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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ein Verzahnungsprofil aufweisenden Bauteils / Getriebebauteils, vorzugsweise einer Zahnstange. Das Bauteil ist weiter bevorzugt als eine in einem Kraftfahrzeug (etwa in einem Lenkgetriebe) eingesetzte Lenkstange ausgebildet.
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Im Allgemeinen sind bereits verschiedene Kaltumformverfahren bekannt, in denen das zu bearbeitende Bauteil zwischen zumindest zwei beabstandeten Bestandteilen eines Rollwerkzeugs aufgenommen und entsprechend deren Geometrie formgebend bearbeitet wird. Beispiele hierzu sind mit der
DE 1 237 051 A , der
US 716 241 A und der
US 2 782 663 A bekannt.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hat es sich jedoch herausgestellt, dass die verwendeten Werkzeugvorrichtungen und die damit realisierten Herstellverfahren von verzahnten Bauteilen relativ aufwändig umgesetzt sind.
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Aus der
EP 0 860 225 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrs zu einem Werkstück bekannt, wobei das Werkstück mit anschließender maschineller Bearbeitung zu einer Zahnstangenwelle geformt werden kann, mit folgenden Schritten:
- a. Bereitstellen eines linearen Metallrohrs, das einen sich in Längsrichtung erstreckenden axialen Durchgang und eine Achse aufweist und das an einer Halterung angebracht ist, die für eine Hin- und Herbewegung angebracht ist, um eine axiale Bewegung des linearen Metallrohrs zu bewirken;
- b. Bereitstellen einer Arbeitswalze, die für eine Drehung um eine Drehachse senkrecht zu der Achse des Metallrohrs angebracht ist und eine Außenfläche aufweist, die einen bogenförmigen, formgebenden, glatten Oberflächenabschnitt umfasst, der nach au-ßen von der Drehachse beabstandet ist; und
- c. Bewegen des Halters, um eine axiale Bewegung des Rohrs durch eine Antriebseinrichtung zu bewirken, während gleichzeitig die Arbeitswalze durch die Antriebseinrichtung synchron mit der axialen Bewegung des Rohrs gedreht wird, so dass sich der formende Abschnitt der Walze mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Rohr bewegt und an der Außenfläche des Rohrs angreift, um einen Abschnitt des Rohrs nach innen zu verformen, um eine flache Rohroberfläche bereitzustellen, die sich entlang der Länge des Rohrs erstreckt, um das Werkstück zu erzeugen.
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Aus der
EP 3 481 700 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei separate Segmente, umfassend zumindest ein jeweils stangenförmiges Zahnsegment und ein Schaftsegment, bereitgestellt, auf einer gemeinsamen Längsachse ausgerichtet und an einer Fügestelle miteinander verbunden werden, mit folgenden weiteren Schritten:
- - Bereitstellen eines Rohmaterialstücks mit einer Stücklänge von einem Mehrfachen einer Segmentlänge,
- - Thermisches Durchlaufhärten des Rohmaterialstücks über ein Mehrfaches der Segmentlänge zur Herstellung eines gehärteten Segment-Halbzeugs,
- - Ablängen eines gehärteten Segments von dem gehärteten Segment-Halbzeug,
- - Bereitstellen eines weiteren Segments, und
- - Fügen des gehärteten Segments mit einem weiteren Segment.
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Aus der
EP 0 344 117 ist ein Umformungsverfahren zur Herstellung von Nuten in Einsteckenden von Bohr- und Meisselwerkzeugen bekannt, bei welchem in das Einsteckende der Werkzeuge wenigstens zwei Nuten in ihrer vollen Tiefe mittels einer der Anzahl von Nuten entsprechenden Anzahl von Segmenten in einem einzigen Durchgang gleichzeitig eingewalzt werden, wobei die Segmente sich je um eine Achse, die in einer senkrecht zur Achse des Einsteckendes stehenden Ebene liegt, verdrehen und zwischen Einsteckende und Achsen der Segmente parallel zur Achse des Einsteckendes eine Relativbewegung erfolgt, und wobei bei wenigstens einem Teil der Nuten am Nutengrund eine, das Fließen des Werkstoffes in Achsrichtung des Einsteckendes verhindernde, Profilierung mit im Wesentlichen in Achsrichtung des Einsteckendes wirkenden Anschlagflächen eingewalzt wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung eines Zahnprofils an einem Bauteil mit möglichst einfachen Mitteln durchzuführen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist ein Verfahren zur Herstellung eines ein Verzahnungsprofil aufweisenden Bauteils beansprucht, wobei in einem ersten Schritt a) ein Bauteilrohling in eine Halterung einer Werkzeugvorrichtung, zur Aufnahme einer Presskraft bei einer Bewegung eines Pressenteils der Werkzeugvorrichtung in einer vertikalen Verschieberichtung, eingesetzt wird, und in einem zweiten Schritt b) das Verzahnungsprofil unter Verwendung eines über eine Gelenkstange (im Sinne eines Pleuels / einer Pleuelstange) mit dem Pressenteil gekoppelten Rotationskörpers in den Bauteilrohling eingedrückt wird, wobei der Rotationskörper bei der Bewegung des Pressenteils in der Verschieberichtung in Richtung des Bauteilrohlings gedrückt wird und an dem Bauteilrohling entlangrollt, sodass das Verzahnungsprofils ausgebildet wird.
