EP4385640A1 - Umformwerkzeug, umformwerkzeuganordnung, umformmaschine, umformverfahren und computerprogramm zum erzeugen eines zylindrischen werkstücks mit einer spiralförmigen aussenkontur durch rundkneten - Google Patents

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Publication number
EP4385640A1
EP4385640A1 EP22214253.1A EP22214253A EP4385640A1 EP 4385640 A1 EP4385640 A1 EP 4385640A1 EP 22214253 A EP22214253 A EP 22214253A EP 4385640 A1 EP4385640 A1 EP 4385640A1
Authority
EP
European Patent Office
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forming
cam
forming tool
cams
tool
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22214253.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nadezda Missal
Serjosha Heinrichs
Max Olaf JANDT
Sascha VÖGELE
Maximilian LUDWIG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Felss Systems GmbH
Original Assignee
Felss Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Felss Systems GmbH filed Critical Felss Systems GmbH
Priority to EP22214253.1A priority Critical patent/EP4385640A1/de
Priority to PCT/EP2023/085830 priority patent/WO2024126686A1/de
Publication of EP4385640A1 publication Critical patent/EP4385640A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J7/00—Hammers; Forging machines with hammers or die jaws acting by impact
    • B21J7/02—Special design or construction
    • B21J7/14—Forging machines working with several hammers
    • B21J7/145—Forging machines working with several hammers the hammers being driven by a rotating annular driving member
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21K1/06—Making machine elements axles or shafts
    • B21K1/066—Making machine elements axles or shafts splined
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21K5/00—Making tools or tool parts, e.g. pliers
    • B21K5/02—Making tools or tool parts, e.g. pliers drilling-tools or other for making or working on holes
    • B21K5/04—Making tools or tool parts, e.g. pliers drilling-tools or other for making or working on holes twisting-tools, e.g. drills, reamers

Definitions

  • the invention relates to a forming tool for a forming tool arrangement for the multi-stage production of a cylindrical workpiece with a spiral-shaped outer contour by rotary swaging, having a forming side with a cam structure formed on the forming side.
  • the invention also relates to a forming tool arrangement with such a forming tool and a forming machine with a forming tool arrangement.
  • the invention further relates to a forming method and a computer program for controlling the forming machine during the process.
  • Components with a spiral outer contour are used in many different ways. For example, in connection with screw gears, where threaded rods or threaded spindles are used to convert a rotary motion into a linear motion. Typical applications include scissor jacks, linear guides on machine tools or steering spindles on motor vehicles. Depending on the specific application, different thread shapes are provided, e.g. ball threads or trapezoidal threads, which can be designed as right-hand or left-hand threads.
  • the spiral-shaped outer contour is produced using machining processes.
  • the EN 10 2014 225 104 B4 A method for machining a ball screw is known.
  • a forming tool or a mold jaw is provided.
  • the forming tool is designed for arrangement in a forming tool arrangement, in particular a rotary swaging unit. Furthermore, the forming tool is suitable for the multi-stage production of a cylindrical workpiece with a spiral-shaped outer contour by rotary swaging.
  • the cylindrical workpiece is preferably produced from a cylindrical workpiece blank.
  • multi-stage production involves the serial or spatially spaced action of the same forming tool and/or different forming tools on the same area of the workpiece blank, with each stage contributing a gradual portion to the overall forming.
  • the forming tool has a force introduction side for introducing a forming force into the forming tool.
  • the force introduction side is preferably flat, which allows a particularly uniform force introduction.
  • the forming tool also has a forming side opposite the force introduction side.
  • the forming side is designed to introduce the forming force into the workpiece blank.
  • the forming side is at least temporarily in engagement with the workpiece blank during the production of the cylindrical workpiece.
  • the introduction of the forming force takes place in a forming direction.
  • the forming direction is typically the same as a radially inward direction of the cylindrical workpiece to be produced.
  • the force introduction side can be designed to be inclined to the forming direction. This allows the distance of the forming tool, when arranged in a forming tool arrangement, to be adjusted in a controlled manner by applying an adjustment wedge to the workpiece blank. Typically, the distance of the forming tool to the workpiece blank is adjusted depending on the outer diameter of the workpiece blank. The distance of the forming tool to the workpiece blank can also be adjusted by means of the adjustment wedge to an outer diameter of the workpiece blank that has been reduced, for example by forming. In other words, the forming tool can be adjusted by means of the adjustment wedge.
  • the forming tool has a cam structure formed on the forming side.
  • the cam structure can cause a radial depression or a notch to produce the spiral-shaped outer contour on the workpiece blank.
  • the cam structure has at least one first forming cam and one second forming cam.
  • the cam structure can have further forming cams.
  • the forming cams are arranged one behind the other in a longitudinal direction of the forming tool perpendicular to the forming direction.
  • the forming cams of the cam structure are arranged in a row in the longitudinal direction.
  • the longitudinal direction can correspond to a workpiece feed direction of a workpiece blank to be formed in a forming process during the production of a cylindrical workpiece with a spiral-shaped outer contour.
  • Each forming cam has a cam height, typically in the forming direction.
  • the cam heights of at least two forming cams are different.
  • at least one forming cam protrudes, typically in the forming direction, from at least one other forming cam.
  • the first forming cam has a different cam height than the second forming cam if the cam structure only comprises two forming cams.
  • two or more forming cams can have the same cam height, provided that at least one further forming cam has a different cam height.
  • Different cam heights enable multi-stage, in other words stepped, forming of the spiral-shaped outer contour in the forming direction. The forming tool can therefore penetrate the workpiece blank to be formed in several stages during a forming process without the forming tool having to be adjusted in the forming direction.
  • the forming cams have a cam direction that is formed obliquely to the longitudinal direction of the forming tool.
  • the cam direction is preferably deflected by a pitch angle to a transverse direction that is perpendicular to the longitudinal direction.
  • the pitch angle can be between 1 degree and 89 degrees, preferably between 5 degrees and 45 degrees, particularly preferably between 10 degrees and 30 degrees.
  • the cam direction has the same Pitch angle like the spiral outer contour of the workpiece to be manufactured.
  • the forming tool according to the invention has a cam structure which is formed by the forming cams in sections that are complementary to the spiral-shaped outer contour of the cylindrical workpiece to be produced.
  • the spiral-shaped outer contour can be produced by the forming cams acting on the workpiece blank at least twice, forming a spiral-shaped notch or depression.
  • a spiral-shaped relative movement between the forming tool and the workpiece blank to be formed is superimposed on the forming process.
  • the forming side has a forming groove extending in the longitudinal direction.
  • the forming groove typically has a groove base that is circular segment-shaped in cross section.
  • the cam structure is typically arranged, in particular completely, in the forming groove.
  • the forming groove has a groove section with a cross-section that tapers in the longitudinal direction or in the workpiece feed direction (inlet section).
  • the groove base typically has a circle segment radius that decreases in the longitudinal direction.
  • the circle segment radius decreases starting from a radius of the workpiece blank to an outer radius of the spiral-shaped outer contour of the workpiece to be manufactured.
  • the forming groove can have a groove section with a constant cross-section in the longitudinal direction or in the workpiece feed direction (calibration section).
  • the cam structure may comprise at least one forming cam which is arranged in the groove section with a tapered cross-section and/or in the groove section with constant cross-section.
