DE19636565C2 - Verfahren und Ausgangswerkstück zum Herstellen eines topfförmigen Werkstücks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines topfförmigen Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter ein topfförmiges Werkstück gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Ein derartiges Ver­ fahren und ein derartiges Werkstück gehen aus der DE 39 31 599 A1 hervor.

Der Verfahrensschritt des Anformens einen Innenverzahnung mittels einer Rolle ist in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt. Eine oder mehrere Rollen 61 drücken einen Zy­ linderwandabschnitt 52 eines Werkstücks 50 in einem Ein­ ziehvorgang auf das Drückfutter 62. Durch die radiale Vor­ schubbewegung der Rollen 61 wird bei rotierendem Ausgangs­ werkstück 50 unterhalb der Rollen 61 ein Druck aufgebaut, mit dem das Material in die Zahnlücken des Werkzeugdorns 62 gepreßt wird. Im Idealfall sollte das Material oberhalb der Linie L parallel in den Zahngrund der Außenverzahnung ge­ drückt werden.

In der Praxis hat sich aber herausgestellt, daß das Mate­ rial in der Nähe des Bodenabschnitts 51 verstärkt in axia­ ler Richtung zum Öffnungsdurchmesser hin fließt. So wird die Verzahnung zwar im Bereich des Öffnungsdurchmessers vollkommen ausgebildet. Mit zunehmender Nähe zum Boden er­ geben sich jedoch bogenförmige Konturen 63 der angeformten Zahnköpfe aufgrund einer unzureichenden Ausfüllung der Zahnlücken des Werkzeugdorns 62. Diese Erscheinung kann in Abhängigkeit verschiedener Parameter so stark ausgebildet sein, daß das Werkstück zum Ausschuß wird. Selbst wenn ein Bereich a vorgesehen wird, in dem eine volle Ausprägung der Verzahnung nicht erforderlich ist, stellt die unzureichende Ausformung der Innenverzahnung über diesen Bereich hinaus einen gravierenden Qualitätsmangel dar.

In der DE 41 40 720 C2 wird ein Verfahren zur Herstellung von Stirnrädern mit einer Innenverzahnung beschrieben. Jedoch erfolgt die Fertigung durch kombinierte Feinstanz- und Fließpressarbeitsgänge. Das Werkstück wird mittels einer Linearbewegung eines Pressenstempels in sogenannten Prägezügen umgeformt. Für eine gute Ausbildung der Zahn­ konturen wird gelehrt, Materialanhäufungen im Bereich der auszubildenden Zähne vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum spanlosen Herstellen eines topfförmigen Werk­ stücks zu schaffen, bei dem eine Innenverzahnung über einen möglichst weiten Bereich genau ausgeformt werden kann. Des weiteren soll ein Werkstück bereitgestellt werden, das zur Ausbildung als Verzahnungsteil besonders geeignet ist.

Der erste Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfah­ ren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein Grundgedanke der Erfindung liegt insbesondere darin, daß der sich radial erstreckende Bodenabschnitt des Werkstücks der Verformung des Zylinderwandabschnitts einen relativ hohen Widerstand entgegenbringt. Dieser Widerstand veranlaßt das Material, verstärkt in axialer Richtung vom Bodenabschnitt weg zu fließen. Die erfindungsgemäße Aus­ bildung des Ausgangswerkstücks führt zu einer deutlichen Reduktion des Widerstandes des Bodenabschnitts gegen die Verformung. Auf diese Weise wird über die gesamte axiale Länge des Zylinderwandabschnitts ein im wesentlichen gleichmäßiger Verformungswiderstand erreicht. So wird ein übermäßiges axiales Fließen des Materials verhindert. Dies gewährt eine gleichmäßige Anformung einer Verzahnung über nahezu die gesamte Innenseite des Zylinderwandabschnitts.

