DE19605645C2 - Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelementes mit Außenverzahnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelementes mit Außenverzahnung aus einer Blechronde gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Maschinen­ elemente finden vor allem in der Antriebstechnik und der Kraftfahrzeugtechnik Anwendung, beispielsweise als Getrie­ beteile oder Starterkränze.

Bei der Herstellung dieser Maschinenelemente mit Außenver­ zahnung setzt sich in immer stärkerem Maße die spanlose Fertigung durch, da diese gegenüber materialabtragenden Verzahnungsverfahren schneller und zugleich kostengünstiger sind.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines außenverzahnten Getriebeteiles geht zum Beispiel aus der DE 42 05 711 C2 hervor. Bei diesem bekannten Verfahren wird die Metallronde in ihrem Umfangsbereich um 180° zu ei­ ner halbkreisförmigen Bordierung gebogen. Die Bordierung erfolgt an einem Werkzeug mit einem nutförmigen Aufnahme­ raum, in welchen die Bordierung anschließend unter Bildung der Zähne flachgedrückt wird. Ein ähnliches Verfahren ist auch in der US 5,237,744 beschrieben. Bei beiden bekannten Verfahren entsteht eine relativ große Kammerung in der Bor­ dierung. Da diese Kammerung beim Eindrücken der Verzahnung durch das umliegende Blechmaterial entfernt werden muß, können aufgrund des begrenzten Umformungsvermögens Verzah­ nungen nur mit bestimmten Größenverhältnissen gefertigt werden. Ein weiterer Nachteil bei beiden Verfahren liegt darin, daß beim Bordieren der Blechronde die Ronde einen relativ großen Überstand hat. Das kann zum Ausknicken der Ronde beim Stauchen führen, da die Ronde nur relativ weit unten seitlich abgestützt ist.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Verfahren ist, daß bei diesen Verfahren die Zähne der Umformrollen zum Aus­ brechen neigen. Grund hierfür ist die Zwangssynchronisation, bei der die Drehzahlverhältnisse des Werkstücks und der Umformrolle so eingestellt werden, daß beim fertigen Werk­ stück die Drehzahlverhältnisse der Synchronisation ent­ sprechen. Beim ersten Auftreffen der Verzahnungsrolle auf das zu verzahnende Werkstück hingegen liegen andere Abroll­ durchmesser vor, was zu einem anderen Übersetzungsverhältnis als das durch die Synchronisation gewählte führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Herstellung eines Maschinenelementes mit Außenverzahnung ein Verfahren anzugeben, welches unter Vermeidung von Über­ walzungen zuverlässig durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hier­ bei wird die Blechronde zwischen einem Werkzeug und einem Vorsetzer eingespannt und an ihrem Umfangsrand mit einer ersten Umformrolle zur Seite des Werkzeugs hin um einen Winkel von mehr als 180° zu einer Bordierung gebogen, welche mit einer zweiten Umformrolle radial in Richtung auf das Werkzeug abgeflacht wird und anschließend die ab­ geflachte Bordierung mit einer Verzahnungsrolle gegen das Werkzeug gedrückt und zu einer Außenverzahnung umgeformt wird.

Eine Grundidee der Erfindung liegt darin, möglichst viel Material der Blechronde am Außenumfang des auszubildenden Zahnradelementes vorzusehen. Dies wird durch das Bordieren um mehr als 180° erreicht, da durch diesen Verfahrens­ schritt die Kammerung in der Bordierung durch eine Materi­ alauffüllung reduziert wird. Diese Reduzierung der Kamme­ rung wird noch durch den Verfahrensschritt des Flachdrüc­ kens verstärkt. Das eingerollte Ende schiebt sich bei die­ sem Verfahrensschritt weiter in die Kammerung und nähert sich der Seitenfläche der unverformten Blechronde an. Zu­ sätzlich wird durch die zweite Umformrolle beim Flachdrüc­ ken Material aus der Mitte zu den Seitenbereichen der Bor­ dierung verlagert, wodurch die Gefahr sogenannter Überwal­ zungen beim Formen der Verzahnung vermindert wird. Auf die­ se Weise wird ausreichend Material am Außenumfang der Blechronde angehäuft, um eine gewünschte Verzahnung zu bil­ den.

Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Anhäufung einer rela­ tiv großen Masse im Außenbereich des zu fertigenden Maschi­ nenelementes liegt in der Erhöhung des Massenträgheitsmo­ mentes. Dies ist insbesondere bei Starterkränzen sehr wün­ schenswert. Des weiteren wird durch die erfindungsgemäße Bordierung oder Faltung eine höhere Stabilität im Außen­ bereich gegenüber einer normalen 180° -Bordierung erreicht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht dar­ in, daß die Blechronde mit der Bordierung durch die zweite Umformrolle bis zu einem Außendurchmesser abgeflacht wird, auf den die Verzahnung der Verzahnungsrolle zur Bildung einer ganzzahligen Zähnezahl abgestimmt ist, und daß ent­ weder die Verzahnungsrolle oder das Werkzeug mit der Blech­ ronde drehend angetrieben wird. Bei diesem Verfahren können sich die Abrollverhältnisse und Drehzahlen von Verzahnungs­ rolle und Werkstück ohne jede Synchronisierung frei an­ passen. Es wurde herausgefunden, daß auf diese Weise immer ganzzahlige Zähnezahlen entstehen, das heißt, die Zähne finden sich so, daß erster und letzter Zahn nahtlos inein­ ander übergehen. Die Anzahl der Zähne wird durch den Start­ durchmesser der Blechronde oder der bordierten Blechronde bestimmt. Als Startdurchmesser ist hierbei der Durchmesser zu verstehen, bei dem bei Umformungsbeginn die Verzahnung der Verzahnungsrolle auf dem Werkstück abrollt. So kann man durch Ableitung von bekannten mathematischen Zahnrad­ berechnungsformeln den Anfangsdurchmesser ermitteln, bei dem sich eine bestimmte Zähnezahl ergibt. Will man beispiels­ weise einen Zahn mehr oder weniger haben, müßte man nur diesen Anfangsdurchmesser entsprechend erhöhen oder niedriger setzen.

Um eine vordefinierte Zähnezahl zu bekommen, ist ein genauer Durchmesser erforderlich.

Der Kontaktdurchmesser zwischen Zahnrad zur Formgebung und Außendurchmesser der Ronde bestimmt Zähnezahl und Art der Verzahnung, z. B. positive oder negative Profilverschiebung.

Es kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine kom­ plizierte Synchronisierungsmechanik zur Drehzahlabstimmung von Werkstück und Verzahnungsrolle verzichtet werden, wie sie beispielsweise bei den zuvor genannten herkömmlichen Verzahnungsverfahren verwendet wird. Dies spart einerseits die nicht unerheblichen Kosten für eine mechanische Syn­ chronisation, und andererseits werden im Moment des Ein­ griffes keine Verspannungen wie bei einer äußeren Zwangs­ synchronisation erzeugt. Somit wird durch das verspannungs­ arme Umformen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Gefahr des Ausbrechens von Zähnen aus der Verzahnungsrolle oder dem Werkstück vermindert.

Eine weitere Erhöhung der Prozeßsicherheit wird dadurch er­ reicht, daß die Blechronde an der Seite des Vorsetzers durch einen radial vorstehenden Stützsteg kontaktiert und abgestützt wird. Dieser Stützsteg ist parallel zum Umfangs­ rand der Blechronde angeordnet und liegt bündig an dieser an. Durch diese seitliche Abstützung wird ein Ausknicken der Ronde zur Seite des Vorsetzers hin während des Bordier­ vorganges vermieden.

Eine besonders hohe Sicherheit gegen seitliches Ausknicken der Blechronde wird dadurch erreicht, daß die Blechronde durch den Stützsteg bereits abgestützt wird, bevor der Umfangsrand der Blechronde zur Bordierung gebogen wird.

