DE102007036708A1

DE102007036708A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Verzahnungen

Info

Publication number: DE102007036708A1
Application number: DE102007036708A
Authority: DE
Inventors: Cornelius Dr.-Ing. Hentrich; Volker Dipl.-Ing. Keck
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2008-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen zur formschlüssigen Kraft- und Bewegungsübertragung, insbesondere zur Herstellung einer Laufverzahnung von Planetenrädern. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren folgende Schritte: a) Bereitstellung eines profiliert und massiv ausgebildeten Werkstücks aus einem metallischen Werkstoff; b) Positionierung des Werkstoffs innerhalb eines eine Negativform der Verzahnung enthaltenen Werkzeugs; und c) adiabatisches Umformen des Werkstücks zur Herstellung der Verzahnung, wobei das Umformen durch eine sehr hohe Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs auf dem Werkstück erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von Verzahnungen zur formschlüssigen Kraft- und Bewegungsübertragung, insbesondere zur Herstellung einer Laufverzahnung von Planetenrädern und ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Zahnrad.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen zur formschlüssigen Kraft- und Bewegungsübertragung, insbesondere zur Herstellung einer Laufverzahnung von Planetenrädern. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von Verzahnungen zur formschlüssigen Kraft- und Bewegungsübertragung, insbesondere zur Herstellung einer Laufverzahnung von Planetenrädern und ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Zahnrad.
Planetenräder werden in großer Anzahl in Automatikgetrieben von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Auf dem Außendurchmesser der Planentenräder befindet sich die so genannte Laufverzahnung, in der Mitte der Planetenräder eine entsprechende Bohrung. Die Fertigung der Laufverzahnung, insbesondere bei Schrägverzahnungen ist sehr aufwändig und wird in der industriellen Praxis vornehmlich durch Zerspanen hergestellt. Übliche Verfahren sind zum Beispiel Fräsen und ein anschließendes Nachwalzen oder Fräsen und ein anschließendes Schleifen des Bauteils. So beschreibt zum Beispiel die DE 36 32 260 C2 ein Verfahren zur Herstellung von schrägen Verzahnungen, bei dem ein Kaltumformen und ein Walzen zur Anwendung kommt. Des Weiteren sind umfangreiche Untersuchungen zur umformenden Verzahnungsherstellung bekannt, die aber bisher nicht zur Serienumsetzung geführt haben. Insbesondere scheiterten derartige Verfahren bisher an den hohen Qualitätsanforderungen der herzustellenden Verzahnungen, insbesondere betreffend Schrägverzahnungen von Planetenrädern. Ein weiterer Nachteil der zuletzt genannten Verfahren besteht darin, dass die Ausformung der Verzahnung nicht ausreichend zur zeichnungsgerechten Planetenraddarstellung ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches einerseits den Fertigungsaufwand für die Verzahnungsherstellung erheblich reduziert und andererseits eine anforderungsgerechte Ausformung der Verzahnungen gewährleistet.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Verzahnungen bereitzustellen, welche einerseits den Fertigungsaufwand für die Verzahnungsherstellung erheblich reduziert und andererseits eine anforderungsgerechte Ausformung der Verzahnungen gewährleistet.
Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Zahnrad bereitzustellen, welches kostengünstig hergestellt werden kann und dessen Verzahnung eine anforderungsgerechte Ausformung aufweist.
Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie ein Zahnrad mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Verzahnung zur formflüssigen Kraft- und Bewegungsübertragung, insbesondere zur Herstellung einer Laufverzahnung von Planetenrädern umfasst erfindungsgemäß folgende Schritte: a) Bereitstellung eines profiliert und massiv ausgebildeten Werkstücks aus einem metallischen Werkstoff; b) Positionierung des Werkstoffs innerhalb eines eine Negativform der Verzahnung enthaltenen Werkzeugs; und c) adiabatisches Umformen des Werkstücks zur Herstellung der Verzahnung, wobei das Umformen durch eine sehr hohe Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs auf dem Werkstück erfolgt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine anforderungsgerechte Ausformung der Verzahnung, insbesondere einer Planetenradverzahnung durch ein adiabatisches Umformen erreicht (High Speed Impact Forming – HSIF). Durch diese hohe Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs wird der Werkstoff in einen adiabatischen Zustand versetzt, in dem die Verzahnungsausformung bzw. -herstellung stattfindet. Dabei werden die atomaren Bindekräfte des metallischen Werkstoffs reduziert, so dass dieser beim Umformen leichter fließen kann. Durch die spanlose Herstellung der Verzahnung kann der Fertigungsaufwand deutlich reduziert werden. Dabei hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr gute Verzahnungsqualität erzielt wird. Zudem ergibt sich eine sehr hohe Effizienz gegenüber dem bekannten Verzahnungsfräsen. Auch ist die Werkzeugbelastung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren relativ gering gegenüber Fließpressen oder Schmieden, so dass sich deutlich höhere Standzeiten ergeben. Da das erfindungsgemäße Verfahren spanlos ist, ergibt sich zudem eine bessere Materialausnutzung, da keine Späne bei der Verzahnungsherstellung anfallen. Der verwendete Werkstoff ist üblicherweise Stahl. Auch andere Materialien, insbesondere andere Metalllegierungen sind denkbar. Zudem kann das Werkstück ein Rund-, Vierkant- oder Mehrkantprofil aufweisen und/oder rohrförmig und/oder stangenförmig ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Werkzeug aus einer Formauflage und einem Formstempel bestehen, wobei das Umformen durch eine sehr hohe Auftreffgeschwindigkeit des Formstempels auf dem Werkstück erfolgt. Die Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs trägt dabei 5 bis 40 m/s, insbesondere 10 bis 20 m/s. Zur Erzeugung derartiger Geschwindigkeiten wird das Werkzeug mittels einer Hochgeschwindigkeitspresse angetrieben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das adiabatische Umformen gemäß Verfahrensschritt c) mit einer Taktfrequenz zwischen 20 und 200 Werkstücken pro Minute. Aufgrund der so entstehenden kurzen Taktzeiten kann die Hochgeschwindigkeitspresse mit einer so genannten HSIC-Schneidpresse (High Speed Impact Cutting) kombiniert werden, wobei vor dem Verfahrensschritt a) ein adiabatisches Trennen der zu verarbeitenden Werkstücke zur Erzielung einer vordefinierten Größe der zu positionierten Werkstücke erfolgt. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch kein Materialverschnitt, so dass auch hierdurch eine erhebliche Kostenreduzierung erfolgt.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt nach dem adiabatischen Umformen gemäß Verfahrensschritt c) ein Drehen und/oder ein Entgraten und/oder Härten und/oder Schleifen und/oder Reinigen der Verzahnung zur weiteren Erhöhung der Verzahnungsqualität.
Ein erfindungsgemäßes Zahnrad mit einer Verzahnung wird hergestellt nach einem vorhergehenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren. Das Zahnrad kann dabei ein Planetenrad eines Automatikgetriebes eines Kraftfahrzeugs sein, wobei die Verzahnung insbesondere eine Schrägverzahnung ist. Ein erfindungsgemäßes Zahnrad kann kostengünstig hergestellt werden und gewährleistet eine anforderungsgerechte Ausformung der Verzahnung, insbesondere der Planetenradverzahnung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Verzahnungen zur formschlüssigen Kraft- und Bewegungsübertragung, insbesondere zur Herstellung einer Laufverzahnung von Planetenrädern umfasst eine Hochgeschwindigkeitspresse zum Antrieb mindestens eines eine Negativform der herzustellenden Verzahnungen aufweisenden Werkzeugs für ein adiabatisches Umformen eines profiliert und massiv ausgebildeten Werkstücks zur Herstellung der Verzahnung auf, wobei das Umformen durch eine sehr hohe Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs auf dem Werkstück erfolgt. Eine derartige Vorrichtung gewährleistet eine erhebliche Kostenreduzierung bei der Herstellung von Verzahnungen gegenüber bekannten Verfahren. Zudem