  • the forming groove has both an inlet section and a calibration section, each with at least one forming cam arranged therein, the calibration section being arranged downstream of the inlet section in the longitudinal direction. This allows the spiral-shaped outer contour to be produced particularly precisely.
  • the cam structure has at least three, preferably at least six, particularly preferably at least twelve, forming cams.
  • the gradual contribution of a single forming cam to the overall forming during the creation of the spiral-shaped outer contour can be reduced. This can increase the manufacturing accuracy of the spiral-shaped outer contour.
  • the creation of a spiral-shaped outer contour with multiple turns, in particular thread turns can be improved.
  • the forming cams are preferably arranged equidistantly from one another in the longitudinal direction.
  • adjacent forming cams of the cam structure are each at the same distance from one another in the longitudinal direction. This makes it possible, for example, to produce a multi-start spiral-shaped outer contour with the same distance between the individual threads or with a uniform pitch.
  • An embodiment of the forming tool is also preferred in which at least one of the, preferably several of the, particularly preferably all of the, forming cams has or have a forming section curved around the longitudinal direction.
  • the curved forming section can be understood as a part of the forming cam that creates a root circle of the spiral-shaped outer contour to be created.
  • a section of the corresponding forming cam that acts on the workpiece blank can be made larger in the cam direction, whereby a larger outer area of the workpiece blank can be formed.
  • At least one of the forming cams has a cam contour that is curved, triangular or trapezoidal in the longitudinal direction or in the workpiece feed direction.
  • a first forming cam of the cam structure in the longitudinal direction has a curved cam contour.
  • the cam contours of the forming cams following the first forming cam in particular a profile shape, approach the spiral outer contour of the cylindrical workpiece to be produced.
  • the cam contour is increasingly adapted to the spiral outer contour to be produced as the degree of deformation of the workpiece blank by the forming cams increases. The inventors have recognized that this can increase the manufacturing quality of the cylindrical workpiece with a spiral outer contour.
  • a further preferred embodiment of the forming tool is one in which at least one of the forming cams has a first cam flank and a second cam flank.
  • a cam flank is to be understood as a forming section of the forming cam that is predominantly formed in the direction of the cam progression, wherein the forming section produces a continuous flank of the spiral-shaped outer contour.
  • the first and second cam flanks of a forming cam typically form opposite flanks of the same notch of the spiral-shaped outer contour.
  • several forming cams of the cam structure have a first and a second cam flank.
  • At least one forming cam of the cam structure typically the last one formed in the longitudinal direction, has a first and a second cam flank that corresponds to a flank shape of the spiral-shaped outer contour to be produced.
  • the first cam flank and the second cam flank are typically formed inclined to the forming direction. This can further improve the manufacturing quality.
  • At least one forming cam can have an inlet section and/or outlet section formed in the cam direction.
  • the inlet section is preferably designed as a section extending against the
  • the run-out section is preferably designed as a section that tapers in the direction of the cam.
  • the run-in section or the run-out section can enable the forming cam to be easily inserted or removed into or from an existing notch on the outer contour of the workpiece blank during the forming of a workpiece blank.
  • the run-in section is arranged upstream of the forming section having the cam flanks in the direction of the cam and the run-out section is arranged downstream of the forming section having the cam flanks in the direction of the cam.
  • the first and second cam flanks of at least one forming cam form a cam angle of at most 40 degrees, preferably of at most 30 degrees, particularly preferably of at most 20 degrees.
  • the cam angle can correspond to a flank angle of the spiral-shaped outer contour to be produced. A smaller cam angle enables the formation of a steeper flank angle on the spiral-shaped outer contour to be produced.
  • the forming tool has a forming tool section that tapers in the forming direction.
  • the forming tool section is preferably trapezoidal in a view projected in the longitudinal direction.
  • the forming side has a reduced area compared to the force introduction side. As a result, a forming force introduced via the force introduction side can be concentrated on a smaller forming area on the workpiece blank.
  • a forming tool arrangement for example a rotary swaging unit, for a forming machine for the multi-stage production of a cylindrical workpiece with a spiral-shaped outer contour by rotary swaging.
  • the forming tool arrangement has at least one first forming tool, as described above and below, and at least one second forming tool, as described above and below.
  • the forming tool arrangement can have further forming tools, as described above and below.
  • the forming tools are preferably of the same construction or identical design. This allows costs to be avoided when manufacturing the forming tool arrangement by using a higher number of identical parts.
  • the forming tools are arranged concentrically around a central axis of the forming tool arrangement.
  • the central axis of a workpiece blank arranged in the forming tool arrangement corresponds to a workpiece axis of the workpiece blank.
  • the forming tools at least partially enclose the workpiece blank during the creation of the spiral-shaped outer contour.
  • the forming tools are aligned with their respective forming sides in the direction of the central axis. In other words, the forming tools are aligned radially inwards.
  • the forming tool arrangement is designed to radially deflect the forming tools in the direction of the central axis. In other words, the forming tools are deflected by the forming tool arrangement according to their respective forming direction. Typically, the forming tools are moved towards each other. By radially deflecting the forming tools, a radial force can be introduced in the respective forming direction of a forming tool into the workpiece blank to be formed.
  • the first forming cam of the first forming tool is arranged together with one of the forming cams of the second forming tool on a first helical line.
  • forming cams of different forming tools are arranged on a common helical line.
  • the creation of the spiral-shaped outer contour can therefore be achieved by Multi-stage action of forming cams from different forming tools on the same workpiece section of the workpiece blank can be achieved.
  • the forming tool arrangement can also have an outer ring, a roller cage that can be driven by a motor, in particular by means of the outer ring, a guide insert and at least two plungers.
  • the roller cage is typically arranged concentrically within the outer ring and designed to arrange several rollers that are rotatably held on the roller cage. The rollers can protrude radially outwards and radially inwards beyond the roller cage.
  • the roller cage is usually in permanent contact with the outer ring by means of the rollers on the radially outer side.
  • the guide insert is usually arranged within the roller cage and is designed to accommodate the forming tools and in particular the plungers in a radially movable manner.
  • a plunger and a forming tool can each form a common forming punch.
  • the plunger and the forming tool are radially deflected together.
  • the plungers typically protrude radially outwards beyond the guide insert and are designed to temporarily contact the rollers of the roller cage.
  • the roller cage is in a rotating motion, with the rollers regularly rolling over the rams and thereby deflecting them in a radial direction. In other words, each time the ram rolls over, a radially inward-directed forming impact is caused.
  • the number of impacts depends on the speed of the roller cage.
  • the second forming cam of the first forming tool is arranged on the first helical line.
  • Such an arrangement of the forming tools enables, for example, the creation of a spiral-shaped outer contour with only one thread.
  • the second forming cam of the first forming tool is arranged together with one of the forming cams of the second forming tool on a second helical line. This can enable, for example, the creation of a spiral-shaped outer contour with at least two threads.
  • a further preferred embodiment of the forming tool arrangement is one in which both forming cams of the second forming tool are arranged on the first helical line. This allows the gradual contribution of the individual forming tools and the gradual contribution of the individual forming cams to the overall forming or the formation of the spiral notch to be reduced, whereby the manufacturing quality can be further increased.
  • the forming tool arrangement has at least one further forming tool described here and below.
  • one of the forming cams of the further forming tool can be arranged on the first helical line. This allows the gradual proportion of the individual forming cams to be further reduced and the manufacturing quality to be further increased.