Eine weitere Verbesserung der Ausknicksicherheit kann man dadurch erzielen, daß die Blechronde während des Bordier­ vorganges zumindest zeitweise durch den Stützsteg an einem Seitenbereich der Blechronde abgestützt wird, dessen entge­ gengesetzter Seitenbereich an dem Werkzeug anliegt. Hier­ durch wird die Blechronde während der Bordierung zusätzlich zwischen dem scheibenförmigen Werkzeug und dem Stützsteg eingespannt. Vorzugsweise erfolgt diese Einspannung während des letzten Teils des Bordiervorganges, wobei der Stützsteg bis an den Außenumfang des Vorsetzers heranreichen kann.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung be­ steht darin, daß der Umfangsrand der Blechronde durch die erste Umformrolle im wesentlichen um 270° gebogen wird. Durch dieses Einrollen oder Bordieren des Umfangsrandes zu einem Dreiviertelkreis wird eine besonders hohe Material­ konzentration am Außenumfang erreicht.

Eine gute Materialverteilung am Außenumfang des zu ferti­ genden Maschinenelementes kann man dadurch erreichen, daß beim Flachdrücken der Bordierung diese durch zwei beabstan­ dete Stützstege an der zweiten Umformrolle abgestützt wird.

Der Abstand der beiden Stützstege entspricht der Breite des scheibenförmigen Werkzeugs zuzüglich der Breite der Blech­ ronde. Um eine exakte Breite der Bordierung zu gewährlei­ sten, weisen die beiden Stützstege den gleichen Druchmesser auf, wobei der eine Stützsteg an der Seite des Werkzeugs an diesem zur Anlage kommen kann. Beim Flachdrücken wird die Bordierung in ihrer Form an die Kontur der Außenverzahnung angenähert.

Hierbei ist es vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Bor­ dierung erst beim Formen der Außenverzahnung an das Werk­ zeug angedrückt wird. Dies erlaubt ein freies Verschieben des inneren eingerollten Teiles der Bordierung in Richtung auf den unverformten Bereich der Blechronde.

Des weiteren ist es auch vorteilhaft, daß beim Formen der Außenverzahnung die Bordierung durch zwei beabstandete Stützstege an der Verzahnungsrolle abgestützt wird. Diese Stützstege sind ähnlich denen der zweiten Umformrolle aus­ gebildet, so daß auch bei der Formung der Verzahnung eine genau definierte Verzahnungsbreite erreichbar ist. Das Ein­ rollen der Verzahnung erfolgt mittels einer Verzahnungs­ rolle mit einer daran ausgebildeten seitlichen Kammer, die vorteilhafter Weise das Fließen des Materials verhindert.

Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist es vor­ teilhaft, daß die Blechronde erwärmt wird. Dies kann insbe­ sondere durch Induktion oder durch einen Laser erfolgen. Durch die Erwärmung werden Gefügeverspannungen in der Blechronde während der einzelnen Umformschritte abgebaut, so daß eine frühzeitige Kaltverfestigung oder eine Erschöp­ fung des Verformungsvermögens des Materials verhindert wird. Die Erwärmung der Blechronde kann vor oder während der Durchführung des Verfahrens erfolgen.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es vorgesehen, daß die Außenverzahnung gehärtet wird. Das Härten kann unter Wärmeeinwirkung erfolgen, wobei auch die zuvor genannten Wärmequellen eingesetzt werden können.

Selbstverständlich kann das Härten der fertigen Zähne auch durch andere bekannte Härtverfahren durchgeführt werden, beispielsweise durch Flamm- oder Diffusionshärten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles weiter erläutert, welches in den beigefügten Zeich­ nungen schematisch dargestellt ist. In den Zeichnungen zei­ gen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht der unverformten Blech­ ronde in ihrem eingespannten Zustand;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Blechronde beim Bor­ diervorgang;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Blechronde beim Flachdrücken der Bordierung;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht durch den Zahngrund einer verzahnten Blechronde und

Fig. 5 eine Teilquerschnittsansicht durch den Zahnkopf einer verzahnten Blechronde.

In Fig. 1 ist eine Blechronde 10 zwischen einem Werkzeug 20 und einem Vorsetzer 30 eingespannt. Zu Beginn des Verfah­ rens wird die Blechronde 10 durch das scheibenförmige Werk­ zeug 20 und den Vorsetzer 30 um eine Drehachse 21 in Rota­ tion versetzt.

