DE102015226364A1

DE102015226364A1 - Verfahren zur umformenden Herstellung einer Verzahnung und Werkzeugvorrichtung zur Kalibrierung des Verzahnungseinlaufs und/oder Verzahnungsauslaufs

Info

Publication number: DE102015226364A1
Application number: DE102015226364.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Höhne; Jörg Brockstieger
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2017-06-22
Also published as: CN108367335B; EP3393694A1; CN108367335A; EP3393694B1; JP2019502557A; US11426785B2; WO2017108319A1; JP6797917B2; US20200261961A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung (220) an einem metallischen Werkstück (200), wobei die Verzahnung (220) umformend erzeugt wird und die umformend erzeugte Verzahnung (220) an ihrem Verzahnungseinlauf (221) und/oder Verzahnungsauslauf (222) durch einen Stauchvorgang, bei dem sowohl die Verzahnungsform als auch die Verzahnungslänge eingestellt werden, kalibriert wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Werkzeugvorrichtung zur umformenden Kalibrierung des Verzahnungseinlaufs (221) und/oder Verzahnungsauslaufs (222) einer Verzahnung (220) an einem metallischen Werkstück (200), mit: – einer Werkstückaufnahme; – einer axialbewegliche Matrize (130), die mit der Verzahnung (220) am Werkstück (200) in Eingriff gebracht werden kann; und – einem axialbeweglichen Stauchring (140), mit dem der Verzahnungseinlauf (221) und/oder Verzahnungsauslauf (222) am Werkstück (200) durch einen Stauchvorgang kalibriert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umformenden Herstellung einer Verzahnung an einem metallischen Werkstück.
Die Erfindung betrifft ferner ein Werkzeug bzw. eine Werkzeugvorrichtung zur umformenden Kalibrierung des Verzahnungseinlaufs und/oder des Verzahnungsauslaufs einer Verzahnung an einem metallischen Werkstück.
An metallischen Werkstücken können Verzahnungen spanend (bspw. durch Verzahnungsfräsen) oder umformend (bspw. durch Axialumformen oder Verzahnungswalzen) erzeugt werden. Die umformende Erzeugung einer Verzahnung hat häufig den Nachteil, dass es am Verzahnungseinlauf, insbesondere aber am Verzahnungsauslauf zu einer undefinierten Verformung kommt, wobei sich insbesondere am Verzahnungsauslauf sogenannte Verzahnungsüberstände ausbilden, die dann bspw. durch eine aufwändige spanende Nachbearbeitung entfernt werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren eingangs genannter Art anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf eine erfindungsgemäße Werkzeugvorrichtung. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an einem metallischen Werkstück sieht vor, dass die Verzahnung zunächst umformend erzeugt wird und dass dann die umformend erzeugte Verzahnung an ihrem Verzahnungseinlauf und/oder Verzahnungsauslauf durch einen Stauchvorgang, bei dem (am Verzahnungseinlauf bzw. -auslauf) sowohl die Verzahnungsform als auch die Verzahnungslänge eingestellt werden, kalibriert wird.
Die Verzahnung wird bspw. durch Axialumformen erzeugt, wobei das Werkstück und eine formgebende Matrize oder dergleichen in axialer Richtung relativ zueinander bewegt werden. Wie eingangs beschrieben kann es hierbei am Verzahnungseinlauf (erste Berührungsstelle zwischen Werkstück und Matrize, die den Verzahnungsanfang bildet) und/oder am Verzahnungsauslauf (dem Verzahnungseinlauf gegenüberliegendes Verzahnungsende) zu undefinierten Umformungen kommen, was in mehrerlei Hinsicht ungünstig ist.
Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Stauchvorgang (Umformung durch axial wirkende Druckkräfte) wird die Verzahnung (nur) am Verzahnungseinlauf und/oder am Verzahnungsauslauf kalibriert, wobei im betreffenden Bereich sowohl die Verzahnungsform (Zahn- und Zwischenraumform) als auch die Zahnlänge eingestellt werden. Etwaige Verzahnungsüberstände werden auf ein definiertes Maß gestaucht, wobei der Werkstoff nicht nur in axialer Richtung, sondern auch in radialer Richtung fließt. Dies hat ferner den Vorteil, dass auch der tragende Abschnitt bzw. die Traglänge der Verzahnung vergrößert wird, so dass gegebenenfalls die konstruktive Verzahnungslänge verringert werden kann. Nach dem Stauchvorgang ist die Verzahnung gebrauchsfertig, d. h. weitere Bearbeitungsschritte sind nicht vorgesehen (d. h. keine weiteren Bearbeitungskosten). Bei der Verzahnung kann es sich um eine Laufverzahnung handeln, insbesondere handelt es sich um eine Steckverzahnung.
