DE19743863A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Hohlwelle mit äußeren radialen Erhebungen durch Innenhochdruck-Umformung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Hohl­ welle mit äußeren radialen Erhebungen, insbesondere Nockenwelle, aus einem vor­ geformten Halbzeug nach dem Innenhochdruck-Umformverfahren.

Das Innenhochdruck-Umformverfahren ist im Stand der Technik bekannt und in der einschlägigen Literatur beschrieben (vgl. DE-Z "Werkstattechnik 79 (1989)", VDI-Fortschrittsberichte, Reihe 2, Nr. 142, VDI-Verlag 1987). Es wird vorzugsweise zum Herstellen unterschiedlich geformter Hohlkörper aus einem Halbzeug, beispiels­ weise ein rohrförmiges Werkstück, angewendet. Wie bekannt, wird dabei ein Rohrabschnitt, z. B. aus Stahl oder Kupfer, in ein mehrteiliges Innenhoch­ druck-Umformwerkzeug ohne feste Innenmatrize mit Umformstößeln und einer Innenhochdruckquelle eingelegt. Nach dem Verschließen der Enden des Rohrab­ schnitts durch die Umformstößel wird der Rohrabschnitt mit Hilfe eines geeigneten Druckmittels mit hohem Innendruck beaufschlagt und unter gleichzeitiger Beauf­ schlagung mit axialem Druck (durch die Umformstößel) auf die Rohrwandung umgeformt. Der Axialdruck und der Innendruck bewirken, daß sich der Rohrabschnitt an die die endgültige Form des Hohlkörpers aufweisende Innenkontur bzw. -wandung des Umformwerkzeuges anlegt. Beim Innenhochdruck-Umformen wird der Werkstoff in den plastischen Zustand versetzt, der während des gesamten Umformvorgangs unter Berücksichtigung von Werkstoffverfestigung und etwaiger Werkzeugkräfte aufrechterhalten wird.

Von den durch Innenhochdruck-Umformung herzustellenden Bauteilen bereiten insbesondere solche Schwierigkeiten, die über ihre Länge verteilt im Abstand voneinander außen eine Massenanhäufung erfordern, wie das beispielsweise bei einer Nockenwelle, einer Getriebewelle oder einer Schwungwelle der Fall ist, wobei noch hinzukommen kann, wie vor allem bei Nockenwellen, daß die Nocken über den Umfang versetzt zueinander angeordnet sind. Hierbei wird von Halbzeugen ausgegangen, deren Kontur sich durch Rundkneten oder beispielsweise auch Knickbauchen nach außen oder nach innen erreichen läßt. Je nach Vorverformung sind die Halbzeuge daher mit äußeren radialen Erhebungen oder inneren Einschnü­ rungswulsten versehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen sich aus den vorgeformten Halbzeugen Fertigstücke mit gezielter Kontur und Formgebung der Massenan­ häufungen erreichen und damit aufwendige Nachbearbeitungsverfahren, z. B. ein Feinschleifen oder Schlichtfräsen, vermeiden lassen.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum während der Innenhochdruck-Umformung bei geschlossenem Werkzeug erforder­ lichen Transport von Werkstoff in die Umformzone die vorgeformten Erhebungen bzw. Einschnürungswulste des Halbzeugs axial beaufschlagt werden. Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, daß die bei der Innenhochdruck-Umformung dieser Halbzeuge aufgrund deren Geometrie schwierige Dehnungssituation mit einer über der Gleichmaßdehnung liegenden Umfangsdehnung im Bereich der Massenanhäu­ fung, die eine besondere Berücksichtigung des Materialflusses erfordert, dann bewältigt wird, wenn die Druckbeaufschlagung zum Nachfördern des Werkstoffes nicht mehr wie beim Innenhochdruck-Umformverfahren üblich von den Stirnseiten des Halbzeugs erfolgt, sondern unmittelbar über die schon vorhandenen, vorgeformten Erhebungen bzw. Einschnürungswulste selbst. Es läßt sich dann nämlich eine schrittweise Fertig-Umformung durch ein gruppenweises Ausformen der Erhebungen und damit auf einem bezogen auf die Gesamtlänge des Halbzeugs sehr viel kleineren Abschnitt ermöglichen, so daß sich die Längsdehnung entscheidend verringern läßt.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die offenen Enden des in das Werkzeug eingelegten Halbzeugs von beidseitig in die Hohlwelle einfahrenden Verschlußmitteln, von denen mindestens eines mit einer Zuführung für das Druckmedium ausgebildet ist, abgedichtet werden, das gesamte Halbzeug während des Einleitens des Druckmediums über an benachbarte Erhebungen einander zugewandt jeweils von außen angreifende Werkzeugmittel axial nachge­ schoben wird und nach dem Innenhochdruckumformen dieses Teilabschnitts die Werkzeugmittel gelöst werden, danach das Halbzeug bis zum Fertigprodukt um jeweils einen weiteren, vom Abstand der Erhebungen bestimmten Schritt in das Werkzeug eingefördert sowie nach dem jeweiligen Schließen der Werkzeugmittel erneut Druckmedium eingeleitet wird. Die Erhebungen lassen sich somit durch Druckaufbau unter Schieben der Axialblöcke zu ihrer fertigen Kontur in schrittweiser Einzelfertigung der erfaßten Gruppe der Erhebungen ausformen. Diese gruppenweise Umformung erlaubt zudem den Einsatz eines sehr kleinen und flexiblen Werkzeugs, weil die aufzubringenden Schließkräfte entsprechend geringer als bei einem über seine gesamte Länge zu beaufschlagenden Halbzeug sind. Die dichtend in die Hohlwelle eingreifenden Verschlußmittel erfüllen dabei eine Hilfsfunktion, ohne am Druckaufbau selbst beteiligt zu sein; sie kammern das zugeführte Druckmittel in seinem Wirkraum ein.

