen:

Δp = p_A - p_E

Der so errechnete Wert für Δ_p wird durch die Anzahl der Zähne in der Einlaufzone geteilt, woraus sich der Wert der Teilungskorrektur von Zahn zu Zahn ermitteln läßt. Die Tei lungskorrektur ist von Zahn zu Zahn, sowie zwischen einer frei festlegbaren Zähnezahl möglich, je nach Zähnezahl der zu walzenden Verzahnung (Teilungssprung). Somit ist es möglich, für die Anzahl der zu walzenden Zähne, also der in dem fertigen Walzkörper ausgebildeten Zähne, eine jeweils gleiche Anzahl von identischen Zähnen nacheinander in der Einlaufzone auszubilden und dann eine gleiche Anzahl von um einen Korrektur wert veränderten Zähne sich daran anschließen zu lassen. In diesem Fall umläuft das rotationssymmetrische Werkstück für jeden seiner zukünftigen Zähne, also eine volle Umdrehung lang, eine erste Sorte von Walzzähnen in der Anlaufzone, um sodann eine weitere volle Umdrehung über eine zweite Sorte von Zähnen zu laufen, und so fort.

Alternativ hierzu ist es auch möglich, in der Einlaufzone nicht mehrere Reihen gleicher Zähne hintereinander auszubilden, sondern jeden einzelnen Zahn sich von dem voran gehenden Zahn entsprechend der in Fig. 3 dargestellten und mit 7 bezeichneten Ab schrägungslinie auszubilden. Gemäß dem folgenden Formelwerk ist eine Berechnung der Länge der Umformstrecke der Teilung an jedem beliebigen Umformschritt u sowie eine Berechnung der Eindringtiefe e an jedem einzelnen Umformschritt möglich.

Aus der folgenden Formel ergibt sich die Länge l der Einlaufzone mit einer festlegbaren Anzahl von Zähnen je Umformschritt u und einer sich daraus ergebenden Anzahl von Umformschritten:

Hierbei bedeutet l die Länge der Umformstrecke, r die Anzahl der Zähne je Umform schritt, s Anzahl der Umformschritte, π wiederum die Kreiszahl, z die Zähnezahl des Walzwerkzeuges, d_v der Vordrehdurchmesser des rotationssymmetrischen Werkstückrohlings, d₀ wiederum der Teilkreisdurchmesser des fertigen Walzteiles und u die Num mer des jeweiligen Umformschrittes.

Im weiteren lässt sich der jeweilige Bezugsdurchmesser in einem Umformschritt u be rechnen:

Hierbei bedeutet u die Nummer des jeweiligen Umforschrittes, s die Anzahl der Umform schritte, d_v wiederum der Vordrehdurchmesser des rotationssymmetrischen Werkstück rohlings und d₀ wiederum der Teilkreisdurchmesser des fertigen Zahnrades bzw. Walz körpers.

Schließlich ergibt sich die Zahnteilung p_u im Umformschritt u aus folgender Formel:

Hierbei bedeutet d_u Bezugsdurchmesser im Umformschritt u, π wiederum die Kreiszahl, z die Zähnezahl des Walzwerkzeuges, d_v der Vordrehdurchmesser des rotationssymmetri schen Werkstückrohlings, u die Nummer des Umformschrittes, s die Anzahl der Um formschritte insgesamt und d₀ wiederum der Teilkreisdurchmesser des fertigen Zahnra des.

Die Eindringtiefe des Fußkreises e_F, die Eindringtiefe des Teilkreises, e₀ und die Ein dringtiefe e_0,u am Teilkreisdurchmessers des Umformschrittes u lassen sich nach den drei folgenden Formeln berechnen:

Hierbei ist d_v wiederum der Vordrehdurchmesser des Rohlings, d₀ der Teilkreisdurch messer des fertigen Werkstückes und d_F der Fußkreisdurchmesser des fertigen Werk stückes.

Darüber hinaus erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug und dessen Auslegung ein Zurücksetzen der Zahnprofile 4 der Anwälzzone um einen definierten Schrägungs winkel, um, wie bereits dargestellt, mit den Zahnköpfen an Stelle wie im Stand der Tech nik mit den zu breiten Zahnstümpfen, vorzuformen.

