DE19903685C2 - Verfahren und Werkzeug zur Herstellung eines mit einem angeformten hohlen Schaft versehenen Gelenkgehäuses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung von Gelenkgehäusen gemäß dem Oberbegriff des 1. und 6. Patentanspruchs.

Es ist bekannt Gelenkgehäuse, insbesondere Spurstangen für Kraftfahrzeuge, mit einer kugelförmigen Verdickung und einem angeformten Schaft, der ein Innengewinde aufweist, aus Drahtmaterial herzustellen, welches zuerst zu einem Rohling geschmiedet wird. Anschließend erfolgt die Herstellung des Gelenkgehäuses im Bereich der kugelförmigen Verdickung und das Einbringen der Bohrung für das Innengewinde in dem Schaft durch aufwendige spanende Bearbeitung.

Eine Material- und energiesparende Herstellung wird in DE 195 36 035 A1 beschrieben. Dabei wird ebenfalls ein geschmiedeter Rohling als Ausgangsteil verwendet. Es wird nun zuerst durch Napfrückwärtsfließpressen im Schaft des Rohlings eine axiale Vertiefung, für das spätere Einbringen des Innengewindes erzeugt. Anschließend wird am Ende des Schaftes durch Kaltumformung zu einer Schlüsselfläche umgeformt und der Durchmesser der Vertiefung bis auf den Kerndurchmesser des Gewindes reduziert. Im Bereich der kugelförmigen Verdickung erfolgt nun das Herstellen des Gelenkgehäuses durch Stauchen, Napfen, und Lochen.

Dieses Verfahren ist durch die Vielzahl der Bearbeitungsstufen und die damit notwendigen Werkzeuge sehr kostenintensiv.

Es ist ebenfalls bekannt (R. Geiger: Präzisionsumformen durch Querfließpressen, in "Draht" 36 (1985), Nr. 10, S. 471-475), ein zylindrisches Ausgangsteil unter Anwendung eines zwei Preßstempel und einen Querstempel enthaltenden Werkzeuges zum Querfließpressen zu verformen, wodurch hohle Haupt- und Nebenformen erzeugt werden. Die Möglichkeiten bezüglich der zu erzielenden Formänderungen sind aber noch relativ begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung von gattungsgemäßen Gelenkgehäusen, insbesondere Spurstangenköpfen zu entwickeln, welches kostensparend arbeitet und zudem den Werkstofffluss begünstigt und somit größere Formänderungen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. und 6. Patentanspruchs gelöst.

Dabei wird ein zylinderförmiges massives Ausgangsteil verwendet, dessen Durchmesser in etwa dem Durchmesser des Gelenkgehäuses entspricht, sowie ein Werkzeug zum Querfließpressen mit zwei Preßstempeln, einer dem zu erzeugenden Schaft entsprechenden Gravur und einem in die Gravur eingreifend angeordneten Querstempel, mit denen das Ausformen des Schaftes mit seiner Bohrung und das Formen des Gelenkgehäuses erfolgt. Erfindungsgemäß wird mit einem dem Querstempel zugeordneten kraftbetätigbaren Hohlstempel eine Druckspannung erzeugt, die das Formänderungsvermögen des Werkstoffes verbessert.

Es ist auch möglich, gleichzeitig im ersten Verfahrensschritt Schlüsselflächen eines Sechskantes am Ende des Schaftes anzuformen.

Zwischen den Preßstempeln wird ein nach dem Querfließpressen entfernbarer Bereich mit einer Restwanddicke erzeugt, der beispielsweise durch Lochen oder Ausbohren erfolgt. Anschließend erfolgt das Herstellen eines Gewindes in der Bohrung und bedarfsweise die Bearbeitung des Schaftes auf Länge sowie eine bedarfsweise spanende Endbearbeitung des Gelenkgehäuses. Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug zur Herstellung eines mit einem angeformten Schaft versehenen Gelenkgehäuses ist der Querstempel von einem kraftbetätigbaren Hohlstempel ummantelt, gegen welchen der in die Gravur fließende Werkstoff gedrängt wird.

Die zum Werkstück weisenden Preßflächen der Preßstempel entsprechen im wesentlichen in ihrer Form der zu erzeugenden Innenkontur des Gelenkgehäuses und der seitliche Gegenstempel in seiner Länge und in seinem Durchmesser der zu erzeugenden Bohrung (mit entsprechenden Aufmaßen für eine weitere spanende Bearbeitung wie Gewindeschneiden).

