DE10209754A1

DE10209754A1 - Verfahren und Werkzeug zum Fertigziehen präziser doppelwandiger Blechnocken sowie ein danach hergestellter Blechnocken

Info

Publication number: DE10209754A1
Application number: DE10209754A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Kluge
Original assignee: FORSCH TRANSFERZENTRUM EV AN D
Current assignee: FORSCH TRANSFERZENTRUM EV AN D
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2003-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fertigziehen präziser doppelwandiger Blechnocken für Nockenwellen, insbesondere für zusammengesetzte Nockenwellen mit geringem Gewicht zur Verwendung in Brennkraftmaschinen und anderen Maschinen, wobei die Nocken als dünnwandige Blechnocken ausgebildet sind. DOLLAR A Bei dem Verfahren wird eine mittels Schneid- und Umformstufen hergestellte Zwischenform des Blechnockens im Werkzeug aufgenommen und durch einen Abstreckring in die endgültige fertige Form gebracht. DOLLAR A Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens sowie ein danach hergestellter Blechnocken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fertigziehen präziser doppelwandiger Blechnocken für Nockenwellen, insbesondere für zusammengesetzte Nockenwellen mit geringem Gewicht zur Verwendung in Brennkraftmaschinen und anderen Maschinen, wobei die Nocken als dünnwandige Blechnocken ausgebildet sind.
Nockenelemente sind seit langem bekannt und werden zur Steuerung von Bewegungs- und Zeitabläufen verwendet. Während Nockenmasse und deren Trägheitsmoment bei langsam laufenden Einrichtungen nur geringe Auswirkungen haben, ziehen diese bei Brennkraftmaschinen, bei denen Nocken einer hohen Rotationsgeschwindigkeit unterliegen, Konsequenzen nach sich. Diese liegen zum einen in der Gewichtsreduzierung und zum anderen in einem ökonomischen Herstellungsverfahren.
Derartige Nocken sind heute aus Stahl-Vollmaterial und mit einer Bohrung zur Befestigung auf der Welle versehen. Sie werden durch Aufweiten eines Rohres, durch Schrumpfen oder Pressen auf Rohr oder Vollwellen, durch Kleben oder Schweißen zusammengefügt. Es ist versucht worden, durch weitere Bohrungen oder T-förmige Querschnitte das Gewicht der Nocken zu verringern. Dies führt zu einem erhöhten Fertigungsaufwand.

Aus der DE 196 40 872 C2 ist ein Nocken bekannt, der durch ein Umformverfahren aus einem ebenen Blech erzeugt wird und aus einem Innenbord, einem Außenbord und einem dazwischenliegenden Steg besteht. Der Innenbord sitzt auf der Tragwelle und der Außenbord gibt die Bahn des Gleitschuhs vor.

Blechnocken für gebaute Nockenwellen können aus einem rotationssymmetrischen oder nichtrotationssymmetrischen Innenbord und einem nockenförmigen Außenbord bestehen.

Beide Borde werden durch einen rechtwinkligen Boden verbunden, so daß ein einseitig geöffneter Hohlkörper (Blechnapf) besteht.

Derartige Nocken weisen auf der dem Nockenberg gegenüberliegenden Seite einen sehr geringen Abstand zwischen Innen- und Außenbord auf. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Nockenherstellung, insbesondere bei kleinen Nocken mit Grundkreisen mit geringem Durchmesser, weil die Verformungsbeanspruchungen zu hoch sind, wenn die radiale Erstreckung des Grundkreises sich dem Rohrradius plus zweimal der Materialdicke nähert. In diesen Fällen wird der Formstempel zu dünn, um den notwendigen Verformungsbelastungen zu widerstehen. An dieser Stelle setzt die Erfindung ein.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und ein Werkzeug zu schaffen, mit denen es möglich ist, präzise Blechnocken mit hoher Endformnähe umformtechnisch zu fertigen, die keiner oder nur geringer Nacharbeit bedürfen und die im Bereich zwischen Innen- und Außenbord auf der dem Nockenberg abgewandten Seite geringe Abstände aufweisen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Hauptansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Mittels einer speziellen Kombination an sich bekannter Umformverfahren und unter Nutzung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges zum Fertigziehen wird es möglich, präzise Blechnocken mit hoher Endformnähe umformtechnisch zu fertigen, die keiner oder nur geringförmigen Nacharbeit bedürfen.

Danach sind zwei Optionen der Ausführung eines nockenförmigen Außenbords zu unterscheiden:

1. Gleichmäßigkeit der Wanddicke des Außenbords entlang der Nockenkontur.
2. Konturvariable Wanddicke des Außenbords gemäß der äußeren dynamischen Beanspruchung des Nockens während des Motorbetriebes.

Die Präzision des Blechnockens ist durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:

- Form- und maßgenaue Konturen der Innen- und Außenflächen beider Borde
- Kleiner Abstand des Außenbordes vom Innenbord - bis etwa 1,5 mm
- Ebenheit des Bodens und Rechtwinkligkeit zu beiden Borden
- Form- und maßgenaue Lage des Innenbordes zum Außenbord
- Realisierung von Bodenradien < 0,5 mm
- Realisierung kleiner Rauheiten der Bordflächen Rz < 0,5 µm

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 Arbeitsschrittfolge Nockenfertigung;

Fig. 2 Prinzipdarstellung des Werkzeugs;

Fig. 3 Einbau des Abstreckringes;

Fig. 4 Blechnocken.