Nach einem Vorschlag der Erfindung wird das Halbzeug gleichzeitig mit dem Einfördern in das Werkzeug gedreht. Dies läßt sich beispielsweise mittels eines zum schrittweisen Werkstück-Vorschub ohnehin vorhandenen Handhabungsmanipulators erreichen, wobei das Drehen insbesondere bei über den Umfang versetzten Erhebungen erforderlich ist, wie im Falle der Herstellung von Nockenwellen.

Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sieht vor, daß das Werkzeug aus einem geteilten, innen die Geometrie einer Gruppe der Erhebungen abbildenden Block besteht, bei dem von zwei einander axial gegenüberliegenden Axialblöcken der erste Axialblock einerseits mit einer der Grundgeometrie der Erhebungen entsprechenden Ausnehmung eine Erhebung völlig einschließt und sich andererseits mit seiner dem zweiten Axialblock zugewandten Stirnfläche von außen an die nächstfolgende Erhebung anlegt und diese beaufschlagt, während der zweite Axialblock die zu der nächstfolgenden Erhebung benachbarte Erhebung von außen beaufschlagt, wobei ein zwischen den beiden Axialblöcken angeordneter, die Axialblöcke gleitbeweglich tragender Mittenblock das Halbzeug zwischen den beiden beaufschlagten Erhebungen einschließt. Zum Einlegen des Halbzeugs und bei dessen schrittweisem Weitertransport wird das in der durch das Halbzeug bzw. Fertigprodukt vorgegebenen Trennebene unterteilte Werkzeug geöffnet, wobei die beispielsweise in Schwalbenschwanzführungen von dem Mittenblock getragenen, in der Trennebene ebenfalls unterteilten Axialblöcke entsprechend mit abgehoben und nach dem Hand­ habungsvorgang wieder geschlossen werden.

Es wird vorgeschlagen, daß die den beaufschlagten Erhebungen zugewandten Stirnflächen der Axialblöcke zur Ausbildung von Nocken einer Nockenwelle mit einem die örtliche Umformung der Erhebungen begrenzenden Stirnflächen-Ausschnitt ausgebildet sind. Hiermit läßt sich die besondere Kontur der Nocken erreichen, da die Ausschnitte beim Zusammenfahren der Axialblöcke die örtliche Ausprägung der Nocken ermöglichen.