Anschließend wird eine erste Umformrolle 40 radial zuge­ stellt, welche um eine weitere zur Drehachse 21 parallele Drehachse 41 rotierbar gelagert ist. Zur Durchführung der Verformung weist die erste Umformrolle 40 einen Form­ abschnitt 42 mit einer halbkreisförmigen Eindrehung auf, welche zwischen einem vorsetzerseitigen Stützsteg 43 und einem werkzeugseitigen Stützsteg 44 angeordnet ist. Der Stützsteg 43 hat einen größeren Durchmesser als der Stütz­ steg 44, um möglichst frühzeitig mit der dem Vorsetzer 30 zugewandten Seite 13 der Blechronde 10 in Kontakt zu kommen. Hierdurch wird verhindert, daß die Blechronde 10 bei Beginn des Bordiervorganges zur Seite des Vorsetzers 30 hin aus­ knickt.

In dieser Verfahrensstufe wird die Blechronde 10 am Rand eingerollt, oder genauer, zu einer Bordierung 11 um etwas über 180° gebogen. Durch die im Querschnitt halbkreis­ förmige Eindrehung des Formabschnittes 42 und die Zustel­ lung der Umformrolle 40 wird der Umfangsrand der Blechronde 10 kreisförmig abgebogen, wobei sich der äußere Rand 14 ver­ jüngt und zu der dem Werkzeug 20 zugewandten Seite der Blechronde 10 gebogen wird. Durch den Biegevorgang ergibt sich auch eine Materialverstärkung im radial äußeren Bereich 15 der Bordierung 11.

In einer zweiten, in Fig. 3 gezeigten Umformstufe wird die Bordierung 11 durch eine zweite Umformrolle 50 weiter ver­ formt, welche um eine Drehachse 51 rotierbar ist. Ein nahezu scheibenförmiger Formabschnitt der zweiten Umformrolle 50 drückt den radial äußeren Rand der Bordierung 11 flach, wobei eine Materialverteilung zu den Außenseiten hin statt­ findet. Diese Materialverlagerung wird durch Stützstege 53, 54 an den Außenseiten der zweiten Umformrolle 50 begrenzt. Zweck dieses Vorgangs ist es, für den nachfolgenden Ver­ fahrensschritt nicht zuviel Material in der Mitte der Bordierung 11 zu haben, was zu sogenannten Überwalzungen führen würde. Des weiteren wird der vordere Rand 14 der Bordierung 11 noch weiter zur werkzeugseitigen Fläche 12 der Blechronde 10 geführt, wobei sich die von der Bordie­ rung 11 umschlossene Kammerung verkleinert. Bei diesem in Fig. 3 gezeigten Verfahrensschritt des Flachdrückens der Bordierung 11 liegt der vordere Rand 14 noch nicht auf dem Umfangsrand des scheibenförmigen Werkzeugs 20 auf.

Erst in dem nächsten, in Fig. 4 gezeigten Verfahrensschritt wird die Bordierung 11 an den Umfangsrand des Werkzeugs 20 angedrückt, wobei das Material des vorderen Randes 14 im unteren Bereich der Umformzone annähernd bis zum unverform­ ten Bereich der Blechronde 11 zurückfließt. Bei diesem Ver­ fahrensschritt, welcher durch eine um eine Drehachse 61 ro­ tierbare Verzahnungsrolle 60 mit einem Formabschnitt 62 und zwei seitlichen Stützstegen 63, 64 durchgeführt wird, formen die Zähne des Formabschnitts 62 die Verzahnung 16 am Außen­ umfang der Blechronde 11.

Die Abbildung von Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Zahnfuß, wobei eine geformte Zahnflanke an der Blechronde 10 ersichtlich ist, während Fig. 5 einen Schnitt durch ei­ nen geformten Zahn der Verzahnung 16 zeigt. Aus der Zusam­ menschau der Fig. 4 und 5 ist zu erkennen, daß sowohl der radial äußere Rand 15 als auch der unten liegende vordere Rand 14 der Bordierung 11 durch die Verzahnungsrolle 60 flachgedrückt werden. Dieses Material steigt im Querschnitt gesehen rechts und links eines Zahnes der Verzahnung 16 auf, so daß, wie aus der Fig. 5 ersichtlich, sowohl der vordere Rand 14 als auch der radial äußere Rand 15 der Bor­ dierung dicker sind als ursprünglich. Dies bedeutet, daß das Material vom Zahnfuß in den Zahnkopf hineinfließt.