Es ist auch möglich, den seitlichen Gegenstempel am Ende der Gravur mit einem Hohlstempel zu umgeben, gegen welchen der in die Gravur fließende Werkstoff gedrängt wird.

Der seitliche Gegenstempel und/oder der Hohlstempel können bedarfsweise entgegen einer Kraft in Richtung des Werkstoffflusses durch den Werkstoff verdrängbar sein. Dabei sollte diese die Kraft so ausgelegt sein, daß der seitliche Gegenstempel bzw. der Hohlstempel nur bei Überschreitung einer definierten axialen Belastung der Preßstempel nach außen verdrängbar sind.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Preßstempel und/oder der seitliche Gegenstempel und/oder der Hohlstempel eine das Werkzeug vor Überlastung schützende Kraftbegrenzung aufweisen. Diese kann hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch über eine oder mehrere Federn erfolgt. Es ist auch möglich die Kraftbegrenzung über einen Hydraulikzylinder zu steuern Vorteilhaft für das Querfließpressen ist es weiterhin, wenn Preßstempel und/oder der seitliche Gegenstempel und/oder der Hohlstempel mit einer Schwingung beaufschlagt werden. Diese sollte die Vorschubbewegung der Preßstempel und/oder die Rückhubbewegung von seitlichem Gegenstempel und/oder Hohlstempel überlagern und zwischen 25 Hz und 25 kHz liegen.

Bei einem zu großen Volumen des Ausgangswerkstücks werden der seitliche Gegenstempel und/oder der Hohlstempel beim Querfließpressen nach außen verdrängt (Rückhubbewegung), und somit eine Überlastung und Zerstörung von Werkzeugteilen vermieden. Ein Vorteil dieser Werkzeuganordnung ist weiterhin, daß bei zu großem Werkzeuginnendruck sich die seitlichen Gegenstempel bzw. Hohlstempel automatisch nach außen öffnen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch den seitlichen Gegenstempel und/oder den Hohlstempel der Werkstofffluß gezielt behindert wird. Hierdurch ergibt sich eine auf den Werkstückwerkstoff wirkende Druckspannung mit der Folge der Notwendigkeit einer Erhöhung der Axialkräfte der Preßstempel. Die Folge ist eine Erhöhung der mittleren Druckspannung im Umformgut. Da das Formänderungsvermögen, also die mögliche maximale Formänderung bis zum Eintreten eines Bruches in der Umformzone, wesentlich von dem mittleren Druckspannungszustand derart abhängt, daß mit größer werdendem mittleren Druckspannungszustand das Formände­ rungsvermögen ebenfalls größer wird, erscheint diese Vorgehensweise insbesondere zum Beispiel bei pulvermetallurgisch hergestellten Werkstücken besonders interessant.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des seitlichen Gegenstempels und/oder des Hohlstempels kann die Bauteilgeometrie verbessert werden ohne daß die Gefahr eines Werkzeugbruches besteht. Dies läßt sich auch erzielen, wenn eine geschlossene Gravur vorhanden ist und die Preßstempel über eine Kraftbegrenzung verfügen. Ein weiterer Vorteil der Lösung besteht darin, daß durch die Erhöhung des mittleren Druckspannungszustandes eine Erhöhung des Formänderungsvermögens des Werkstückwerk­ stoffes zu verzeichnen ist, so daß es erstmalig möglich wird Bauteile mit einer kugelförmigen Verdickungen einem sich daran anschließenden relativ langen Schaft in der Art eines Spurstangenkopfes durch Querfließpressen herzustellen. In nur einem Verfahrensschritt wird das die vollständige Außenkontur des Spurstangenkopfes, einschließlich Bohrung im Schaft und ggf. Schlüsselfläche erzeugt, so daß sich die notwendigen nachfolgenden Arbeiten auf wenige Verfahrensschritte reduzieren und die Kosten für den Herstellungsprozeß im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen wesentlich verringert werden. Durch die Beaufschlagung der Preßstempel und/oder des seitlichen Gegenstempels und/oder des Hohlstempels mit einer Schwingung wird die Reibung in Werkzeug wesentlich verringert, so daß sich die Standzeiten erhöhen. Durch die Schwingungen und die Erhöhung des Umformvermögens durch die Erhöhung der mittleren Druckspannung im Werkstoff können erstmalig auch relativ spröde Werkstoffe und pulvermetallurgisch hergestellte Werkstoffe durch Querfließpressen zur Herstellung von Spurstangenköpfen verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Werkzeug zur Herstellung eines Spurstangenkopfes im geschlossenen Zustand in Ausgangsstellung mit eingelegtem zylinderförmigem Rohling