  • one of the forming cams of the further forming tool is arranged on the second helical line. This allows the manufacturing quality to be increased when creating a spiral-shaped outer contour with two threads.
  • the forming tools have several, preferably at least six, particularly preferably at least twelve, forming cams.
  • the first forming cams of the forming tools are preferably arranged on different helical lines.
  • the forming cams of a forming tool that follow the first forming cam in the respective longitudinal direction are arranged on the helical lines of the other forming tools, alternating with the helical line of the same workpiece.
  • the forming tool arrangement is designed to form a number of threads on the spiral outer contour that is the same as the number of forming tools.
  • the forming tools in this case are designed the same, in particular identical, and are arranged in the forming tool arrangement without offset from one another along the central axis.
  • the underlying task is also solved by a forming machine.
  • the forming machine is suitable for the multi-stage production of a cylindrical workpiece with a spiral-shaped outer contour by rotary swaging.
  • the forming machine has the forming tool arrangement described here and below.
  • the forming machine also has a feed device.
  • the feed device is designed for arranging, in particular clamping, the workpiece blank.
  • the feed device typically comprises a collet for this purpose.
  • the feed device is designed to be translationally movable relative to the forming tool arrangement in the workpiece feed direction or along the center axis of the forming tool arrangement.
  • the forming machine comprises a machine control designed to regulate machine parameters.
  • the machine control regulates at least the rotational speed of the forming tool arrangement and a feed rate of the feed device.
  • the forming machine is designed to carry out a relative rotary movement between the forming tool arrangement and the feed device. In other words, the forming machine is designed to carry out a rotary movement of the workpiece blank relative to the forming tools when a workpiece blank is arranged.
  • the forming machine has a mandrel device.
  • the mandrel device typically comprises a forming mandrel which is arranged within a hollow cylindrical workpiece blank before a forming process.
  • the mandrel device is preferably arranged on the feed device.
  • the forming process is suitable for the multi-stage production of a cylindrical workpiece with a spiral-shaped outer contour by rotary swaging.
  • the forming process is carried out using a forming machine described here and below and comprises the following process steps.
  • One method step provides for the arrangement, in particular clamping, of a workpiece blank on the forming machine.
  • the workpiece blank is clamped in the feed device, in particular by means of a collet held in front.
  • the workpiece blank is arranged on the forming machine in such a way that a workpiece axis of the workpiece blank coincides with the center axis of the forming tool arrangement.
  • a further method step provides for the production of the cylindrical workpiece with the spiral-shaped outer contour by moving the feed device in the workpiece feed direction and simultaneously carrying out the relative rotational movement between the forming tool arrangement and the feed device.
  • the relative rotational movement is adapted to the movement in the workpiece feed direction in such a way that the forming cams along the helical lines cause a plastic deformation of the workpiece blank, in particular a spiral-shaped notch on the outside of the workpiece blank, by radial deflection of the forming tools.
  • a feed rate for the movement in the workpiece feed direction is preferably less than 50 millimeters per second in order to ensure good manufacturing quality with a short manufacturing time.
  • the feed rate is particularly preferably between 5 and 30 millimeters per second. This ensures a particularly high manufacturing quality.
  • a rate of impact of the forming tools between 10 and 100 impacts per second, preferably between 20 and 60 impacts per second, particularly preferably 40 impacts per second, results in a high surface quality on the workpiece.
  • the relative rotational movement between the forming tool arrangement and the feed device or the workpiece blank is adapted to the number of blows.
  • This allows a so-called transfer angle between two consecutive forming blows to be predetermined.
  • a transfer angle of at most 40 degrees, preferably of at most 20 degrees, particularly preferably of at most 5 degrees, has proven to be particularly advantageous with regard to the manufacturing quality of the spiral-shaped outer contour of the workpiece, in particular the one to be produced.
  • the cylindrical workpiece is produced from a hollow workpiece blank.
  • a forming mandrel is arranged within the hollow workpiece blank.
  • the spiral-shaped outer contour is produced via a forming mandrel. This allows a workpiece with a precise inner contour to be produced, since a radial flow of material during forming is prevented by the forming mandrel.
  • the computer program is designed to operate the forming machine described here and below.
  • the forming machine is designed to have a numerical machine control.
  • the computer program includes control commands for the machine control, which cause the forming process described here and below to be carried out by the forming machine when the computer program runs on the numerical machine control of the forming machine.
  • a forming machine 10 has a forming tool arrangement 12 and a partially shown feed device 14.
  • a workpiece blank 18, e.g. a pipe, clamped to a collet 16 can be fed along a feed axis 20 of the feed device 14 or along a central axis 22 of the forming tool arrangement 12.
  • the feed axis 20 coincides with a longitudinal axis 24 of the clamped workpiece blank 18.
  • the clamped workpiece blank 18 with a workpiece longitudinal section to be machined can be introduced into the forming tool arrangement 12 via an insertion opening 26 on a front side 28 of the forming tool arrangement 12.
  • the workpiece blank 18 can be subjected to an axial movement 29 in the direction of the forming tool arrangement 12.
  • the feed device 14 is designed to effect a rotary movement 30 of the workpiece blank 18 about the feed axis 20.
  • the feed device 14 comprises drive means (not shown in detail) for this purpose.
  • the feed device 14 is designed to superimpose the rotary movement 30 with the axial movement 29.
  • the forming machine 10 or the forming tool arrangement 12 can have a drive unit (not shown in detail), typically an electric motor.
  • the drive unit is typically designed to drive the forming tool arrangement 12.
  • the forming machine 10 further comprises a machine control 34 for controlling the forming machine 10.
  • the machine control 34 is connected to the forming tool arrangement 12 and the feed device 14 via schematically illustrated communication connections 36 .
  • a forming tool arrangement 12 is shown as a solitary assembly.
  • the forming tool arrangement 12 comprises a roller cage 38, several rollers 42 arranged on the roller cage 38, several - here four - rams 44 and an equal number of forming tools 46.
  • One ram 44 and one forming tool 46 together form a forming punch 48.
  • each forming punch 48 has an adjustment wedge 50 arranged between the ram 44 and the forming tool 46.
  • only one roller 42, one ram 44, one forming tool 46, one forming punch 48 and one adjustment wedge 50 are provided with a reference symbol.
  • the rollers 42 are rotatably arranged on the roller cage 38. As shown, the roller cage 38 can have cylindrical recesses into which the rollers 42 are inserted parallel to the central axis 22.
  • the roller cage 38 is designed concentrically to the central axis 22 and has a radially outer side 52 and a radially inner side 54.
  • the rollers 42 protrude radially beyond the roller cage 38 on the radially outer side 52 and on the radially inner side 54.
  • the rollers 42 usually rest on an outer ring (not shown in detail) on the radially outer side 52, or the roller cage 38 is supported on the outer ring by means of the rollers 42.
  • the forming punches 48 are arranged within the roller cage 38 such that a forming side 56 of the forming tools 46 is aligned radially inward in the direction of the central axis 22 of the forming tool arrangement 12 or in a forming direction 58 of the forming tools 46. As shown, the forming tools 46 are arranged concentrically to the central axis 22.
  • the forming dies 48 are evenly distributed over a radial inner circumference of the roller cage 38 or the radially inner side 54 of the roller cage 38.
  • the roller cage 38 is set in a rotational movement 60 relative to the forming punches 48.