Die Stauchung erfolgt nicht frei, sondern geführt. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Verzahnung beim Stauchen durch eine Matrize, die mit einer korrespondierenden Verzahnungskontur ausgebildet ist, abgestützt wird, wobei die Matrize zugleich auch die am Verzahnungseinlauf und/oder am Verzahnungsauslauf einzustellende Verzahnungsform vorgibt, d. h. der beim Stauchen in radialer Richtung fließende Werkstoff wird innerhalb der Matrize in die gewünschte Form gebracht. Abhängig davon, ob es sich bei der anfangs- und/oder endseitig zu kalibrierenden Verzahnung um eine Außenverzahnung oder Innenverzahnung handelt weist die Matrize eine korrespondierende Innenkontur oder Außenkontur auf.
Die Kalibrierung des Verzahnungseinlaufs und/oder Verzahnungsauslaufs kann nach der umformenden Erzeugung der Verzahnung in einer separaten Werkzeugvorrichtung durchgeführt werden. Bevorzugt handelt es sich dabei um eine erfindungsgemäße Werkzeugvorrichtung, wie nachfolgend noch näher erläutert, in die das zu bearbeitende bzw. zu kalibrierende Werkstück eingelegt wird.
Die Kalibrierung des Verzahnungseinlaufs und/oder Verzahnungsauslaufs kann ebenso beim umformenden Erzeugen der Verzahnung in der verzahnungserzeugenden Werkzeugvorrichtung durchgeführt werden.
Das Werkstück kann aus einem massiven Werkstoff, bspw. einem Stahlmaterial, bestehen und durch Massivumformung bearbeitet werden. Bevorzugt besteht das Werkstück aus einem Blechmaterial, bspw. einem Stahlblech, und wird durch Blechumformung bearbeitet.
Die erfindungsgemäße Werkzeugvorrichtung zur umformenden Kalibrierung des Verzahnungseinlaufs und/oder Verzahnungsauslaufs einer Verzahnung an einem metallischen Werkstück umfasst:

– eine Werkstückaufnahme, zur Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstücks;
– eine axialbewegliche Matrize, die mit der Verzahnung am zu bearbeitenden Werkstück in Eingriff gebracht werden kann und die dann einerseits die Verzahnung am Werkstück abstützt und andererseits die am Verzahnungseinlauf und/oder am Verzahnungsauslauf beim Kalibrieren einzustellende Verzahnungsform vorgibt; und
– wenigstens einen axialbeweglichen Stauchring, mit dem der Verzahnungseinlauf und/oder Verzahnungsauslauf am zu bearbeitenden Werkstück durch einen Stauchvorgang (bei dem sowohl die Verzahnungsform als auch die Verzahnungslänge eingestellt werden) kalibriert werden kann bzw. kalibriert wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Matrize und der Stauchring gemeinsam an einem axialbeweglichen Stempel befestigt sind und zur Ausführung eines Kalibriervorgangs gemeinsam bewegt bzw. angetrieben werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen einfachen und robusten Werkzeugaufbau.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Matrize und der Stauchring an unterschiedlichen Stempeln befestigt sind und separat bewegt bzw. angetrieben werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr gute Einstellbarkeit des Kalibriervorgangs.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Matrize eine konisch ausgebildete Verzahnungskontur aufweist. Durch die konische Ausbildung wird das In-Eingriff-Bringen mit der am Einlauf und/oder Auslauf der zu kalibrierenden Verzahnung am Werkstück (Werkstückverzahnung) vereinfacht. Ferner kann bereits beim In-Eingriff-Bringen eine definierte Umformung am Verzahnungseinlauf und/oder Verzahnungsauslauf erfolgen.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Matrize einen Drehfreiheitsgrad hat, so dass sich diese beim In-Eingriff-Bringen mit der Werkstückverzahnung von selbst ausrichten kann.