Nach einer Ausgestaltung greifen in die offenen Enden des Halbzeuges Dichtlanzen ein, von denen zumindest eine eine an eine Druckmittelquelle angeschlossene Druckmittelzuführung aufweist. Hierbei empfiehlt es sich, daß die Dichtlanzen mit einem einen Dichtring gegen die Rohrinnenwandung des Halbzeuges andrückenden Spreizmechanismus ausgebildet sind. Die in Position gebrachten Dichtlanzen schließen bzw. kammern somit das über die Zuführung eingeleitete Druckmittel in seinem Wirkraum ein und begrenzen diesen im wesentlichen auf die jeweilige Gruppe der auszuformenden Erhebungen bzw. Einschnürungen. Durch den von außen zu betätigenden Spreizmechanismus, beispielsweise eine durch die Lanze hindurchge­ führte, den Dichtring mit einem Anker hintergreifende Zugstange, läßt sich der vorteilhaft aus einem elastischen Kunststoffmaterial bestehende Dichtring radial aufweiten und gegen die Innenkontur des Halbzeuges andrücken. Bei ansteigendem Innendruck im Wirkraum des zugeführten Druckmediums unterstützt sich die Dichtung zudem selbst.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der ein in den Zeichnungen anhand der Herstellung einer Nockenwelle aus einem Halbzeug dargestelltes Ausführungsbei­ spiels des Gegenstandes der Erfindung näher erläutert ist. Es zeigen:

Fig. 1 die Gesamtansicht eines Halbzeugs zur Herstellung einer Nockenwelle durch Innenhochdruck-Umformung;

Fig. 2 als Einzelheit einer Innenhochdruck-Umformmaschine das im Schnitt dargestellte, geschlossene Werkzeug zur schrittweisen Umformung einzel­ ner Nockengruppen;

Fig. 3 das Werkzeug gemäß Fig. 2 in teilgeöffnetem Zustand und nach dem Vorschub der nächstfolgenden Nockengruppe des Halbzeugs; und

Fig. 4 als Einzelheit der in die Hohlwelle des Halbzeugs von beiden Seiten eingreifenden Dichtungslanzen deren einen Dichtring aufweisenden Lan­ zenkopf, schematisch dargestellt.

Zur Herstellung eines Fertigproduktes mit äußerer Massenanhäufung nach dem Innenhochdruck-Umformverfahren in einer hinlänglich bekannten und daher nicht dargestellten Innenhochdruck-Umformmaschine wird von einem in Fig. 1 gezeigten Halbzeug 1 ausgegangen, das über seine Länge verteilt außen mit mehreren radialen Erhebungen 2 bis 9 versehen ist; das Halbzeug 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel dient als Vorprodukt für eine herzustellende Nockenwelle.

Zu diesem Zweck wird das Halbzeug 1 an mindestens seinem einen freien Ende 10 mittels eines nicht dargestellten Handhabungs-Manipulators in das - abweichend von seiner in Fig. 2 dargestellten Funktionslage - völlig geöffnete Werkzeug 11 einge­ fördert, das aus einem geteilten und die Geometrie einer Gruppe 2, 3 bzw. 4, 5 bzw. 6, 7 bzw. 8, 9 der radialen Erhebungen 2 bis 9 abbildenden Block besteht, und zwar aus einem Mittenblock 12 und zwei einander gegenüberliegenden, in oberen bzw. unteren Gleitführungen 13 bzw. 14 des Mittenblockes 12 angeordneten, d. h. von diesem getragenen Axialblöcken 15, 16. Die horizontale Trennebene der - somit zweiteiligen - Blöcke 12 bzw. 15, 16 sowie die vertikalen Trennebenen des Mittenblockes 12 in Bezug auf die in ihm geführten Axialblöcke 15, 16 ist dem teilweise geöffneten Werkzeug gemäß Fig. 3 zu entnehmen.