  • the rollers 42 pass the rams 44, whereby they are displaced radially inwards and cause a forming force in the forming direction 58.
  • a stroke rate is predetermined, which defines the number of forming movements per unit of time.
  • a radial extension of the forming punch 48 is adapted to an outer diameter of a workpiece blank 18 to be formed.
  • the adjustment wedge can be moved parallel to the central axis 22 in order to reduce or increase the radial extension of the forming punch 48.
  • Figure 3 is a tool arrangement 12 in a sectional side view of a Fig.2 marked cutting plane XX .
  • the tool arrangement 12 has four identical forming tools 46, of which only three forming tools 46 can be seen due to the sectional representation.
  • the forming tools 46 are arranged concentrically around the central axis 22 of the tool arrangement 12.
  • Each forming tool 46 has a force introduction side 62 and a forming side 64 opposite the force introduction side 62.
  • a force is introduced via the force introduction side 62 into the forming tool 46 and via the forming side 64 into the workpiece blank 18 to be formed.
  • a force is caused in the forming direction 58.
  • the forming direction 58 of each forming tool 46 is typically directed towards the central axis 22 of the forming tool arrangement 12.
  • the force introduction side 62 of a forming tool 46 can, preferably the force introduction sides 62 of all forming tools 46, as shown, be formed obliquely to the forming direction 58.
  • the force introduction side 62 can enclose an angle 66 with a plane 68 running perpendicular to the forming direction 58.
  • the forming sides 64 of the forming tools 46 each have a cam structure 70.
  • Each cam structure 70 has several - here fourteen - forming cams 72. For reasons of clarity, only two cam structures 70 and one first forming cam 72 of the two cam structures 70 in the longitudinal direction 74 of the respective forming tool 46 are provided with a reference symbol.
  • the forming cams 72 of each cam structure 70 are arranged one behind the other in the longitudinal direction 74 of the respective forming tool 46.
  • the longitudinal direction 74 preferably runs in the same direction as the axial movement 29 (see Fig.1 ) of a workpiece blank 18 (see Fig.1 ) during the production of a cylindrical workpiece.
  • Figure 4 shows the tool arrangement 12 from Figure 3 with a workpiece blank 18 located in the tool arrangement 12 to explain the production of a cylindrical workpiece with a spiral-shaped outer contour.
  • the workpiece blank 18 is fed to the forming tool arrangement 12 with a feed movement 76, which results from a superposition of the axial movement 29 and the rotary movement 30.
  • the workpiece blank 18 is moved along the central axis 22 between the forming tools 46, wherein the forming tools 46 temporarily act radially on the workpiece blank 18 in the respective forming direction 58.
  • the forming sides 64 in particular the cam structures 70, cause a plastic deformation of the workpiece blank 18.
  • the forming cams 72 form a notch 78 on the workpiece blank 18, which produces a spiral-shaped outer contour due to the feed movement 76.
  • the axial movement 29 is coordinated with the rotary movement 30 in such a way that, due to the resulting feed movement 76, a section of the workpiece blank 18 that has been formed by a forming cam 72 of a first forming tool 46 is fed to a forming cam 72 of a forming tool 46 that is immediately downstream in the direction of rotation of the rotary movement 30.
  • the notch 78 started by a forming cam 72 is continuously formed in several stages by further forming cams 72 of further forming tools 46.
  • the notch 78 can be created, as shown, by different forming cams 72 of different forming tools 46 and different forming cams 72 of the same cam structure 70 of a forming tool 46.
  • first helical line 80 Individual and/or multiple forming cams 72 of one and/or multiple forming tools 46 are thus arranged on at least one common first helical line 80. As shown, the notch 78 runs along the first helical line 80. For reasons of clarity, Figure 4 only one notch 78 is shown. Furthermore, it is self-explanatory that according to the embodiment shown, further notches 78 can be formed, for example along a second screw line 82 through the forming sides 64. The number of screw lines 80, 82 is preferably equal to the number of forming tools 46.
  • an initial diameter 84 of the workpiece blank 18 is reduced to a final diameter 86.
  • the workpiece blank 18 is subjected to a diameter reduction.
  • Figure 5 shows an alternative tool arrangement 12 in a sectional side view analogous to that in Fig.2 marked cutting plane XX.
  • the tool arrangement 12 has four different forming tools 46. Due to the sectional representation, only three forming tools 46 are shown in the Figure 5 The forming tools 46 are arranged concentrically around the central axis 22 of the tool arrangement 12.
  • the cam structures 70 of the various forming tools 46 are coordinated with one another along the center axis 22, or are formed on the respective forming tool 46, in such a way that a spiral-shaped outer contour is formed with only a single notch 78.
  • the spiral-shaped outer contour has only one thread.
  • all forming cams 72 of the respective cam structure 70 and all forming cams 72 of the other forming tools 46 are located on the, here only, screw line 80.
  • Figure 6 shows a single forming tool 46 in a plan view of the forming side 64.
  • the forming side 64 has a forming groove 88.
  • the cam structure 70 can be arranged completely within the forming groove 88 as shown.
  • the forming groove 88 here has an inlet section 90 with a tapered cross-section.
  • the inlet section 90 is designed to reduce the diameter of a workpiece blank 18 to be formed (see Fig.4 ).
  • the cam structure 70 has at least one forming cam 72 in the inlet section 90. As shown, the cam structure 70 has seven forming cams 72 arranged entirely in the inlet section 90.
  • the forming groove 88 here also has a calibration section 92 with a constant cross-section.
  • the calibration section 92 is designed for fine forming of the workpiece blank 18. Typically, the gradual proportion of an overall forming on the forming cams 72 in the calibration section 92 is less than the gradual proportion on the forming cams 72 in the inlet section.
  • the calibration section 92 has five forming cams 72 of the cam structure 70 arranged entirely in the calibration section 92.
  • the forming cams 72 of the cam structure 70 have a cam direction 94 which is designed to deviate from a transverse direction 96 running perpendicular to the longitudinal direction 74 with a pitch angle 98.
  • the cam direction 94 runs obliquely to the longitudinal direction 74.
  • all forming cams 72, as shown, have the same cam direction 94.
  • the forming cams 72 are designed to be parallel to one another.
  • Figure 7 the forming tool 46 is made of Figure 6 shown in a perspective view.
  • the forming tool 46 has a forming tool section 100 that tapers in the forming direction 58.
  • the forming tool section 100 has, on its side facing away from the force introduction side 62, the forming groove 88 with the cam structure 70 arranged or formed therein.
  • the forming groove 88 typically has a circular segment-shaped groove base 102 in its cross section. As a result, a circular cross section of the workpiece blank 18 can be maintained and/or created during the forming process.
  • Figure 8 shows an enlarged partial section of the forming tool 46 from the Figures 6 and 7 in a longitudinal section through the forming groove 88 and the cam structure 70.
  • the cam structure 70 has forming cams 72a with a cam contour 104 curved in the longitudinal direction 74. Furthermore, the cam structure 70 can, as shown, have forming cams 72b with a trapezoidal cam contour 106 running in the longitudinal direction 74. For reasons of clarity, only one forming cam 72a, one forming cam 72b, one curved cam contour 104 and one trapezoidal cam contour 106 are provided with a reference number. As shown, the first forming cams 72 in the longitudinal direction 74 have the curved cam contour 104 and the last forming cams 72 in the longitudinal direction 74 have the trapezoidal cam contour 106.