Als Ausgangswerkstück können verschiedenste Metallteile verwendet werden, beispielsweise Schmiede- oder Gußteile. Eine bevorzugte Ausführung liegt jedoch darin, daß als Aus­ gangswerkstück eine Blechronde oder ein Vorzug verwendet wird. Bei letzterem wird ein Napf mit einem Innendurchmes­ ser tiefgezogen, welcher dem Außendurchmesser des Werk­ zeugdorns mit der Außenverzahnung entspricht. Die Innenver­ zahnung muß dann nur noch durch einen Einziehvorgang ange­ formt werden. Bei Verwendung einer Ronde kann diese entwe­ der in einem separaten Arbeitsschritt durch eine Rolle zu einer topfförmigen Vorform umgeformt oder in einem Überlauf direkt in die Verzahnung gedrückt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vor­ gesehen, daß eine Ausnehmung im zu bildenden Bodenabschnitt vorgesehen wird. Die Ausnehmung wird dabei in unmittelbarer Nähe zu dem Zylinderwandabschnitt ausgeformt, so daß wei­ terhin eine gute Einspannung des Werkstücks durch ein An­ drückelement möglich ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, daß eine Ausnehmung an einer Stelle vorgesehen wird, an welcher die innere Ecke zwischen dem Bodenab­ schnitt und dem Zylinderwandabschnitt ausgebildet wird. Diese Ausbildung erlaubt sogar einen axialen Materialfluß in Richtung auf den Bodenabschnitt bei der Anformung der Verzahnung und erleichtert ein Umlegen einer Blechronde auf den Werkzeugdorn.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß eine Ausnehmung an einer Außenseite des zu bildenden Bodenbereichs vorgesehen wird. Dies erlaubt ein gutes An­ liegen des Werkstücks an dem Werkzeugdorn.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, daß je eine Ausnehmung an der Innen- und der Außenseite des auszubildenden Bodenbereichs radial zueinan­ der versetzt eingebracht werden, so daß ein im Querschnitt schräg zur radialen Richtung verlaufender Bereich mit ver­ ringerter Materialdicke gebildet wird. Ein im Querschnitt schräg verlaufender Bereich geringerer Materialdicke er­ laubt eine zusätzliche Biegeverformung in radialer Rich­ tung, wodurch der Widerstand gegen die Verformung neben der reinen Wanddickenverringerung zusätzlich reduziert wird. So kann ein Werkstück mit geringem Widerstand, aber einer wei­ terhin hohen Drehfestigkeit gefertigt werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Innenverzahnung durch Einziehen oder Drückwalzen in die Außenverzahnung des Werkzeugdorns geformt wird. Beim Einziehen wird der Zylin­ derwandabschnitt gleichzeitig über seine gesamte axiale Länge in die Außenverzahnung eingedrückt, so daß kurze Fer­ tigungszeiten erreichbar sind. Beim Drückwalzen laufen die Rollen axial über die Außenseite des Werkstücks, wobei die Innenverzahnung ausgeformt und das Werkstück zusätzlich axial gelängt werden kann.

Die Ausnehmung kann auf beliebige Weise in das Ausgangs­ werkstück vor der Anformung der Innenverzahnung eingebracht werden. Bei Verwendung eines Schmiede- oder Gußteiles wird die Ausnehmung vorzugsweise bereits beim Schmieden bzw. Gießen ausgebildet. Die Ausnehmung oder Vertiefung kann auch durch ein spanabhebendes Verfahren gefertigt werden, beispielsweise auf einer Drehmaschine.

Für eine hohe Drehfestigkeit des Werkstücks ist es erfin­ dungsgemäß vorgesehen, daß die Ausnehmung in das Ausgangs­ werkstück spanlos eingeformt wird. Dies kann durch ein ge­ eignetes Drück- oder Prägewerkzeug auf der Drückmaschine oder einer separaten Presse gegebenenfalls zusammen mit ei­ nem Stanz- oder Tiefziehvorgang erfolgen.

Der zweite Teil der Aufgabe bezüglich des Werkstücks wird erfindungsgemäß durch das topfförmige Ausgangswerkstück gemäß Anspruch 6 gelöst. Ein derartiges topfförmiges Werk­ stück kann als eine Vorform zum spanlosen Anformen einer Innenverzahnung verwendet werden, wobei durch die Ausneh­ mung ein Umformungswiderstand im Bodenbereich reduziert wird. Eine Innenverzahnung kann so entlang der gesamten Innenseite des Zylinderwandabschnitts ausgeformt werden.

Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, daß je eine ringförmige Ausnehmung an der Innenseite und der Außenseite des Werkstücks angeordnet ist. Zwischen den beiden Ausneh­ mungen wird ein ringförmiger Bereich mit einer geringeren Wanddicke gegenüber der ansonsten konstanten Wanddicke des Werkstücks erzielt. Durch einen gewissen Versatz in radia­ ler Richtung kann durch die Ausnehmungen ein im Querschnitt zu radialen Richtung schräg verlaufender Bereich geringerer Wandstärke ausgebildet werden, der eine zusätzliche Biege­ verformbarkeit gewährt.