Wie in Fig. 2 mittels der Kraftpfeile F verdeutlicht, wird der Mittenblock 12 in vertikaler Richtung und werden die Axialblöcke 15 bzw. 16 in axialer Richtung beaufschlagt. Die Axialblöcke 15, 16 legen sich dabei mit ihren inneren Stirnflächen 17 bzw. 18 an die Außenseiten der - im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 - Zweiergruppe der beiden radialen Erhebungen 8, 9 an. Damit sich während des Innenhochdruck-Umformens die radialen Erhebungen 8, 9 - und in der Schrittfolge des gruppenweisen Nachförderns die Erhebungen 6, 7 bzw. 4, 5 bzw. 2, 3 - mit einer örtlichen Ausprägung zu Nocken 19 (vgl. Fig. 3) ausbilden lassen, besitzen die Stirnflächen 17, 18 der Axialblöcke 15, 16 entsprechende, aus Fig. 3 näher zu entnehmende Ausschnitte 20. Der in der Folge der schrittweisen Gruppen-Umformung erste Axialblock 16 weist außerdem eine der Grundgeometrie der Erhebungen 2 bis 9 entsprechende Ausnehmung 21 (vgl. Fig. 3) in seinen beiden Teilblöcken auf, mit der die jeweils erste der einer zu bearbeitenden Gruppe folgende Erhebung 7 bzw. 5 bzw. im vorletzten Schritt die Erhebung 3 völlig einschließt; beim Umformen der letzten Gruppe, d. h. der beiden benachbarten Erhebungen 2, 3 bleibt die Ausnehmung 21 frei. Der während der Umformung erforderliche Transport von Werkstoff in die Umformzone wird folglich über die beaufschlagten Erhebungen 8, 9 - bzw. bei nicht dargestellten Innenwulsten eines Halbzeuges über diese - selbst erreicht.

Zum Abdichten des Halbzeugs 1 während des Umformens dienen Dichtlanzen 22 bzw. 23, die von den beiden offenen Seiten des Halbzeugs 1 her eingefahren und mit einem in Fig. 4 gezeigten Dichtkopf 24 an die Innenkontur bzw. -wandung des Halbzeugs 1 angedrückt werden. Dies kann - wie beispielsweise gemäß Fig. 4 - mit­ tels eines aus einer ein Ankerstück 25 aufweisenden, nach außen vorkragenden Zugstange 26 bestehenden Spreizmechanismus geschehen, der bei Zug einen vorteilhaft aus Kunststoff bestehenden Dichtring 27 radial aufweitet (vgl. die Pfeile in Fig. 4). Zur Einleitung des Druckmediums in den zur Ausformung der Nocken 19 dienenden Wirkraum ist gemäß Fig. 3 zumindest eine Dichtungslanze 23 mit einer Druckmittelzuführung 28 ausgebildet, die an eine Druckmittelquelle 29 angeschlossen ist.