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Dem entsprechend wird die Aufgabe bei einer erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 9 gelöst, wobei die beanspruchte Werkzeugvorrichtung zum Herstellen eines ein Verzahnungsprofil aufweisenden Bauteils ausgebildet ist und ein vertikalverschiebbares Pressenteil, eine zur Aufnahme eines Bauteilrohlings vorbereitete Halterung, einen Rotationskörper und eine den Rotationskörper mit dem Pressenteil koppelnde Gelenkstange aufweist, wobei die Gelenkstange den Rotationskörper derart mit dem Pressenteil verbindet, dass bei einer Vertikalverschiebung des Pressenteils zur Ausbildung des Verzahnungsprofils der Rotationskörper in Richtung des Bauteilrohlings gedrückt wird und an dem Bauteilrohling / einem Außenumfangs des Bauteilrohlings entlangrollt.
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Durch eine derartige Herstellung des Verzahnungsprofils werden möglichst wenige Bauteile zum fertigen Ausformen des Bauteils benötigt. Dadurch wird zum einen der Aufbau der Werkzeugvorrichtung wesentlich vereinfacht, zum anderen das Herstellverfahren möglichst effizient umgesetzt. Insbesondere zum Realisieren unterschiedlicher Verzahnungen braucht bevorzugt lediglich der Rotationskörper ausgetauscht werden.
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Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demnach ist es auch von Vorteil, wenn der Rotationskörper (vorzugsweise an seiner radialen Außenseite) unmittelbar eine Negativform des Verzahnungsprofils aufweist. Dadurch wird der Aufbau weiter vereinfacht, wobei das Verzahnungsprofil über das unmittelbare Andrücken des Rotationskörpers an den Bauteilrohling in den Bauteilrohling eingedrückt wird.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Werkzeugvorrichtung als ein Stufenwerkzeug / eine Stufenpresse umgesetzt ist. Dadurch werden besonders präzise Verzahnungsprofile ausgebildet.
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Ist das Stufenwerkzeug in der Art ausgebildet, dass das Verzahnungsprofil in mehreren Stufen ausgebildet wird, wird die Herstelleffizienz gesteigert.
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Demzufolge ist es auch vorteilhaft, wenn das Verzahnungsprofil in mehreren Kaltumformstufen ausgebildet wird, wobei jede Kaltumformstufe einen über eine Gelenkstange mit dem Pressenteil gekoppelten Rotationskörper aufweist. Dadurch wird die Herstelleffizienz weiter gesteigert.
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Diesbezüglich ist es ebenfalls von Vorteil, wenn sich die Rotationskörper der verschiedenen Kaltumformstufen in einem Verzahnungsdurchmesser und/oder einer Verzahnungstiefe unterscheiden.
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Ist der Bauteilrohling länglich, etwa als Zahnstangenrohling, ausgebildet und in dem ersten Schritt (mit seiner Längsachse) schräg zu der vertikalen Verschieberichtung des Pressenteils eingesetzt, kann der Rotationskörper möglichst verschleißarm an dem Bauteilrohling entlangrollen.
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Von Vorteil ist es zudem, wenn der Bauteilrohling (in Bezug auf seine Längsachse) in dem ersten Schritt a) in einem Winkel zwischen 20° und 50°, bevorzugt zwischen 25° und 35°, etwa 30°, relativ zu einer Horizontalebene eingesetzt wird. Jene Horizontalebene befindet sich wiederum senkrecht zu der vertikalen Verschieberichtung des Pressenteils. Dadurch ergibt sich eine möglichst verschleißarme Aufnahme des Rotationskörpers an der Gelenkstange.
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Ebenfalls ist es zweckmäßig, wenn der Rotationskörper in seiner Abrollbewegung in einem Gehäuse, das weiter bevorzugt mit einem die Halterung aufnehmenden Sockel weiter verbunden ist, geführt ist. Dadurch ergibt sich eine robuste Lagerung des Rotationskörpers.