Der Unterschied zwischen einer erfindungsgemäßen Anwalz- bzw. Einlaufzone und einer solchen des Standes der Technik ist in den Fig. 4a und 4b vergleichsweise schematisch dargestellt.

Selbstverständlich ist die anhand eines Flachbackenverfahrens, beispielsweise Ausges taltung eines Walzwerkzeuges, dessen Auslegung und die Durchführung des Querwal zens mit einem derartig ausgelegten Werkzeug nicht auf das Flachbeckenverfahren be grenzt.

Durch eine gerinfügige Anpassung der Formeln ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Auslegung eines Querwalzwerkzeuges auch auf Walzwerkzeuge zu übertragen, wie sie in den anderen gängigen Querwalzverfahren eingesetzt werden. Insbesondere ist die Übertragung auf konkave, konvexe oder im wesentlichen runde Werkzeuge, wie sie im Ein- oder Mehrwalzenverfahren Verwendung finden, jederzeit möglich. So kann bei spielsweise auf die Mantelseite einer runden Walze eine Walzkontur aufgebracht wer den, die aus einer Einlaufzone und einer Kalibrierzone bzw. einer Einlaufzone, einer Ka librierzone und einer zahnfreien Übergangszone besteht.

Hierbei wird mit jeder Werkzeugumdrehung ein Werkstück fertig gewalzt.

Es ergibt sich dabei eine langsame Zunahme des Durchmessers des Werkzeugmantels in dem Sektor, in dem die Einlaufzone angeordnet ist, vom ersten (niedrigsten) Anwalz zahn bis hin zum Ende der Anwalzzone, dem Übergang in die Kalibrierzone hinein, wo bei alle Zähne in der Kalibrierzone den gleichen Außendurchmesser und Grundaufbau aufweisen. Danach wird in einer bevorzugten Ausführungsform, der sogenannten Aus laufzone angeordnet, in der niedrigere Zähne eine Entspannung der Umformkräfte be wirken.

Bei zwei konkaven Werkzeugen erfolgt die Auslegung der Einlauf- und der Kalibrierzone entsprechend wie beim Flachbackenverfahren beschrieben. An Stelle der Länge der Einlaufzone und der anderen Strecken werden zur Berechnung Sektorabschnitte eines Kreisbogens herangezogen. Somit ist das Verfahren zur Auslegung eines Querwalz werkzeuges auch für gekrümmte Oberflächen entsprechend einsetzbar. Es lässt sich dadurch im vorhinein bestimmen, wie das Walzwerkzeug in optimaler Ausgestaltung gefertigt werden muss, ohne dass kostspielige und zeitaufwendige Werkzeugkorrekturen oder Einlauf- und Versuchsphasen hingenommen werden müssen.

Es wird ein homogener mathematisch und umformtechnisch exakter Abwälzprozess zwi schen Werkzeug und Werkstück hinsichtlich der Teilungsauslegung zu jedem Zeitpunkt des Abwälzvorganges durchgeführt, wodurch die Werkstofffließbedingungen erheblich verbessert werden, was zu einer Erhöhung der Walzteilqualität hinsichtlich Flankenform genauigkeit, Teilungsgenauigkeit und Symmetrie der Verzahnung führt. Indem das Ver fahren zur Auslegung eines Walzwerkzeuges für jede Zahnform und Größe universell einsetzbar ist, ist eine Rationalisierung der Walzwerkstückfertigung im großen Umfang möglich.

Indem die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Werkstücke während des Walzvorganges geringer beansprucht werden und die Werkstofffließbedingungen weit gehend verbessert werden, sind nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigte Werktücke genauer, langlebiger und höher belastbar.

Claims

1. Werkzeug zum Querwalzen von Verzahnungen mit
einer Anwalzzone, die eine Anzahl von Anwalzzähnen umfasst, und
einer daran angrenzenden Kalibrierzone, die eine Anzahl von Kalibrierzähnen umfasst, und
einer Auslaufzone zur Entspannung der verfahrensspezifischen Umformkräfte,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Zahnteilung zwischen einzelnen Zähnen zumindest im Bereich der Anwalzzone verschieden ist.

2. Werkzeug zum Querwalzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnteilung der Anwalzzähne zur Kalibrierzone hin abnimmt.

3. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß jede Zahnteilung in der Anwalzzone größer ist als die Zahntei lung in der Kalibrierzone.

4. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kalibrierzähne eine konstante Zahnkopfhöhe aufweisen.

5. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zahnkopfhöhe der Anwalzzähne zur Kalibrierzone hin zunimmt.

6. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zahnteilung p_u zwischen zwei Anwalzzähnen nach folgender Gleichung bestimmbar ist:
wobei
p_u Zahnteilung zwischen zwei Anwalzzähnen,
d_v Vordrehdurchmesser des Werkstückrohlings,
π Kreiszahl,
d₀ Teilkreisdurchmesser des fertig ausgebildeten Walzteiles,
s Anzahl der Umformschritte,
z Zähnezahl des Walzwerkzeuges in der Anwalzzone, und
u Nummer des jeweiligen Umformschrittes
bedeutet.

7. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zahnkopfhöhe h_u,i eines Anwalzzahnes nach folgender Glei chung bestimmbar ist:
wobei
h_u,i Zahnhöhe eines Zahnes der Anwalzzone
h_u Zahnhöhe des letzen Zahnes der Anwalzzone
Z Anzahl der Zähne der Anwalzzone,
i Nummer des Zahnes in der Anwalzzone, und
u Nummer des jeweiligen Umformschrittes
bedeutet.

8. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Länge l der Anwalzzone nach folgender Gleichung bestimmbar ist:
wobei
r Anzahl der Zähne je Umformschritt,
π Kreiszahl,
s Anzahl der Umformschritte,
z Zähnezahl des Walzwerkzeuges in der Anwalzzone,
d_v Vordrehdurchmesser des Werkstückrohlings, und
d₀ Teilkreisdurchmesser des fertig ausgebildeten Walzteiles
bedeutet.

9. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anwalz- und Kalibrierzähne auf einem Sektor der Innenseite ei nes konkaven Werkzeuges ausgebildet sind.

10. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anwalz- und Kalibrierzähne auf einem Sektor der Außenseite ei nes konvexen Werkzeuges ausgebildet sind.

11. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anwalz- und Kalibrierzähne auf einen Abschnitt eines geraden Werkzeuges ausgebildet sind.

12. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die jeweilige Zahnteilung P_u in der Anwalzzone von der jeweili gen Eindringtiefe der Anwalzzähne abhängt.

13. Werkzeug zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Anwalzzähne vollständig ausgebildete Zahnköpfe aufwei sen.

14. Verfahren zum Querwalzen von Verzahnungen mit folgenden Schritten:

a) Anfertigen eines rotationssymmetrischen Werkstückes
b) Vorwalzen von Zähnen in den Werkstückmantel, und
c) Kalibrieren der vorgewalzten Zähne,

dadurch gekennzeichnet, daß
das Vorwalzen mittels zumindest eines mit Walzzähnen versehenen Werkzeuges erfolgt, das in zumindest einem Bereich eine verschiedene Zahnteilung zwischen einzelnen Walzzähnen aufweist.

15. Verfahren zum Querwalzen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schrittes des Vorwalzens mit zunehmender Eindringtiefe der Anwalz zähne in das Werkstück die Zahnteilung der Anwalzzähne geringer wird.

16. Verfahren zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die Zahnteilung p_u zwischen zwei Anwalzzähnen nach folgen der Gleichung bestimmbar ist:
wobei
p_u Zahnteilung zwischen zwei Anwalzzähnen,
d_v Vordrehdurchmesser des Werkstückrohlings,
d₀ Teilkreisdurchmesser des fertig ausgebildeten Walzteiles,
s Anzahl der Umformschritte, und
z Zähnezahl des Walzwerkzeuges in der Anwalzzone, und
u Nummer des jeweiligen Umformschrittes
bedeutet.

17. Verfahren zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Zahnkopfhöhe h_u,i eines Anwalzzahnes nach folgender Gleichung bestimmbar ist:
wobei
h_u,i Zahnhöhe eines Zahnes der Anwalzzone,
h_u Zahnhöhe des letzen Zahnes der Anwalzzone,
Z Anzahl der Zähne der Anwalzzone,
i Nummer des Zahnes in der Anwalzzone, und
u Nummer des jeweiligen Umformschrittes
bedeutet.