Die Funktionsweise bei der Innenhochdruck-Umformung der Erhebungen 2 bis 9 - bzw. einer beliebigen anderen Zahl von Erhebungen bzw. Innenwulsten, je nach gewünschtem Fertigprodukt - durch Gruppen-Einzelfertigung zu Nocken 19 einer Nockenwelle ist demnach so, daß bei völlig geöffnetem Werkzeug 11 mittels des Handhabungsmanipulators das Halbzeug 1 axial eingefördert und damit die erste Gruppe der umzuformenden Erhebungen in das Werkzeug 11 eingefördert wird. Danach wird zunächst der - am Beispiel der Fig. 2 und 3 - Mittenblock 12 geschlossen (vgl. Fig. 3) und sodann die beiden zweigeteilten Axialblöcke 15, 16 bis zur Anlage an den Mittenblock 12 (vgl. Fig. 2) aufeinandergefahren, wobei sie aufgrund der Formgebung bzw. der Ausschnitte 20 die Nocken 19 örtlich ausprägen; die fertigen Nocken 19 sind in Fig. 3 rechts zu erkennen. Während dieses Umformens dichten die Lanzen 23 den Wirkraum des eingeleiteten Druckmediums ab. Sobald das Ausformen beendet ist, fahren die Blöcke 12 bzw. 14, 15 des Werkzeugs 11 in umgekehrter Reihenfolge auseinander, woraufhin die Nockenwelle bzw. das Halbzeug 1 weitertransportiert und von dem Handhabungsmanipulator ungehindert gleichzeitig gedreht werden kann, so daß das Werkzeug 11 bzw. dessen Blöcke 12 und 14, 15 in gleicher Lage und im gleichen Zyklus eine weitere Nockengruppe anformen können.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen von Werkstücken nach dem Innenhoch­ druck-Umformverfahren aus einem vorgeformten, hohlwellenartigen Halbzeug, das äußere radiale Erhebungen oder in das Hohlwelleninnere wulstartig vorkragende Einschnürungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zum während der Innenhochdruck-Umformung bei geschlossenem Werkzeug erforderlichen Transport von Werkstoff in die Umformzone die vorgeformten Erhebungen bzw. Einschnürungswulste des Halbzeugs axial beaufschlagt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Enden des in das Werkzeug eingelegten Halbzeugs von beidseitig in die Hohlwelle einfahrenden Verschlußmitteln, von denen mindestens eines mit einer Zuführung für das Druckmedium ausgebildet ist, abgedichtet werden, das gesamte Halbzeug während des Einleitens des Druckmediums über an benachbarte Erhebungen einander zugewandt jeweils von außen angreifende Werkzeugmittel axial nachgeschoben wird und nach dem Innenhochdruckumformen dieses Teilabschnitts die Werkzeugmittel gelöst werden, danach das Halbzeug bis zum Fertigprodukt um jeweils einen weiteren, vom Abstand der Erhebungen bestimmten Schritt in das Werkzeug eingefördert sowie nach dem jeweiligen Schließen der Werkzeugmittel erneut Druckmedium eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, insbesondere zum Herstellen einer Nockenwelle aus einem äußere radiale Erhebungen aufweisenden Halbzeug, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug gleichzeitig mit dem Einfördern in das Werkzeug gedreht wird.

4. Vorrichtung zum Herstellen von Werkstücken nach dem Innenhoch­ druck-Umformverfahren aus einem vorgeformten, hohlwellenartigen Halb­ zeug, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (11) aus einem geteilten, innen die Geometrie einer Gruppe (2, 3 bzw. 4, 5 bzw. 6, 7 bzw. 8, 9) der Erhebungen (2 bis 9) abbildenden Block (12, 14, 15) besteht, bei dem von zwei einander gegenüberliegenden Axialblöcken (15, 16) der erste Axialblock (16) einerseits mit einer der Grundgeometrie der Erhebungen (2 bis 9) entsprechenden Ausnehmung (21) eine Erhebung (7 bzw. 5 bzw. 3) völlig einschließt und sich andererseits mit seiner dem zweiten Axialblock (15) zugewandten Stirnfläche (18) von außen an die nächstfolgende Erhebung (8) anlegt und diese beaufschlagt, während der zweite Axialblock (15) die zu der nächstfolgenden Erhebung (8) benachbarte Erhebung (9) von außen beaufschlagt, wobei ein zwischen den beiden Axialblöcken (15, 16) angeordneter, die Axialblöcke (15, 16) gleitbeweglich tragender Mittenblock (12) das Halbzeug (1) zwischen den beiden beaufschlagten Erhebungen (8, 9 bzw. 6, 7 bzw. 4, 5 bzw. 2, 3) einschließt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den beaufschlagten Erhebungen (8, 9 bzw. 6, 7 bzw. 4, 5 bzw. 2, 3) zugewandten Stirnflächen (17, 18) der Axialblöcke (15, 16) zur Ausbildung von Nocken (19) einer Nockenwelle mit einem die örtliche Umformung der Erhebungen (2 bis 9) begrenzenden Stirnflächen-Ausschnitt (20) ausge­ bildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch in die offenen Enden des Halbzeuges (1) eingreifende Dichtlanzen (22, 23), von denen zumindest eine (23) eine an eine Druckmittelquelle (29) angeschlossene Druckmittelzuführung (28) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlanzen (22, 23) mit einem einen Dichtring (27) gegen die Rohrinnenwandung des Halbzeugs andrückenden Spreizmechanismus (25, 26) ausgebildet sind.