Ein Werkstück bzw. ein Bauteil, bspw. ein Zahnrad oder dergleichen, dass eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder mithilfe der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung hergestellte Verzahnung aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass diese umformend hergestellte Verzahnung einen form- und längenkalibrierten Verzahnungseinlauf und/oder Verzahnungsauslauf aufweist. Bevorzugt hat die Verzahnung einen geraden, d. h. nicht-angespitzten Verzahnungseinlauf und/oder -auslauf.
Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
1 zeigt in einer Schnittdarstellung ausschnittsweise eine erfindungsgemäße Werkzeugvorrichtung zur Kalibrierung eines Verzahnungsauslaufs.
2 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Detail aus der 1, entsprechend dem markierten Bereich A.
Die nachfolgend verwendeten Richtungs- und Ortsangaben beziehen sich in nicht einschränkender Weise auf die in den Figuren gezeigten Darstellungen.
Der in 1 gezeigte Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung 100 weist einen Halter 110 und einen darin längsbeweglich geführten Stempel 120 auf. Am Stempel 120 sind eine dornartige Matrize 130 und ein Stauchring 140 befestigt. Der Stempel 120 kann zusammen mit der Matrize 130 und dem Stauchring 140 in axialer Richtung L bewegt werden, wie mit dem Doppelpfeil D veranschaulicht. Mit 125 ist eine Stempelführung und -verdrehsicherung bezeichnet. Das Werkzeug 100 ist in einer Umformmaschine (bspw. eine Axialumformmaschine) eingebaut, durch die auch die Stempelbewegung D bewerkstelligt wird.
1 zeigt ferner ein Blechwerkstück 200 mit einem kragenartigen Durchzug 210, an dessen Innenumfangsfläche eine zuvor umformend erzeugte Verzahnung (Innensteckverzahnung) 220 ausgebildet ist. Die Werkstückverzahnung 220 wurde von unten nach oben erzeugt und weist einen unteren Verzahnungseinlauf 221, einen oberen Verzahnungsauslauf 222 (siehe 2) und einen dazwischen liegenden tragenden Abschnitt auf. Aufgrund der umformenden Herstellung ist es am Verzahnungsauslauf 222 zu einer undefinierten Verformung gekommen, die nun mithilfe der Matrize 130 und des Stauchrings 140 kalibriert wird. Das Werkstück 200 ist hierzu in einer zur Werkzeugvorrichtung 100 gehörenden und im Weiteren nicht dargestellten Werkstückaufnahme 150 fixiert. Der Kalibriervorgang wird nachfolgend anhand der 2 näher erläutert.
Nachdem das Werkstück 200 in die Werkstückaufnahme 150 eingelegt und fixiert wurde, wird der Stempel 120 zusammen mit der Matrize 130 und dem Stauchring 140 in axialer Richtung L nach unten bewegt, wobei zunächst die Matrize 130 in den Durchzug 210 gelangt. Die Matrize 130 ist konisch ausgebildet und weist an ihrer konischen Außenumfangsfläche eine zur Werkstückverzahnung 220 korrespondierende Verzahnungskontur 135 auf, die beim Vorwärtsbewegen des Stempels 120 mit größer werdenden Querschnitten sukzessive mit der Werkstückverzahnung 220 in Eingriff gelangt. Die Bewegungsachse L des Stempels 120 bzw. der daran befestigten Matrize 130 entspricht der Mittelachse der Werkstückverzahnung 220. Um ein Verkanten zu verhindern, verfügt die Matrize 130 innerhalb der Werkzeugvorrichtung 100 über ein geringes Drehspiel (Drehfreiheitsgrad).
Bereits während des Eindringens der Matrize 130 in die Werkstückverzahnung 220 wird der Verzahnungsauslauf 222 aufgrund deren konischen bzw. aufweitenden Ausbildung in radialer Querrichtung R umgeformt. Zum Ende der axialen Vorschubbewegung drückt der Stauchring 140 in axialer Richtung L gegen das Verzahnungsende am oberen Verzahnungsauslauf 222 der Werkstückverzahnung 220, wobei es zu einer Stauchumformung kommt, bei der der Werkstückwerkstoff sowohl in axialer Richtung L als auch in radialer Richtung R fließt und etwaige Verzahnungsüberstände zurückgeformt werden. Ferner werden die einzelnen Zahnenden der Verzahnung 220 nivelliert und befinden sich sodann in einer Ebene. Bei diesem kalibrierenden Stauchvorgang werden am Verzahnungsauslauf 222 sowohl die Verzahnungsform als auch die Verzahnungslänge auf definiertes Maß (wenigstens im Zehntel-Bereich) eingestellt.