Die Fig. 1 zeigt den technologischen Ablauf zur Nockenfertigung. Dieser besteht aus den Stufen

a) Zuschnitt schneiden
b) Zuschnitt lochen
c) Aufstellen des Innenbordes 17
d) Kalibrieren des Flanschradius
e) Abstreckgleitziehen des Innenbordes 17
f) Tiefziehen des Außenbordes 16
g) Beschneiden des Außenbordes 16
h) Nachziehen des Außenbordes 16
i) Kalibrieren des Bodens und des Innenbordes 17 und
j) Fertigziehen des Außenbordes 16

Je nach Anforderung kann auf die Kalibrierung des Bodens und des Innenbodens verzichtet werden. Die Fertigung kann beispielsweise auf einer Stufenpresse mit 35 bis 40 Hüben pro Minute erfolgen.
Die im vorhergehenden Abschnitt genannten Eigenschaften werden insbesondere durch das Fertigziehen mit einem Werkzeug verwirklicht, das folgende Funktionen aufweist.
Die mit Hilfe der Schneid- und Umformstufen a) bis j) vorgefertigte Zwischenform des Blechnockens 4 mit vorgeformtem Innenbord 17 und Außenbord 16 wird vom Stempel 1 aufgenommen, wobei die Außenfläche des Innenbordes 17 und die Innenfläche des Außenbordes 16 von der Stempelkontur vorzentriert werden. Dabei ist der Stempel 1 ruhend mit der Werkzeuggrundplatte und dem Pressentisch verbunden (Fig. 2).
Der Führungsring 3 des Werkzeugoberteils und der Gegenhalter 5 befinden sich zunächst noch oberhalb des Stempels 1 mit dem Werkstück (Zwischenform des Blechnockens 4).
Beim Niedergang des Werkzeugoberteils wird das Führungselement des Gegenhalters 6 von der Innenfläche des Innenbordes 17 und vom Stempel 1 sowie die Außenflächen des Außenbordes 16 vom Führungsring 3 aufgenommen.
Der Gegenhalter 5 des Fertigziehwerkzeuges ist an der Gegenhaltefläche mit einer Ringzacke 8 versehen, die beim Aufsetzen auf die Bodenfläche 15 mit hinreichend großer Kraft in diese eindringt, eine Normalspannung auf die Bodenfläche 15 auslöst und damit kleinste Bodenradien an der Stempelberührungsfläche ermöglicht und das Nachgleiten des Werkstoffes aus dem Innenbord 17 des Blecknockens 4 verhindert.
Die sich mit der Nockenbodenfläche 15 berührenden Stempelradien können mit je einer Ringwulst von kleiner Höhe (0,2 bis 0,5 mm) und kleiner Breite (0,4 bis 0,7 mm) versehen sein, damit der Prägeeffekt noch verbessert wird.
Die auf diese Weise von den Werkzeugaktivteilen Stempel 1, Gegenhalter 5 und Führungsring 3 aufgenommene Zwischenform des Blechnockens 4 kann beim nachfolgenden Abstreckgleitziehen hohe Radialspannungen bei kleinem Bordabstand (1,5 mm) aufnehmen, ohne daß ein Stempelbruch eintritt.
Bei weiterem Niedergang des Werkzeugoberteils wird mit dem Abstreckring 2 die Dicke des Außenbordes 16 reduziert.
Der nach dem Abstreckring 2 angeordnete Zentrierring 7, der allein aus gehärtetem Werkzeugstahl besteht und an der Zentrierfläche mit einer Schicht aus einem Werkstoff mit Notlaufeigenschaften versehen sein kann, sorgt beim Rücktransport des Blechnockens 4 durch den Gegenhalter 5 dafür, daß keine Oberflächenmängel an der Außenfläche des Außenbordes 16 auftreten. Einen danach hergestellten Blechnocken 4 zeigt die Fig. 4.
Wird am Außenbord 16 die Option 1 gleiche Wanddicke angestrebt, ist der Abstreckring 2 zusammen mit dem Zentrierring 7 mit und seiner Armierung schwimmend zu lagern, um auch geringfügigste Führungsgenauigkeiten des Werkzeuggrundkörpers 9 nicht auf die Außenborddicke zu übertragen. Werkzeuggrundkörper 9 und Armierungsring 13 besitzen dafür ausreichend Spiel (Korrekturspalt 10). Gekerbte Elastomer-Elemente 12 sorgen während des Abstreckens des Außenbordes 16 für eine geringfügige horizontale Verschiebbarkeit des Abstreck- 2 und Führungsringes 3 (Fig. 3 - Option 1).
Zwischen Abstreckring 2 und Zentrierring 7 sowie zwischen Zentrierring 7 und Armierungsring 13 sind Sicherungsfedern angeordnet, die ein Verdrehen untereinander verhindern.
Zur Realisierung einer konturvariablen Wanddicke des Außenbordes 16 (Option 2) wird die genaue Zuordnung von Stempel 1 und Abstreckring 2 mit Hilfe eines Hilfsstempels vorgenommen, der die Paßform der Außenkontur des Nockens besitzt (Fig. 3 - Option 2).
Die Montage von Zentrierring 7, Führungsring 3, Abstreckring 2 und Armierungsring 13 wird dann mit dem Werkzeugoberteil eingebauten und in den Abstreckring 2 eingefahrenen Hilfsstempel vorgenommen. Ein Spalt zwischen Armierungsring 13 und Werkzeuggrundkörper 9 wird in diesem Montagezustand mit Gießharz 14 verfüllt. Bezugszeichenaufstellung 1 Stempel
2 Abstreckring
3 Führungsring
4 Blechnocken
5 Gegenhalter
6 Führungselement des Gegenhalters
7 Zentrierring
8 Ringzacke
9 Grundkörper
10 Korrekturspalt
11 Sicherungsfedern
12 Elastomer-Element
13 Armierungsring
14 Gießharzfüllung
15 Bodenfläche
16 Außenbord
17 Innenbord