Bei diesem abschließenden Verfahrensschritt wird die Bor­ dierung 11 auf den Umfangsrand des Werkzeuges 20 gedrückt.

Da die Stützstege 63, 64 der Verzahnungsrolle 60 während der Verzahnung bis an den Bereich des Werkzeugs 20 heran­ reichen, wobei der werkzeugseitige Stützsteg 64 an einer Seitenfläche des Werkzeugs 20 anliegt, kann auf eine Aus­ bildung eines separaten Aufnahmeraumes an dem Werkzeug 20 verzichtet werden. Obwohl bei einer entsprechenden Aus­ bildung der Durchmesser der bordierten Blechronde 10 und der Verzahnungsrolle 60 eine Synchronisierung der Drehge­ schwindigkeiten von Blechronde 10 und Verzahnungsrolle 60 nicht benötigt wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren selbstverständlich auch bei einer mechanischen Synchroni­ sierung der Drehgeschwindigkeiten durchgeführt werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelementes mit Außenverzahnung aus einer Blechronde (10), bei dem die Blechronde (10) zwischen einem Werkzeug (20) und einem Vorsetzer (30) eingespannt und an ihrem Umfangsrand mit einer ersten Umformrolle (40) eine bogenförmige Bordie­ rung (11) ausgeformt wird, an welcher eine Außenverzah­ nung (16) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß der Umfangsrand zur Seite des Werkzeuges (20) hin um einen Winkel von mehr als 180° zu der Bordie­ rung (11) gebogen wird,
• 2. daß vor der Ausbildung der Außenverzahnung (16) der radial äußere Bereich der bogenförmigen Bordierung (11) mittels einer zweiten Umformrolle (50) radial in Richtung auf das Werkzeug (20) abgeflacht wird, wobei Material aus der Mitte der Bordierung (11) zu deren Seitenbereichen hin verlagert und die Bordie­ rung insgesamt in ihrer Form der Kontur der Außenver­ zahnung angenähert wird, und
• 3. daß anschließend die abgeflachte Bordierung (11) mit einer Verzahnungsrolle (60) gegen das Werkzeug (20) gedrückt und zu der Außenverzahnung (16) umgeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Blechronde (10) mit der Bordierung (11) durch die zweite Umformrolle (50) bis zu einem Außendurchmes­ ser abgeflacht wird, auf den die Verzahnung der Verzah­ nungsrolle (60) zur Bildung einer ganzzahligen Zähne­ zahl abgestimmt ist, und
daß entweder die Verzahnungsrolle (60) oder das Werk­ zeug (20) mit der Blechronde (10) drehend angetrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechronde (10) an der Seite (13) des Vorset­ zers (30) durch einen radial vorstehenden Stützsteg (43) der ersten Umformrolle (40) kontaktiert und abgestützt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechronde (10) durch den Stützsteg (43) be­ reits abgestützt wird, bevor der Umfangsrand der Blech­ ronde (10) zur Bordierung (11) gebogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechronde (10) während des Bordiervorganges zumindest zeitweise durch den Stützsteg (43) an einem Seitenbereich der Blechronde (10) abgestützt wird, des­ sen entgegengesetzter Seitenbereich an dem Werkzeug (20) anliegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsrand der Blechronde (10) durch die erste Umformrolle (40) im wesentlichen um 270° gebogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Flachdrücken der Bordierung (11) diese durch zwei beabstandete Stützstege (53, 54) an der zweiten Umformrolle (50) abgestützt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bordierung (11) erst beim Formen der Außenver­ zahnung (16) an das Werkzeug (20) angedrückt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Formen der Außenverzahnung (16) die Bordierung (11) durch zwei beabstandete Stützstege (63, 64) an der Verzahnungsrolle (60) abgestützt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechronde (10) insbesondere durch Induktion erwärmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechronde (10) durch einen Laser erwärmt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenverzahnung (16) gehärtet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Einrollen der Verzahnung (16) mittels einer Verzahnungsrolle (60) mit einer seitlichen Kammer er­ folgt, die das Fließen des Materials verhindert.