18. Verfahren zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die Länge l der Anwalzzone nach folgender Gleichung be stimmbar ist:
wobei
r Anzahl der Zähne je Umformschritt,
π Kreiszahl,
s Anzahl der Umformschritte,
z Zähnezahl des Walzwerkzeuges in der Anwalzzone,
d_v Vordrehdurchmesser des Werkstückrohlings, und
d₀ Teilkreisdurchmesser des fertig ausgebildeten Walzteiles
bedeutet.

19. Verfahren zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, daß das Querwalzen mittels mehrerer Werkzeuge erfolgt, zwischen denen das Werkstück angeordnet ist.

20. Verfahren zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch ge kennzeichnet, daß das Querwalzen mittels zumindest einem Werkzeug erfolgt, bei dem die Anwalz- und Kalibrierzähne auf einem Sektor der Innenseite eines konka ven Werkzeuges ausgebildet sind.

21. Verfahren zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch ge kennzeichnet, daß die Anwalz- und Kalibrierzähne auf einem Sektor der Außen seite eines konvexen Werkzeuges ausgebildet sind.

22. Verfahren zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch ge kennzeichnet, daß die Anwalz- und Kalibrierzähne auf einen Abschnitt eines gera den Werkzeuges ausgebildet sind.

23. Verfahren zum Querwalzen nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch ge kennzeichnet, daß das Vorwalzen mittels Anwalzzähnen erfolgt, die ausgebildete Zahnköpfe aufweisen.

24. Verfahren zur Auslegung eines Werkzeuges zum Querwalzen von Verzahnungen, das einen Anwalzbereich und einen Kalibrierbereich aufweist mit folgenden Schrit ten:

a) Bestimmen des Außendurchmessers d_v des zu walzenden Werkstückes,
b) Festlegen der Anzahl z der Zähne im Anwalzbereich,
c) Berechnen der jeweiligen Zahnteilung p_u im Anwalzbereich als Funktion des Wälzkreisdurchmessers d₀ des Außendurchmessers d_v und der Anzahl z der Anwalzzähne, wobei die Berechnung der jeweiligen Zahntei lung im Anwalzbereich nach folgender Formel erfolgt:
wobei
π Kreiszahl,
p_u Zahnteilung zwischen zwei Anwalzzähnen,
d_v Vordrehdurchmesser des Werkstückrohlings,
d₀ Teilkreisdurchmesser des fertig ausgebildeten Walzteiles,
s Anzahl der Umformschritte,
z Zähnezahl des Walzwerkzeuges in der Anwalzzone, und
u Nummer des jeweiligen Umformschrittes
bedeutet.

25. Verfahren zur Auslegung eines Werkzeuges nach Anspruch 24, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren weiterhin den Schritt der Berechnung der Zahntei lung P_E der Zähne im Kalibrierbereich enthält, die nach folgender Formel erfolgt:
wobei
p_E Kalibrierzonenteilung des Werkzeuges,
U_E Umfang am Teilkreisdurchmesser des fertig ausgebildeten Walzteiles,
Z Zähnezahl des Walzteiles,
π Kreiszahl, und
d₀ Teilkreisdurchmesser des fertig ausgebildeten Walzteiles
bedeutet.

26. Verfahren zur Auslegung eines Werkzeuges nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiterhin den Schritt der Be rechnung der Länge l der Anwalzzone enthält, die nach folgender Formel erfolgt:
wobei
π Kreiszahl,
r Anzahl der Zähne je Umformschritt,
s Anzahl der Umformschritte,
z Zähnezahl des Walzwerkzeuges in der Anwalzzone,
d_v Vordrehdurchmesser des Werkstückrohlings, und
d₀ Teilkreisdurchmesser des fertig ausgebildeten Walzteiles
bedeutet.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiterhin den Schritt der Berechnung der Eindringtiefe e_0,u jedes Anwalzzahnes enthält, die nach folgender Formel erfolgt:
wobei
e_0,u Eindringtiefe am Teilkreisdurchmesser des Umformschrittes u,
d_v Vordrehdurchmesser des Werkstückrohlings, und
d_u Bezugsdurchmesser im Umformschritt u
bedeutet.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zurücksetzen der vollständig ausgebildeten Zahnprofile (4) in der Anwalzzone um einen vordefinierten Schrägungswinkel erfolgt.