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Diesbezüglich ist es auch vorteilhaft, wenn der Rotationskörper mittels einer Lagerwelle mit der Gelenkstange verbunden ist und/oder in dem Gehäuse (vorzugsweise schräg zu der vertikalen Verschieberichtung des Pressenteils) geführt ist.
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Ist der vorzugsweise als Rolle umgesetzte Rotationskörper an lediglich einem Teil seines Außenumfangs die Negativform des Verzahnungsprofils auf, ist dieser möglichst robust abstützbar.
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Weiter bevorzugt ist der Rotationskörper zum Ausformen unregelmäßiger Verzahnungsprofile ausgebildet.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, wird somit erfindungsgemäß in einem Stufenwerkzeug bevorzugt eine kaltumgeformte Zahnstange hergestellt, wobei das Verzahnungsprofil durch das Abrollen einer formgebenden Rolle (Rotationskörper) erzeugt wird, und wobei erfindungsgemäß die Vertikalbewegung der Presse (Pressenteil) über ein Pleuel (Gelenkstange) in eine Abrollbewegung umgewandelt wird. Es gibt somit ein Profil, das von einem Roller abgerollt wird, so dass das Profil in das Werkstück gedrückt wird, wobei der Roller über eine Art Pleuel bewegt wird.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer teilweise dargestellten, erfindungsgemäß ausgebildeten und eingesetzten Werkzeugvorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei ein in der Werkzeugvorrichtung eingesetzter Rotationskörper und eine diesen Rotationskörper mit einem vertikal verschiebbaren Pressenteil koppelnde Gelenkstange gut zu erkennen sind,
- 2 eine perspektivische Detaildarstellung der Werkzeugmaschine nach 1 im Bereich des Rotationskörpers und eines mit Hilfe des Rotationskörpers zu bearbeitenden Bauteilrohlings,
- 3 eine perspektivische Darstellung einer mittels der Werkzeugvorrichtung nach 1 hergestellten Zahnstange, sowie
- 4 ein schematisches Flussdiagramm zum Umsetzen eines erfindungsgemäßen Herstellverfahrens unter Verwendung der Werkzeugvorrichtung nach 1.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Mit 3 ist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren fertig hergestelltes Bauteil 10 in Form einer Zahnstange zu erkennen. Das Bauteil 10 ist konkret als Lenkstange umgesetzt und folglich bevorzugt in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungen ist das Bauteil 10 jedoch auch als ein anderes mit einem Verzahnungsprofil 5 ausgebildetes Bauteil 10, bspw. als ein Zahnrad, umgesetzt.
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Das fertig hergestellte Bauteil 10 weist in der vorliegenden Ausführung aufgrund seiner Ausbildung als Zahnstange in einem Längsabschnitt ein Verzahnungsprofil 5 auf, das in dieser 3 als Schrägverzahnung dargestellt ist. In den 1 und 2 ist das Verzahnungsprofil 5 hingegen als Geradverzahnung dargestellt, wobei prinzipiell unterschiedlichste Verzahnungen / Verzahnungsprofile 5, vorzugsweise auch unregelmäßige Verzahnungsprofile 5, durch das nachfolgend beschriebene Herstellverfahren umsetzbar sind.
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Mit den 1 und 2 wird eine zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Werkzeugvorrichtung 4 veranschaulicht, mittels derer das Bauteil 10 nach 3 herstellbar ist. Die Werkzeugvorrichtung 4 ist als ein Stufenwerkzeug / eine Stufenpresse realisiert. Eine Herstellstufe ist in 1 anschaulich zu erkennen.
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Mit 1 ist zu erkennen, dass die Werkzeugvorrichtung 4 einen Sockel 14 aufweist, der eine Horizontalebene 12 festlegt / sich in dieser Horizontalebene 12 erstreckt. Relativ zu dem Sockel 14 ist ein Pressenteil 3 in einer vertikalen Verschieberichtung V, d.h. senkrecht zu der Horizontalebene 12, bewegbar. Durch eine Bewegung des Pressenteils 3 wird im Betrieb der Werkzeugvorrichtung 4 eine das Verzahnungsprofil 5 ausbildende Umformkraft erzeugt / übertragen.
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An dem Sockel 14 ist eine zur Abstützung einer durch das Pressenteil 3 übertragenen Presskraft ausgebildete Halterung 2 aufgenommen. Die Halterung 2 ist ferner derart ausgebildet, dass an ihr ein zu fertigender Bauteilrohling 1 (hier in Form eines Zahnstangenrohlings) schräg zu der Verschieberichtung V einspannbar ist und in 1 auch bereits in dieser Lage eingespannt ist. In dem in 1 dargestellten eingespannten Zustand des Bauteilrohlings 1 ist dieser Bauteilrohling 1 in Bezug auf seine Längsachse 15 in einem Winkel 11 von 30° relativ zu der Horizontalebene 12 geneigt eingespannt / eingesetzt.