Fig. 2 Werkzeug gem. Fig. 1 bei Anschlagen des Werkstückwerkstoff am Hohlstempel

Fig. 3 Werkzeug nach Beendigung des Querfließ­ preßvorganges

Fig. 4 Fließpreßteil

Fig. 5 gelochter und mit Innengewinde versehener Spurstangenkopf

Fig. 6 Spurstangenkopf mit partiell erweitertem Schaftdurchmesser und Sechskant

Fig. 7 Gehäuse mit einer Materialanhäufung am Schaftende

Gemäß Fig. 1 bis 3 weist das Werkzeug 1 zwei Werkzeug­ hälften 2 auf, die im geschlossenen Zustand eine Gravur 3 bilden. In den Werkzeughälften 2 werden zwei gegeneinander verfahrbare Preßstempel 4.1, 4.2 geführt. Die Preßstempel weisen in Richtung zum Werkstück Formelemente 4a, 4b auf. Rechtwinklig zu den Preßstempeln ist ein in die Gravur 3 eingreifender seitlicher Gegenstempel 5 angeordnet, der zwischen Spannbacken 6 fest eingespannt ist. Am Außendurchmesser des seitlichen Gegenstempels ist ein Hohlstempel 7 angeordnet, der sich mit seinem vom Werkstück wegweisendem Ende gegen eine Druckfeder 8 abstützt. Die Wirkungsweise ist folgende:
Fig. 1 zeigt die Ausgangsstellung, bei welcher ein zylinderförmiger Rohling 9 in das Werkzeug 1 zwischen den Preßstempeln 4.1, 4.2 eingelegt wurde. Nun bewegen sich die beiden Preßstempel 4.1 und 4.2 in einer Vorschub­ bewegung aufeinander zu und der Werkstückwerkstoff wird in die Gravur 2 gepreßt. Wenn der Werkstoff gem. Fig. 2 über den seitlichen Gegenstempel 5 fließt und anschließend gegen den Hohlstempel 7 gepreßt wird wirkt sich die dabei auftretende Erhöhung der mittleren Druckspannung positiv auf das Formänderungsvermögen des Werkstückwerkstoffes aus. Der Werkstoff fließt entgegen der auf den Hohlstempel 7 wirkenden Kraft der Druckfeder 8 weiter über den Stempel und füllt die Gravur 3 aus, wobei der Hohlstempel eine Rückhubbewegung vollführt und die Druckfeder zusammengedrückt wird (Fig. 3). Dadurch wird auch eine Überbeanspruchung des Werkzeuges und ein Werkzeugbruch vermieden. Zwischen den Preßstempeln bleibt eine Restwanddicke erhalten, die anschließen durch Lochen oder Bohren entfernt werden kann.

Durch eine Überlagerung der Vorschubbewegung der Preßstempel 4.1, 4.2 und/oder eine Beaufschlagung des Hohlstempels mit einer Schwingung (möglich wenn z. B. als Feder eine Hydraulikzylinder) kann das Formänderungs­ vermögen des Werkstoffes weiter positiv beeinflußt werden. Ein zusätzlicher Effekt liegt in der Verminderung der Reibung, wodurch der Werkzeugverschleiß verringert wird.

Fig. 4 zeigt das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Fließpreßteil 9. An das Gelenkgehäuse 9.1 schließt sich der Schaft 9.2 an. Im Gelenkgehäuses befinden sich gegenüberliegende Aussparungen 9.3 und 9.4, die mit den Preßstempeln erzeugt wurden. Dazwischen befindet sich eine Restwanddicke 9.5. Im Schaft 9.2 wurde die Bohrung 9.6 erzeugt.

Ein gelochter und mit Innengewinde 9.7 versehener Spur­ stangenkopf 9 ist in Fig. 5 dargestellt. Durch das Lochen wurde der Bereich mit der Restwanddicke 9.5 entfernt und es entsteht eine Durchgangsbohrung B zur späteren Aufnahme eines Kugelgelenkes. Es ist auch möglich, bei entsprechender Gestaltung der Gravur des Werkzeuges einen Spurstangenkopf 9 mit partiell erweitertem Schaftdurch­ messer 9.8 und einem Sechskant 9.9 am Ende des Schaftes 9.2 gem. Fig. 6 zu erzeugen.