Weiterhin ist bevorzugt, daß an der Innenseite des Zylin­ derwandabschnitts eine Verzahnung ausgebildet ist. Das er­ findungsgemäße Werkstück ist nicht nur zur Verzahnungsbil­ dung vorteilhaft, sondern nach Ausbildung der Innenverzah­ nung liegt auch ein Getriebeteil vor, dessen verzahnter Zy­ linderwandabschnitt durch die Ausnehmung eine zusätzliche Elastizität zum radialen erstreckten Bodenbereich besitzt. Das erfindungsgemäße Werkstück kann also beispielsweise als ein Hohlrad für Planetengetriebe eingesetzt werden, wobei hohe Kantenbelastungen der Verzahnung aufgrund von Ferti­ gungsungenauigkeiten oder Verformungen während des Betriebs des Getriebes durch das erfindungsgemäß ausgebildete Hohl­ rad reduziert werden können. Die erfindungsgemäße Ausbil­ dung wirkt wie eine drehsteife elastische Kupplung zwischen dem verzahnten zylindrischen Wandabschnitt und dem sich ra­ dial erstreckenden Bodenabschnitt.

Für ein Hohlrad ist es besonders geeignet, daß die Verzah­ nung sich über die gesamte axiale Länge der Innenseite und bis zu einer Ausnehmung an einer inneren Ecke des Werk­ stücks erstreckt.

Die Erfindung wird weiter anhand eines Ausführungsbeispie­ les erläutert, welches schematisch in der Zeichnung darge­ stellt ist. In der Zeichnung zeigen in Teilquerschnittsan­ sicht:

Fig. 1 ein herkömmliches Ausgangswerkstück vor dem Einziehen einer Innenverzahnung;

Fig. 2 das herkömmliche Werkstück nach Fig. 1 nach dem Einziehvorgang;

Fig. 3 ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ausgangswerk­ stück vor der Anformung der Innenverzahnung und

Fig. 4 das erfindungsgemäße Werkstück von Fig. 3 mit der angeformten Verzahnung.

In Fig. 3 ist im Teilquerschnitt ein Ausgangswerkstück 9 gezeigt, welches auf einer nur teilweise dargestellten Drückmaschine 20 zwischen einem Andrückelement 25 und einem Werkzeugdorn 22 mit einer Außenverzahnung 23 eingespannt ist. Das Ausgangswerkstück 9 hat eine topfähnliche Form, welche durch Tiefziehen oder aus einer Ronde durch Umlegen mittels einer Rolle geformt wurde. Das so gebildete Aus­ gangswerkstück 9 umfaßt einen sich radial erstreckenden Bodenabschnitt 11 und einen sich axial erstreckenden Zylin­ derwandabschnitt 12. Dessen Innendurchmesser entspricht dem Außendurchmesser des Werkzeugdorns 22 mit der Außenverzah­ nung 23.

Erfindungsgemäß ist ein Bereich verringerter Materialdicke 16 im Übergangsbereich zwischen dem Bodenabschnitt 11 und dem Zylinderwandabschnitt 12 vorgesehen. Der Bereich ver­ ringerter Materialdicke 16 wird durch eine äußere Ausneh­ mung 14 an der Außenseite des Bodenabschnitts 11 und eine innere Ausnehmung 15 im Eckbereich zwischen dem Bodenab­ schnitt 11 und dem Zylinderwandabschnitt 12 gebildet. Die beiden Ausnehmungen 14, 15 sind unterschiedlich ausgeformt und in radialer Richtung zueinander versetzt. Auf diese Weise wird ein im Querschnitt etwa S-förmiger Bereich 16 gebildet, dessen wesentlicher Teil sich im Bodenabschnitt 11 von der Innenseite schräg nach außen erstreckt. Hier­ durch wird eine zusätzliche Biegeverformbarkeit erreicht.

Bei der dargestellten konkreten Ausführungsform ist die in­ nere Ausnehmung 15 von einer Rotationsachse 26 radial wei­ ter entfernt angeordnet als die äußere Ausnehmung 14. Die innere Ausnehmung 15 erstreckt sich dabei von der Innensei­ te des Bodenabschnitts 11 auf Höhe der Mitte der äußeren Ausnehmung 14 über die gesamte innere Ecke bis zum Beginn einer Fase 24 an der Außenverzahnung 23. Die Fase 24 weist eine axiale Länge a auf, entlang der die Innenverzah­ nung nicht voll ausgeformt werden braucht. Die maximale Vertiefung der inneren Ausnehmung 15 in radialer Richtung entspricht etwa dem Außendurchmesser der Andrückscheibe 25, wodurch eine ausreichende Abstützung im Bodenabschnitt 11 sichergestellt wird.

Zur Ausformung einer Innenverzahnung 13 wird mindestens eine Rolle 21 verwendet, welche an der Außenseite des Zy­ linderwandabschnitts 12 über dessen gesamte Länge anliegt. Durch radiales Zustellen der Rolle 21 wird das Material des Ausgangswerkstücks 9 parallel zur Linie L in die Außenver­ zahnung 23 eingedrückt.