  • the forming cams 72 in particular the forming cams 72b with a trapezoidal cam contour 106, can have a first cam flank 108 and a second cam flank 110.
  • the first cam flank 108 is positioned in front of the second cam flank 110 in the longitudinal direction 74.
  • the first cam flank 108 and the second cam flank 110 of the same forming cam 72 form a cam angle 112.
  • the first cam flank 108 and the second cam flank 110 or the second cam flank 110 and the first cam flank 108 of adjacent forming cams 72 form a notch angle 114 .
  • a cam height 116 of each forming cam 72 is measured between a cam peak 118 and the groove base 102 in the forming direction 58.
  • the cam height 108 preferably increases in the longitudinal direction 74, in particular continuously.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug (46) für eine Umformwerkzeuganordnung (12) zum mehrstufigen Erzeugen eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur durch Rundkneten, aufweisend eine Krafteinleitungsseite (62), eine der Krafteinleitungsseite (62) gegenüberliegende Umformseite (64) und eine an der Umformseite (64) ausgebildete Nockenstruktur (70). Die Nockenstruktur (70) weist eine erste Umformnocke (72; 72a, 72b) und eine zweite Umformnocke (72; 72a, 72b) auf, die in einer Längsrichtung (74) des Umformwerkzeugs (46) senkrecht zur Umformrichtung (58) hintereinander angeordnet sind, wobei die Umformnocken (72; 72a, 72b) verschiedene Nockenhöhen (116) und die Umformnocken (72; 72a, 72b) in einer orthogonalen Ansicht auf die Umformseite (64) eine Nockenverlaufsrichtung (94) aufweisen, die schräg zur Längsrichtung (74) des Umformwerkzeugs (46) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft zudem eine Umformwerkzeuganordnung (12), eine Umformmaschine (10), ein Umformverfahren und ein Computerprogramm.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug für eine Umformwerkzeuganordnung zum mehrstufigen Erzeugen eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur durch Rundkneten, aufweisend eine Umformseite mit einer an der Umformseite ausgebildeten Nockenstruktur.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Umformwerkzeuganordnung mit einem solchen Umformwerkzeug und eine Umformmaschine mit einer Umformwerkzeuganordnung.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Umformverfahren sowie ein Computerprogramm zur Steuerung der Umformmaschine bei der Verfahrensdurchführung.
  • Bauteile mit einer spiralförmigen Außenkontur werden vielfach eingesetzt. Etwa in Verbindung mit Schraubengetrieben, bei denen Gewindestangen bzw. Gewindespindeln zum Wandeln einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung eingesetzt werden. Typische Anwendungsfälle sind beispielsweise Scherenwagenheber, Linearführungen an Werkzeugmaschinen oder Lenkspindeln an Kraftfahrzeugen. Abhängig von dem konkreten Anwendungsfall sind unterschiedliche Gewindeformen, bspw. Kugelgewinde oder Trapezgewinde vorgesehen, die als Rechtsgewinde oder Linksgewinde ausgebildet sein können.
  • Üblicherweise erfolgt die Herstellung der spiralförmigen Außenkontur mittels spanender Verfahren. Beispielsweise ist aus der DE 10 2014 225 104 B4 ein Verfahren zum spanenden Fertigen einer Kugelumlaufspindel bekannt.
  • Derlei Verfahren führen beim Erzeugen der spiralförmigen Außenkontur zu verhältnismäßig hohen Fertigungskosten. Soll darüber hinaus eine gesteigerte Festigkeit der gefertigten Bauteile bewirkt werden, sind, an das Erzeugen der spiralförmigen Außenkontur anschließend, weitere Verfahren zur Nachbehandlung vorzusehen. Hierdurch werden die Fertigungskosten weiter erhöht.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative sowie kostengünstige Fertigung von Bauteilen mit spiralförmiger Außenkontur anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Umformwerkzeug mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Umformwerkzeuganordnung gemäß Patentanspruch 10, eine Umformmaschine gemäß Patentanspruch 15, ein Umformverfahren gemäß Patentanspruch 16 und ein Computerprogramm gemäß Patentanspruch 18. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist ein Umformwerkzeug bzw. eine Formbacke vorgesehen. Das Umformwerkzeug ist zur Anordnung in einer Umformwerkzeuganordnung, insbesondere einer Rundkneteinheit, ausgebildet. Ferner ist das Umformwerkzeug zum mehrstufigen Erzeugen eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur durch Rundkneten geeignet. Vorzugsweise wird das zylindrische Werkstück aus einem zylindrischen Werkstückrohling erzeugt.
  • Das mehrstufige Erzeugen beinhaltet erfindungsgemäß das serielle bzw. örtlich beabstandete Einwirken desselben Umformwerkzeugs und/oder verschiedener Umformwerkzeuge auf denselben Bereich des Werkstückrohlings, wobei mit jeder Stufe ein gradueller Anteil zu einer Gesamtumformung beigetragen wird.
  • Das Umformwerkzeug weist eine Krafteinleitungsseite zum Einleiten einer Umformkraft in das Umformwerkzeug auf. Die Krafteinleitungsseite ist vorzugsweise eben ausgebildet, wodurch eine besonders gleichmäßige Krafteinleitung, erfolgen kann.
  • Das Umformwerkzeug weist zudem eine der Krafteinleitungsseite gegenüberliegende Umformseite auf. Die Umformseite ist zum Einleiten der Umformkraft in den Werkstückrohling ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Umformseite während des Erzeugens des zylindrischen Werkstücks zumindest zeitweise im Eingriff mit dem Werkstückrohling. Das Einleiten der Umformkraft erfolgt in einer Umformrichtung. Die Umformrichtung ist typischerweise gleich einer radial einwärts weisenden Richtung des zu fertigenden zylindrischen Werkstücks.
  • Die Krafteinleitungsseite kann zu der Umformrichtung geneigt ausgebildet sein. Hierdurch kann der Abstand des Umformwerkzeugs, in einem in einer Umformwerkzeuganordnung angeordneten Zustand, durch Anlegen eines Nachstellkeils zu dem Werkstückrohling kontrolliert eingestellt werden. Typischerweise wird der Abstand des Umformwerkzeugs zu dem Werkstückrohling in Abhängigkeit vom Außendurchmesser des Werkstückrohlings eingestellt. Der Abstand des Umformwerkzeugs zu dem Werkstückrohling kann zudem mittels des Nachstellkeils an einen, beispielsweise durch Umformen, reduzierten Außendurchmesser des Werkstückrohlings angepasst werden. Mit anderen Worten kann das Umformwerkzeug mittels des Nachstellkeils nachgestellt werden.
  • Das Umformwerkzeug weist eine an der Umformseite ausgebildete Nockenstruktur auf. Die Nockenstruktur kann eine radiale Vertiefung bzw. eine Einkerbung zum Erzeugen der spiralförmigen Außenkontur an dem Werkstückrohling bewirken.
  • Ferner weist die Nockenstruktur zumindest eine erste Umformnocke und eine zweite Umformnocke auf. Darüber hinaus kann die Nockenstruktur weitere Umformnocken aufweisen. Die Umformnocken sind in einer Längsrichtung des Umformwerkzeugs senkrecht zur Umformrichtung hintereinander angeordnet. Mit anderen Worten sind die Umformnocken der Nockenstruktur in Längsrichtung aufgereiht angeordnet. Die Längsrichtung kann einer Werkstück-Vorschubrichtung eines umzuformenden Werkstückrohlings in einem Umformverfahren während des Erzeugens eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur entsprechen.