1 und 2 zeigen jeweils das Ende der axialen Vorschubbewegung D des Stempels 120. Die Matrize 130 und der Stauchring 140 können bei entsprechender Ausgestaltung der Werkzeugvorrichtung 100 auch einzeln bewegt werden, wie obenstehend erläutert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise soll die Werkstückverzahnung 220 nicht im Gesamten, sondern nur bereichsweise, d. h. am Verzahnungsauslauf 222 (wie vorausgehend erläutert) und/oder am Verzahnungseinlauf 221, kalibriert werden. Beim Kalibrieren kann die Verzahnung 220 in den nicht zu kalibrierenden Abschnitten abgestützt werden, um eine ungewollte Verformung zu verhindern.
Ausgehend von der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsmöglichkeit für die Kalibrierung eines Verzahnungsauslaufs liegt die werkzeugbauliche und prozessuale Umsetzung für das Kalibrieren eines Verzahnungseinlaufs oder für eine im Wesentlichen gleichzeitige Kalibrierung des Verzahnungsein- und -auslaufs im Bereich fachmännischen Könnens.
Bezugszeichenliste

100: Werkzeugvorrichtung
110: Halter
120: Stempel
125: Stempelführung
130: Matrize
135: Verzahnungskontur
140: Stauchring
150: Werkstückaufnahme
200: Werkstück
210: Durchzug
220: Verzahnung
221: Verzahnungseinlauf
222: Verzahnungsauslauf
A: Detail
D: Stempelbewegung
L: Bewegungsachse (axiale Richtung)
R: radiale Richtung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung (220) an einem metallischen Werkstück (200), wobei die Verzahnung (220) umformend erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die umformend erzeugte Verzahnung (220) an ihrem Verzahnungseinlauf (221) und/oder Verzahnungsauslauf (222) durch einen Stauchvorgang, bei dem sowohl die Verzahnungsform als auch die Verzahnungslänge eingestellt werden, kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (220) beim Stauchen durch eine Matrize (130) abgestützt wird, wobei die Matrize (130) zugleich auch die am Verzahnungseinlauf (221) und/oder Verzahnungsauslauf (222) einzustellende Verzahnungsform vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung des Verzahnungseinlaufs (221) und/oder Verzahnungsauslaufs (222) in einer separaten Werkzeugvorrichtung (100) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung des Verzahnungseinlaufs (221) und/oder Verzahnungsauslaufs (222) noch in der verzahnungserzeugenden Werkzeugvorrichtung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (200) aus einem Blechmaterial besteht.
Werkzeugvorrichtung (100) zur umformenden Kalibrierung des Verzahnungseinlaufs (221) und/oder Verzahnungsauslaufs (222) einer Verzahnung (220) an einem metallischen Werkstück (200), umfassend: – eine Werkstückaufnahme (150), zur Aufnahme des Werkstücks (200); – eine axialbewegliche Matrize (130), die mit der Verzahnung (220) am Werkstück (200) in Eingriff gebracht werden kann und welche einerseits die Verzahnung (220) am Werkstück (200) abstützt und andererseits die am Verzahnungseinlauf (221) und/oder Verzahnungsauslauf (222) beim Kalibrieren einzustellende Verzahnungsform vorgibt; und – wenigstens einen axialbeweglichen Stauchring (140), mit dem der Verzahnungseinlauf (221) und/oder Verzahnungsauslauf (222) am Werkstück (200) durch einen Stauchvorgang kalibriert werden kann.
Werkzeugvorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (130) und der Stauchring (140) gemeinsam an einem axialbeweglichen Stempel (120) befestigt sind und zur Ausführung eines Kalibriervorgangs gemeinsam bewegt werden.
Werkzeugvorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (130) und der Stauchring (140) an unterschiedlichen Stempeln befestigt sind und separat bewegt werden.
Werkzeugvorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (130) eine konisch ausgebildete Verzahnungskontur (135) aufweist.
Werkzeugvorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (130) einen Drehfreiheitsgrad hat.