Das Ergebnis dieses Einziehvorganges ist in Fig. 4 darge­ stellt. Es ist erkennbar, daß bei einem erfindungsgemäß ausgeformten Ausgangswerkstück 9 kein unerwünschter Mate­ rialfluß zur Öffnung des Werkstücks 9 auftritt. Vielmehr kann beim Einziehvorgang Material auch axial in Richtung auf den Bodenabschnitt 11 fließen, so daß bei einem fer­ tigen Werkstück 10 die innere Ausnehmung 15 teilweise wieder ausgefüllt wird.

Neben der gleichmäßigeren Anformung der Verzahnung ergibt sich auch ein funktionstechnischer Vorteil, wenn das fer­ tige Werkstück 9 als Hohlrad für Planetengetriebe einge­ setzt wird. In einem Planetengetriebe kann es durch Fer­ tigungsungenauigkeiten oder Verformungen während des Be­ triebes zu einer Lageüberbestimmung kommen. Dies führt zu einer hohen Kantenbelastung der Sonnenränder. Diese Kan­ tenbelastung, welche zu erhöhtem Zahnverschleiß und zum Zahnbruch führen kann, wird durch die erfindungsgemäße Aus­ bildung des Bodenabschnitts 11 reduziert, da durch diese Bodenausbildung der Zahnkranz eine begrenzte Lageelasti­ zität erhält. Hierfür ist es zweckmäßig, den Bereich 16 mit der verringerten Wanddicke nur so stark auszubilden, wie es funktionstechnisch für die Übertragung des Drehmomentes er­ forderlich ist.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines topfförmigen Werkstücks (10), welches einen sich radial erstreckenden Boden­ abschnitt (11) und einen sich axial erstreckenden Zylinderwandabschnitt (12) mit einer Innenverzahnung aufweist, bei dem

• a) ein topfförmiges Ausgangswerkstück (9) zwischen einem Andrückelement (25) und einem Werkzeugdorn (22) mit einer Außenverzahnung (23) eingespannt wird,
• b) das Ausgangswerkstück (9) in die Rotation versetzt wird und
• c) ein Umfangsbereich des Ausgangswerkstücks (9) mittels mindestens einer Rolle (21) radial in die Außenverzahnung (23) des Werkzeugdorns (21) gedrückt wird und dabei die Innenverzahnung (13) eingeformt wird,

dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß vor dem Einformen der Innenverzahnung (13) an dem Ausgangswerkstück (9) mindestens eine ring­ förmige Ausnehmung (15) ausgebildet wird,
• 2. daß durch die ringförmige Ausnehmung (15) eine Wanddickenreduzierung an einer Stelle erzeugt wird, welche an dem topfförmigen Ausgangswerkstück (9) einen inneren Eckbereich zwischen dem sich radial erstreckenden Bodenabschnitt (11) und dem sich axial erstreckenden Zylinderwandabschnitt (12) bildet, und
• 3. daß durch die Wanddickenreduzierung in dem Eckbe­ reich beim Einformen der Innenverzahnung (13) ein über die gesamte axiale Länge des Zylinderwand­ abschnitts (12) gleichmäßiger Umformwiderstand eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das topfförmige Ausgangswerkstück (9) aus einer Blechronde durch Umformen hergestellt wird oder ein topfförmiger Vorzug verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Ausnehmung (14) an der Außenseite des Bodenabschnitts (11) vorgesehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (14, 15) radial zueinander ver­ setzt eingebracht werden, so daß ein im Querschnitt schräg zur radialen Richtung verlaufender Bereich (16) mit verringerter Materialdicke gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Ausnehmungen (14, 15) in das Ausgangs­ werkstück (9) spanlos eingeformt wird.

6. Topfförmiges Ausgangswerkstück zur Verwendung in einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, mit einem sich radial erstreckenden Bodenabschnitt (11) und einen sich axial erstreckenden Zylinderwandabschnitt (12), dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß in einem Übergangsbereich zwischen dem Boden­ abschnitt (11) und dem Zylinderwandabschnitt (12) an der inneren Ecke eine ringförmige Ausnehmung (15) eingebracht ist,
• 2. daß durch die ringförmige Ausnehmung (15) ein ring­ förmiger Bereich (16) gebildet ist, dessen Wand­ dicke geringer ist als die des angrenzenden Boden­ abschnitts (11) und des angrenzenden Zylinderwand­ abschnitts (12), und
• 3. daß der Zylinderwandabschnitt (12) über seine ge­ samte axiale Länge einen gleichmäßigen Umformwider­ stand für ein Umformen in radialer Richtung auf­ weist.

7. Topfförmiges Ausgangswerkstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere ringförmige Ausnehmung (15) an der Außenseite des Werkstücks angeordnet ist.