  • Jede Umformnocke weist eine, typischerweise in Umformrichtung, ausgebildete Nockenhöhe auf. Erfindungsgemäß sind die Nockenhöhen von zumindest zwei Umformnocken verschieden. Mit anderen Worten steht zumindest eine Umformnocke, typischerweise in Umformrichtung, gegenüber zumindest einer anderen Umformnocke vor. Beispielsweise weist die erste Umformnocke eine andere Nockenhöhe als die zweite Umformnocke auf, wenn die Nockenstruktur lediglich zwei Umformnocken umfasst. Im Fall weiterer Umformnocken können zwei oder mehrere Umformnocken die gleiche Nockenhöhe aufweisen, insofern zumindest eine weitere Umformnocke eine unterschiedliche Nockenhöhe aufweist. Durch unterschiedliche Nockenhöhen ist ein mehrstufiges, in anderen Worten abgestuftes, Umformen der spiralförmigen Außenkontur in Umformrichtung ermöglicht. Das Umformwerkzeug kann mithin während eines Umformverfahrens mehrstufig in den umzuformenden Werkstückrohling eindringen, ohne dass das Umformwerkzeug in Umformrichtung nachgestellt werden muss.
  • Die Umformnocken weisen in einer orthogonalen Ansicht auf die Umformseite eine Nockenverlaufsrichtung auf, die schräg zur Längsrichtung des Umformwerkzeugs ausgebildet ist. Die Nockenverlaufsrichtung ist vorzugsweise zu einer zur Längsrichtung senkrecht verlaufenden Querrichtung um einen Steigungswinkel ausgelenkt. Der Steigungswinkel kann zwischen 1 Grad und 89 Grad, vorzugsweise zwischen 5 Grad und 45 Grad, besonders bevorzugt zwischen 10 Grad und 30 Grad betragen. Typischerweise weist die Nockenverlaufsrichtung denselben Steigungswinkel wie die spiralförmige Außenkontur des zu fertigenden Werkstücks auf.
  • Zusammenfassend weist das Umformwerkzeug erfindungsgemäß eine Nockenstruktur auf, die durch die Umformnocken abschnittsweise komplementär zu der zu erzeugenden spiralförmigen Außenkontur des zylindrischen Werkstücks ausgebildet ist. Ein Erzeugen der spiralförmigen Außenkontur kann durch zumindest zweimaliges Einwirken der Umformnocken auf den Werkstückrohling unter Ausbildung einer spiralförmigen Einkerbung bzw. Vertiefung erfolgen. Typischerweise wird dem Umformvorgang dabei eine spiralförmige Relativbewegung zwischen dem Umformwerkzeug und dem umzuformenden Werkstückrohling überlagert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Umformwerkzeugs weist die Umformseite eine sich in Längsrichtung erstreckende Umformnut auf. Die Umformnut weist typischerweise einen im Querschnitt kreissegmentförmigen Nutgrund auf. Die Nockenstruktur ist typischerweise, insbesondere vollständig, in der Umformnut angeordnet.
  • Bevorzugt ist zudem eine Weiterbildung des Umformwerkzeugs, bei dem die Umformnut einen Nutabschnitt mit sich in Längsrichtung, bzw. in Werkstück-Vorschubrichtung verjüngendem Querschnitt (Einlaufabschnitt) aufweist. Typischerweise weist der Nutgrund in diesem Fall einen sich in Längsrichtung verkleinernden Kreissegmentradius auf. Insbesondere verkleinert sich der Kreissegmentradius ausgehend von einem Radius des Werkstückrohlings auf einen Außenradius der spiralförmigen Außenkontur des zu fertigenden Werkstücks.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Umformnut einen Nutabschnitt mit in Längsrichtung, bzw. in Werkstück-Vorschubrichtung konstantem Querschnitt (Kalibrierabschnitt) aufweisen.
  • Die Nockenstruktur kann zumindest eine Umformnocke aufweisen, die in dem Nutabschnitt mit sich verjüngendem Querschnitt und/oder in dem Nutabschnitt mit konstantem Querschnitt angeordnet ist. Vorzugsweise weist die Umformnut sowohl einen Einlaufabschnitt als auch einen Kalibrierabschnitt mit jeweils zumindest einer darin angeordneten Umformnocke auf, wobei der Kalibrierabschnitt dem Einlaufabschnitt in Längsrichtung nachgelagert ausgebildet ist. Hierdurch kann die spiralförmige Außenkontur besonders genau erzeugt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Umformwerkzeugs weist die Nockenstruktur wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens sechs, besonders bevorzugt wenigstens zwölf, Umformnocken auf. Durch eine höhere Anzahl an Umformnocken kann der graduelle Anteil einer einzelnen Umformnocke an der Gesamtumformung während des Erzeugens der spiralförmigen Außenkontur reduziert werden. Dies kann die Fertigungsgenauigkeit der spiralförmigen Außenkontur erhöhen. Alternativ oder zusätzlich kann durch eine größere Anzahl an Umformnocken das Erzeugen einer spiralförmigen Außenkontur mit mehreren Gängen, insbesondere Gewindegängen, verbessert werden.
  • Die Umformnocken sind vorzugsweise in Längsrichtung äquidistant zueinander angeordnet. Mit anderen Worten weisen in Längsrichtung benachbarte Umformnocken der Nockenstruktur jeweils denselben Abstand zueinander auf. Hierdurch kann beispielsweise eine mehrgängige spiralförmige Außenkontur mit gleichem Abstand zwischen den einzelnen Gängen bzw. mit gleichmäßiger Teilung erzeugt werden.
  • Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform des Umformwerkzeugs, bei der zumindest eine der, vorzugsweise mehrere der, besonders bevorzugt alle, Umformnocken einen um die Längsrichtung gewölbten Umformabschnitt aufweist bzw. aufweisen. Unter dem gewölbten Umformabschnitt kann ein Teil des Umformnockens verstanden werden, der einen Fußkreis der zu erzeugenden spiralförmigen Außenkontur erzeugt. Hierdurch kann ein auf den Werkstückrohling einwirkender Abschnitt der entsprechenden Umformnocke in Nockenverlaufsrichtung größer ausgebildet werden, wodurch ein größerer Außenbereich des Werkstückrohlings umgeformt werden kann.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Umformwerkzeugs ist vorgesehen, dass zumindest eine der Umformnocken eine in Längsrichtung, bzw. in Werkstück-Vorschubrichtung gewölbt, dreieckig oder trapezförmig verlaufende Nockenkontur aufweist. Vorzugsweise weist eine in Längsrichtung erste Umformnocke der Nockenstruktur eine gewölbte Nockenkontur auf. Weiter vorzugsweise nähern sich die Nockenkonturen der der ersten Umformnocke nachfolgenden Umformnocken, insbesondere einer Profilform, der zu erzeugenden spiralförmigen Außenkontur des zylindrischen Werkstücks an. Besonders bevorzugt ist die Nockenkontur mit zunehmendem Umformungsgrad des Werkstückrohlings durch die Umformnocken zunehmend an die zu erzeugende spiralförmige Außenkontur angepasst ausgebildet. Die Erfinder haben erkannt, dass hierdurch die Fertigungsqualität des zylindrischen Werkstücks mit spiralförmiger Außenkontur erhöht werden kann.
  • Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Umformwerkzeugs, bei der zumindest eine der Umformnocken eine erste Nockenflanke und eine zweite Nockenflanke aufweist. Eine Nockenflanke ist als ein überwiegend in Nockenverlaufsrichtung ausgebildeter Umformabschnitt der Umformnocke zu verstehen, wobei der Umformabschnitt ein Erzeugen einer fortlaufenden Flanke der spiralförmigen Außenkontur bewirkt. Die erste und die zweite Nockenflanke einer Umformnocke bilden typischerweise gegenüberliegende Flanken derselben Einkerbung der spiralförmigen Außenkontur aus. Vorzugsweise weisen mehrere Umformnocken der Nockenstruktur eine erste und eine zweite Nockenflanke auf. Zumindest eine, typischerweise die in Längsrichtung zuletzt ausgebildete, Umformnocke der Nockenstruktur weist eine erste und eine zweite Nockenflanke auf, die einer zu erzeugenden Flankenform der spiralförmigen Außenkontur entspricht. Die erste Nockenflanke und die zweite Nockenflanke sind typischerweise zur Umformrichtung geneigt ausgebildet. Hierdurch kann die Fertigungsqualität weiter verbessert werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Umformnocke einen in Nockenverlaufsrichtung ausgebildeten Einlaufabschnitt und/oder Auslaufabschnitt aufweisen. Der Einlaufabschnitt ist vorzugsweise als sich entgegen der Nockenverlaufsrichtung verjüngender Abschnitt ausgebildet. Der Auslaufabschnitt ist vorzugsweise als sich in Nockenverlaufsrichtung verjüngender Abschnitt ausgebildet. Der Einlaufabschnitt bzw. der Auslaufabschnitt kann während des Umformens eines Werkstückrohlings ein einfaches Einführen bzw. Ausführen der Umformnocke in eine bereits vorhandene bzw. aus einer bereits vorhandenen Einkerbung an der Außenkontur des Werkstückrohlings ermöglichen. In besonderer Ausgestaltung ist der Einlaufabschnitt dem die Nockenflanken aufweisenden Umformabschnitt in Nockenverlaufsrichtung vorgelagert und der Auslaufabschnitt dem die Nockenflanken aufweisenden Umformabschnitt in Nockenverlaufsrichtung nachgelagert.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung des Umformwerkzeugs bilden die erste und die zweite Nockenflanke von zumindest einer Umformnocke einen Nockenwinkel von höchstens 40 Grad, vorzugsweise von höchstens 30 Grad, besonders bevorzugt von höchstens 20 Grad aus. Der Nockenwinkel kann einem Flankenwinkel der zu erzeugenden spiralförmigen Außenkontur entsprechen. Ein geringerer Nockenwinkel ermöglicht das Ausbilden eines steileren Flankenwinkels an der zu erzeugenden spiralförmigen Außenkontur.
  • Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Umformwerkzeugs, bei der das Umformwerkzeug einen sich in Umformrichtung verjüngenden Umformwerkzeugabschnitt aufweist. Vorzugsweise ist der Umformwerkzeugabschnitt in einer in Längsrichtung projizierten Ansicht trapezförmig ausgebildet. Mit anderen Worten weist die Umformseite eine der Krafteinleitungsseite gegenüber reduzierte Fläche auf. Hierdurch kann eine über die Krafteinleitungsseite eingeleitete Umformkraft auf eine kleinere Umformfläche am Werkstückrohling konzentriert werden.
  • Die zugrundeliegende Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Umformwerkzeuganordnung, beispielsweise eine Rundkneteinheit, für eine Umformmaschine zum mehrstufigen Erzeugen eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur durch Rundkneten.
  • Die Umformwerkzeuganordnung weist zumindest ein vorhergehend und im Folgenden beschriebenes erstes Umformwerkzeug sowie zumindest ein vorhergehend und im Folgenden beschriebenes zweites Umformwerkzeug auf. Darüber hinaus kann die Umformwerkzeuganordnung weitere vorhergehend und im Folgenden beschriebene Umformwerkzeuge aufweisen. Die Umformwerkzeuge sind vorzugsweise baugleich oder identisch ausgebildet. Hierdurch können Kosten bei der Herstellung der Umformwerkzeuganordnung durch eine höhere Anzahl an Gleichteilen vermieden werden.
  • Die Umformwerkzeuge sind konzentrisch um eine Mittelachse der Umformwerkzeuganordnung angeordnet. Typischerweise entspricht die Mittelachse bei in der Umformwerkzeuganordnung angeordnetem Werkstückrohling einer Werkstück-Achse des Werkstückrohlings. Die Umformwerkzeuge umschließen den Werkstückrohling während des Erzeugens der spiralförmigen Außenkontur zumindest teilweise.
  • Die Umformwerkzeuge sind mit ihrer jeweiligen Umformseite in Richtung der Mittelachse ausgerichtet. Mit anderen Worten sind die Umformwerkzeuge radial einwärts ausgerichtet. Die Umformwerkzeuganordnung ist zum radialen Auslenken der Umformwerkzeuge in Richtung der Mittelachse ausgebildet. Mit anderen Worten werden die Umformwerkzeuge gemäß ihrer jeweiligen Umformrichtung durch die Umformwerkzeuganordnung ausgelenkt. Typischerweise werden die Umformwerkzeuge aufeinander zubewegt. Durch radiales Auslenken der Umformwerkzeuge kann eine radiale Krafteinleitung in der jeweiligen Umformrichtung eines Umformwerkzeugs in den umzuformenden Werkstückrohling bewirkt werden.
  • Erfindungsgemäß ist die erste Umformnocke des ersten Umformwerkzeugs gemeinsam mit einer der Umformnocken des zweiten Umformwerkzeugs auf einer ersten Schraubenlinie angeordnet. Mit anderen Worten sind Umformnocken verschiedener Umformwerkzeuge auf einer gemeinsamen Schraubenlinie angeordnet. Das Erzeugen der spiralförmigen Außenkontur kann mithin durch mehrstufiges Einwirken von Umformnocken verschiedener Umformwerkzeuge auf denselben Werkstückabschnitt des Werkstückrohlings bewirkt werden.