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Zum kaltumformtechnischen Ausbilden des Verzahnungsprofils 5 ist ein eine Negativform 6 des Verzahnungsprofils 5 aufweisender Rotationskörper 7 in Form einer Rolle vorgesehen. Der Rotationskörper 7 ist drehbar an einem Ende einer gemäß einem Pleuel eingesetzten Gelenkstange 8 gelagert. Die Gelenkstange 8 dient dabei zur Bewegungskoppelung des Rotationskörpers 7 mit dem Pressenteil 3. Demnach ist die Gelenkstange 8 ist mit ihrem dem Rotationskörper 7 abgewandten Ende drehbar an dem Pressenteil 3 angebracht.
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Ferner ist der Rotationskörper 7 entlang einer Längsachse 15 des eingespannten Bauteilrohlings 1 in einem Gehäuse 9 der Werkzeugvorrichtung 4 verschiebbar geführt. Wie diesbezüglich in 2 bspw. zu erkennen, ist der Rotationskörper 7 auf einer Lagerwelle 13 aufgenommen. Diese Lagerwelle 13 ist sowohl mit ihren aus dem Rotationskörper 7 hervorstehenden Bereichen in dem Gehäuse 9 geführt als auch an der Gelenkstange 8 gelagert.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Gelenkstange 8 doppelarmig ausgebildet ist und zu je einer Seite des Rotationskörpers 7 ein Arm an der Lagerwelle 13 gelagert.
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Erfindungsgemäß ist der Rotationskörper 7 somit derart über die Gelenkstange 8 an dem Pressenteil 3 aufgenommen, dass es bei einer vertikalen Verschiebebewegung des Pressenteils 3 (Bewegung entlang der Verschieberichtung V) zu einem direkten Anpressen / Einpressen des Rotationskörpers 7 mit seiner Negativform 6 (auch als Negativprofil bezeichnet) an / in den Bauteilrohling 1 kommt und somit das Verzahnungsprofil 5 kaltumformtechnisch eingedrückt wird. Zugleich rollt der Rotationskörper 7 während der Bewegung des Pressenteils 3 entlang der Verschieberichtung V an dem Bauteilrohling 1 entlang.
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Mit 4 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren schematisch veranschaulicht. In einem ersten Schritt a) wird der Bauteilrohling 1 in die Halterung 2 eingespannt / eingesetzt. Im Anschluss wird in einem zweiten Schritt b) das Verzahnungsprofil 5 auf die bereits beschriebene Art und Weise ausgeformt. Demnach wird das Verzahnungsprofil 5 durch ein Verschieben des Pressenteils 3 auf den Bauteilrohling 1 zu und damit durch das Eindrücken des Rotationskörpers 7 in den Bauteilrohling 1 ausgebildet.
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In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass es bevorzugt in mehreren einzelnen Herstellstufen / Kaltumformstufen zum fertigen Ausbilden des Verzahnungsprofils 5 kommt. Hierbei werden dann bevorzugt an mehreren (hinter oder vor der Zeichnungsebene der 1 befindlichen) Stationen / Kaltumformstufen unterschiedlich dimensionierte Rotationskörper 7 eingesetzt, die wiederum über eine entsprechende Gelenkstange 8 mit dem Pressenteil 3 verbunden sind. Die Rotationskörper 7 unterscheiden sich dabei insbesondere in ihrem Verzahnungsdurchmesser bzw. ihrer Verzahnungstiefe ihrer Negativform 6. Folglich wird bevorzugt in einem ersten Teilschritt das Verzahnungsprofil 5 mit einer ersten Tiefe hergestellt und in zumindest einem weiteren, zweiten Schritt das Verzahnungsprofil 5 mit einer zweiten Tiefe weiter ausgeformt / hergestellt. Dementsprechend lassen sich beliebig viele Kaltumformstufen realisieren, bis schließlich das Bauteil 10 nach 3 fertiggestellt ist und in einem Schritt c) aus der Werkzeugvorrichtung 4 entnommen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteilrohling
- 2
- Halterung
- 3
- Pressenteil
- 4
- Werkzeugvorrichtung
- 5
- Verzahnungsprofil
- 6
- Negativform
- 7
- Rotationskörper
- 8
- Gelenkstange
- 9
- Gehäuse
- 10
- Bauteil
- 11
- Winkel
- 12
- Horizontalebene
- 13
- Lagerwelle
- 14
- Sockel
- 15
- Längsachse
- V
- vertikale Verschieberichtung