Fig. 7 zeigt ein Gelenkgehäuse 9.1 mit einer kugelförmigen Materialanhäufung 9.10 am Ende des Schaftes 9.2, so daß bisher aus zwei Teilen hergestellte Werkstücke aus einem Stück gefertigt werden können.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines mit einem angeformten hohlen Schaft versehenen Gelenkgehäuses, insbesondere eines Spurstangenkopfes, bei dem ein zylinderförmiges Ausgangsteil (9) aus Vollmaterial verwendet wird, dessen Durchmesser in etwa dem Durchmesser des Gelenkgehäuses (9) entspricht, und unter Anwendung eines Werkzeuges zum Querfließpressen mit zwei Preßstempeln (4.1, 4.2), einer dem zu erzeugenden Schaft (9.2) entsprechenden Gravur (3) und einem in die Gravur (3) eingreifend angeordneten Querstempel (5) das Ausformen des Schaftes (9.2) mit seiner Bohrung (9.6) und das Formen des Gelenkgehäuses (9) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem dem Querstempel (5) zugeordneten kraftbetätigbaren Hohlstempel (7) eine Druckspannung erzeugt wird, die das Formänderungsvermögen des Werkstoffes verbessert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Querfließpressen gleichzeitig im ersten Verfahrensschritt Schlüsselflächen eines Sechskantes (9.9) am Ende des Schaftes (9.2) angeformt werden.

3. Verfahren nach einem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Preßstempeln (4.1, 4.2) ein nach dem Querfließpressen entfernbarer Bereich mit einer Restwanddicke (9.5) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen des Bereiches durch Lochen oder Ausbohren erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Querfließpressen und dem Entfernen des Bereiches das Herstellen eines Gewindes in der Bohrung (9.6) und bedarfsweise die Bearbeitung des Schaftes (9.2) auf Länge erfolgt.

6. Werkzeug zur Herstellung eines mit einem angeformten Schaft versehenen Gelenkgehäuses, mit im geschlossenen Zustand eine Gravur (3) bildenden Werkzeughälften (2), zwei aufeinander zu bewegbaren Preßstempeln (4.1, 4.2) und wenigstens einem seitlich in die Gravur (3) eingreifenden Querstempel (5), wobei zum Werkstück weisende Preßflächen der Preßstempel (4.1, 4.2) im wesentlichen in ihrer Form der zu erzeugenden Innenkontur des Gelenkgehäuses, die Gravur (3) der Form des zu erzeugenden Schaftes (9.2) und der Querstempel (5) in Länge und Durchmesser der zu erzeugenden Bohrung (9.6) entsprechen, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querstempel (5) von einem kraftbetätigbaren Hohlstempel (7) ummantelt ist, gegen welchen der in die Gravur (3) fließende Werkstoff gedrängt wird.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querstempel (5) und/oder der Hohlstempel (7) bedarfsweise gegen eine Kraft in Richtung des Werkstofflusses durch den Werkstoff verdrängbar sind.

8. Werkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Querstempel (5) und/oder der Hohlstempel (7) nur bei Überschreitung einer definierten axialen Belastung des Preßstempels (4.1, 4.2) nach außen verdrängbar sind.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche von 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßstempel (4.1, 4.2) und/oder der Querstempel (5) und/oder der Hohlstempel (7) eine das Werkzeug vor Überlastung schützende Kraftbegrenzung aufweisen.

10. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftbegrenzung des Preßstempels (4.1, 4.2) und/oder des Querstempels (5) hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch erfolgt.

11. Werkzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftbegrenzung über eine oder mehrere Federn (8) erfolgt.

12. Werkzeug nach einem der Ansprüche von 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftbegrenzung über eine Hydraulikzylinder erfolgt.

13. Werkzeug nach einem der Ansprüche von 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den in Richtung zum Werkstoff weisenden Stirnflächen des Querstempels (5) ein Formelement angeordnet ist.

14. Werkzeug nach einem der Ansprüche von 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschub der Preßstempel (4.1, 4.2) und/oder der Querstempel (5) und/oder der Hohlstempel (7) von einer Schwingung überlagert ist.

15. Werkzeug nach einem der Ansprüche von 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung im Bereich von 25 Hz bis 25 kHz liegt.