Claims

1. Verfahren zum Fertigziehen präziser doppelwandiger Blechnocken für zusammengesetzte Nockenwellen mit geringem Gewicht, wobei die Nocken als dünnwandige Nocken ausgebildet sind und durch Bearbeitung von Metallblech mittels Schneid- und Umformstufen hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
eine mittels Schneid- und Umformstufen vorgefertigte Zwischenform des Blechnockens (4) mit vorgeformtem Innen- (17) und Außenbord (16) vom Stempel (1) aufgenommen wird, wobei die Innenfläche des Außenbordes (16) und die Außenfläche des Innenbordes (17) von den Stempelkonturen vorzentriert werden,
das Führungselement des Gegenhalters (5) von der Innenfläche des Innenbordes (17) und vom Stempel (1) sowie die Außenfläche des Außenbordes (16) von einem Führungsring (3) beim Niedergang des Werkzeugoberteils aufgenommen wird,
eine an der Gegenhaltefläche des Gegenhalters (5) angeordnete Ringzacke (8) beim Aufsetzen auf die Nockenbodenoberfläche mit hinreichend großer Kraft in diese eindringt und eine Normalspannung auf die Bodenfläche (15) auslöst,
und die Dicke des Außenbordes (16) beim weiteren Niedergang des Werkzeugoberteils mittels eine Abstreckringes (2) reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Werkzeugaktivteilen Stempel (1), Gegenhalter (5) und Führungsring (3) aufgenommene Zwischenform beim Abstreckgleitziehen hohe Radialspannungen aufnimmt.

3. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens zum Fertigziehen präziser doppelwandiger Blechnocken bestehend aus einem Werkzeugoberteil und einem Werkzeugunterteil mit einem ruhenden Stempel, wobei das Werkzeugunterteil mit einem Pressentisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenhalter (5) des Werkzeuges zum Fertigziehen an seiner Gegenhaltefläche mit einer Ringzacke (8) versehen ist.

4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Nockenbodenfläche (15) in Berührung kommende Stempelradienbereiche ringwulstartig ausgebildet sind, wobei die Ringwulst Abmessungen in kleiner Höhe im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm und kleiner Breite im Bereich von 0,4 bis 0,7 mm aufweist.

5. Werkzeug nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Abstreckring (2) angeordnete Zentrierring (7) aus gehärtetem Werkzeugstahl besteht und auf seiner Oberfläche mit einer Schicht eines Notlaufeigenschaften aufweisenden Werkstoffes versehen ist.

6. Werkzeug nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Außenbordes (16) mit gleicher Wanddicke der Abstreckring (2) zusammen mit dem Zentrierring (7) und seiner Armierung schwimmend gelagert ist, wobei zwischen Grundkörper (9) und Armierungsring (13) ein Korrekturspalt (10) und diametral gegenüberliegende gekerbte Elastomer-Elemente (12) vorgesehen sind.

7. Werkzeug nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Außenbordes (16) mit variabler Wanddicke der zwischen Armierungsring (13) und Grundkörper (9) befindliche Korrekturspalt (10) mit einem Gießharz (14) verfüllt ist.

8. Blechnocken, der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2 unter Zuhilfenahme der Vorrichtung gemäß Anspruch 3 bis 7 hergestellt wurde, und als Blechnapf geformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Innen- und Außenbord auf der dem Nockenberg gegenüberliegenden Seite im Bereich von 1,2 bis 2 mm liegt.

9. Blechnocken, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechnocken Bodenradien < 0,5 mm aufweist.

10. Blechnocken nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bordflächen nach dem Fertigziehen eine Rauigkeit von Rz < 0,5 µm aufweisen.

11. Blechnocken nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Nockenaußenbord (16) eine am Umfang gleichmäßige oder eine den Beanspruchungsbedingungen im Motorbetrieb entsprechend in der Höhe und am Umfang ungleichmäßige Wanddicke aufweisen kann.