ergeben sich gute Verzahnungsqualitäten bei einer sehr geringen Werkzeugbelastung gegenüber bekannten Vorrichtungen. Das Werkstück besteht dabei aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl und ist als Rund-, Vierkant- oder Mehrkantprofil und/oder rohrförmig und/oder stangenförmig ausgebildet. Das Werkzeug besteht üblicherweise aus einer Formauflage und einem Formstempel. Dabei beträgt die Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs 5 bis 40 m/s, insbesondere 10 bis 20 m/s. Durch die sehr hohe Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs wird der Werkstoff in einen adiabatischen Zustand versetzt, in dem die Verzahnungsausformung stattfindet. Dabei werden die atomaren Bindekräfte reduziert, so dass der Werkstoff beim Umformen leichter fließt. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Qualitätsverbesserung der herzustellenden Verzahnungen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese zudem eine HSIC-Schneidpresse (High Speed Impact Cutting) zum adiabatischen Trennen der zu verarbeitenden Werkstücke zur Erzielung einer vordefinierten Größe der Werkstücke. Dadurch ist gewährleistet, dass es zu keinem Materialverschnitt bei der Herstellung der Verzahnungen kommt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen zur formschlüssigen Kraft- und Bewegungsübertragung, insbesondere zur Herstellung einer Laufverzahnung von Planetenrädern, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellung eines profiliert und massiv ausgebildeten Werkstücks aus einem metallischen Werkstoff; b) Positionierung des Werkstoffs innerhalb eines eine Negativform der Verzahnung enthaltenen Werkzeugs; und c) adiabatisches Umformen des Werkstücks zur Herstellung der Verzahnung, wobei das Umformen durch eine sehr hohe Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs auf dem Werkstück erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Stahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ein Rund-, Vierkant- oder Mehrkantprofil aufweist und/oder rohrförmig und/oder stangenförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einer Formauflage und einem Formstempel besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen durch eine sehr hohe Auftreffgeschwindigkeit des Formstempels auf dem Werkstück erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs 5 bis 40 m/s, insbesondere 10 bis 20 m/s beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug mittels einer Hochgeschwindigkeitspresse angetrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das adiabatische Umformen gemäß Verfahrensschritt c) mit einer Taktfrequenz zwischen 20 und 200 Werkstücken pro Minute erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfahrensschritt a) ein adiabatisches Trennen der zu verarbeitenden Werkstücke zur Erzielung einer vordefinierten Größe der zu positionierenden Werkstücke erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das adiabatische Trennen mittels einer HSIC-Schneideresse (High Speed Impact Cutting) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem adiabatischen Umformen gemäß Verfahrensschritt c) ein Drehen und/oder Entgraten und/oder Härten und/oder Schleifen und/oder Reinigen der Verzahnung erfolgt.
Zahnrad mit einer Verzahnung hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
Zahnrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad ein Planetenrad eines Automatikgetriebes eines Kraftfahrzeugs ist.
Zahnrad nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung eine Schrägverzahnung ist.
Vorrichtung zur Herstellung von Verzahnungen zur formschlüssigen Kraft- und Bewegungsübertragung, insbesondere zur Herstellung einer Laufverzahnung von Planetenrädern, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Hochgeschwindigkeitspresse zum Antrieb mindestens eines eine Negativform der herzustellenden Verzahnung aufweisenden Werkzeugs für ein adiabatisches Umformen eines profiliert und massiv ausgebildeten Werkstücks zur Herstellung der Verzahnung aufweist, wobei das Umformen durch eine sehr hohe Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs auf dem Werkstück erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ein Rund-, Vierkant- oder Mehrkantprofil aufweist und/oder rohrförmig und/oder stangenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einer Formauflage und einem Formstempel besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffgeschwindigkeit des Werkzeugs 5 bis 40 m/s, insbesondere 10 bis 20 m/s beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine HSIC-Schneideresse (High Speed Impact Cutting) zum adiabatischen Trennen der zu verarbeitenden Werkstücke zur Erzielung einer vordefinierten Größe der Werkstücke aufweist.