  • Die Umformwerkzeuganordnung kann zudem einen Außenring, einen, insbesondere mittels des Außenrings, motorisch antreibbaren Rollenkäfig, einen Führungseinsatz und zumindest zwei Stößel aufweisen. Der Rollenkäfig ist typischerweise konzentrisch innerhalb des Außenrings angeordnet und zur Anordnung mehrerer drehbar an dem Rollenkäfig gehaltener Rollen ausgebildet. Die Rollen können radial außen und radial innen über den Rollenkäfig vorstehen. Der Rollenkäfig befindet sich üblicherweise mittels der Rollen an der radial äußeren Seite im permanenten Kontakt mit dem Außenring. Innerhalb des Rollenkäfigs ist üblicherweise der Führungseinsatz angeordnet, der zur radial beweglichen Aufnahme der Umformwerkzeuge sowie insbesondere der Stößel ausgebildet ist. Beim Einsatz von Stößeln können jeweils ein Stößel und ein Umformwerkzeug einen gemeinsamen Umformstempel ausbilden. Mit anderen Worten werden Stößel und Umformwerkzeug zusammen radial ausgelenkt. Typischerweise stehen die Stößel radial außen über den Führungseinsatz vor und sind zum zeitweisen Kontaktieren der Rollen des Rollenkäfigs ausgebildet. Im Betrieb der Umformwerkzeuganordnung befindet sich der Rollenkäfig in einer Rotationsbewegung wobei die Rollen die Stößel regelmäßig überrollen und dadurch in radialer Richtung auslenken. Mit anderen Worten wird mit jedem Überrollen des Stößels ein radial einwärts gerichteter Umformschlag bewirkt. Die Schlagzahl ist abhängig von der Drehzahl des Rollenkäfigs.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Umformwerkzeuganordnung ist die zweite Umformnocke des ersten Umformwerkzeugs auf der ersten Schraubenlinie angeordnet. Eine solche Anordnung der Umformwerkzeuge ermöglicht beispielsweise das Erzeugen einer spiralförmigen Außenkontur mit lediglich einem Gang. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die zweite Umformnocke des ersten Umformwerkzeugs gemeinsam mit einer der Umformnocken des zweiten Umformwerkzeugs auf einer zweiten Schraubenlinie angeordnet ist. Hierdurch kann beispielsweise das Erzeugen einer spiralförmigen Außenkontur mit mindestens zwei Gängen ermöglicht werden.
  • Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform der Umformwerkzeuganordnung, bei der beide Umformnocken des zweiten Umformwerkzeugs auf der ersten Schraubenlinie angeordnet sind. Hierdurch kann der graduelle Anteil der einzelnen Umformwerkzeuge sowie der graduelle Anteil der einzelnen Umformnocken an der Gesamtumformung, bzw. der Ausbildung der spiralförmigen Einkerbung gesenkt werden, wodurch die Fertigungsqualität weiter gesteigert werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Umformwerkzeuganordnung weist diese zumindest ein weiteres hier und im Folgenden beschriebenes Umformwerkzeug auf. Ausführungsgemäß kann eine der Umformnocken des weiteren Umformwerkzeugs auf der ersten Schraubenlinie angeordnet sein. Hierdurch kann der graduelle Anteil der einzelnen Umformnocken weiter verringert und die Fertigungsqualität weiter gesteigert werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine der Umformnocken des weiteren Umformwerkzeugs auf der zweiten Schraubenlinie angeordnet ist. Hierdurch kann die Fertigungsqualität beim Erzeugen einer spiralförmigen Außenkontur mit zwei Gängen erhöht werden.
  • Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform der Umformwerkzeuganordnung, bei der die Umformwerkzeuge mehrere, vorzugsweise zumindest sechs, besonders bevorzugt zumindest zwölf, Umformnocken aufweisen. Die ersten Umformnocken der Umformwerkzeuge sind vorzugsweise auf verschiedenen Schraubenlinien angeordnet. Besonders bevorzugt sind die der ersten Umformnocke in der jeweiligen Längsrichtung nachfolgenden Umformnocken eines Umformwerkzeugs abwechselnd mit der Schraubenlinie desselben Werkstücks auf den Schraubenlinien der weiteren Umformwerkzeuge angeordnet. Mit anderen Worten ist die Umformwerkzeuganordnung zum Ausbilden einer zur Anzahl der Umformwerkzeuge gleichen Anzahl an Gängen an der spiralförmigen Außenkontur ausgebildet. Typischerweise sind die Umformwerkzeuge in diesem Fall gleich, insbesondere identisch, ausgebildet und entlang der Mittelachse versatzlos zueinander in der Umformwerkzeuganordnung angeordnet.
  • Die zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Umformmaschine. Die Umformmaschine ist zum mehrstufigen Erzeugen eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur durch Rundkneten geeignet.
  • Die Umformmaschine weist die hier und im Folgenden beschriebene Umformwerkzeuganordnung auf.
  • Zudem weist die Umformmaschine eine Vorschubeinrichtung auf. Die Vorschubeinrichtung ist zum Anordnen, insbesondere Einspannen, des Werkstückrohlings ausgebildet. Typischerweise umfasst die Vorschubeinrichtung zu diesem Zweck eine Spannzange. Ferner ist die Vorschubeinrichtung in der Werkstück-Vorschubrichtung, bzw. entlang der Mittelachse der Umformwerkzeuganordnung relativ zu der Umformwerkzeuganordnung translatorisch bewegbar ausgebildet.
  • Darüber hinaus umfasst die Umformmaschine eine zum Regeln von Maschinenparametern ausgebildete Maschinensteuerung. Typischerweise regelt die Maschinensteuerung zumindest die Drehzahl der Umformwerkzeuganordnung sowie eine Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinrichtung. Darüber hinaus ist die Umformmaschine zur Durchführung einer relativen Drehbewegung zwischen der Umformwerkzeuganordnung und der Vorschubeinrichtung eingerichtet. Mit anderen Worten ist die Umformmaschine bei angeordnetem Werkstückrohling zum Ausführen einer Drehbewegung des Werkstückrohlings relativ zu den Umformwerkzeugen ausgebildet.
  • In spezieller Ausführungsform der Umformmaschine kann vorgesehen sein, dass die Umformmaschine eine Dorneinrichtung aufweist. Die Dorneinrichtung umfasst typischerweise einen Umformdorn, der vor einem Umformverfahren innerhalb eines hohlzylindrischen Werkstückrohlings angeordnet wird. Die Dorneinrichtung ist vorzugsweise an der Vorschubeinrichtung angeordnet.
  • Weiterhin wird die zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Umformverfahren. Das Umformverfahren ist zum mehrstufigen Erzeugen eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur durch Rundkneten geeignet.
  • Das Umformverfahren wird mittels einer hier und im Folgenden beschriebenen Umformmaschine durchgeführt und weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
  • Ein Verfahrensschritt sieht das Anordnen, insbesondere Einspannen, eines Werkstückrohlings an der Umformmaschine vor. Vorzugsweise wird der Werkstückrohling in der Vorschubeinrichtung, insbesondere mittels vorgehaltener Spannzange, eingespannt. Typischerweise wird der Werkstückrohling derart an der Umformmaschine angeordnet, dass eine Werkstückachse des Werkstückrohlings mit der Mittelachse der Umformwerkzeuganordnung übereinstimmt.
  • Ein weiterer Verfahrensschritt sieht das Erzeugen des zylindrischen Werkstücks mit der spiralförmigen Außenkontur durch Bewegen der Vorschubeinrichtung in der Werkstück-Vorschubrichtung sowie zeitgleiches Durchführen der relativen Drehbewegung zwischen der Umformwerkzeuganordnung und der Vorschubeinrichtung vor.
  • Die relative Drehbewegung ist derart an die Bewegung in der Werkstück-Vorschubrichtung angepasst, dass die Umformnocken entlang der Schraubenlinien durch radiale Auslenkung der Umformwerkzeuge eine plastische Verformung des Werkstückrohlings, insbesondere eine spiralförmige Einkerbung an der Außenseite des Werkstückrohlings, bewirken.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass eine Vorschubgeschwindigkeit für die Bewegung in der Werkstück-Vorschubrichtung vorzugsweise weniger als 50 Millimeter pro Sekunde beträgt, um eine gute Fertigungsqualität mit kurzer Fertigungszeit sicherzustellen. Besonders bevorzugt beträgt die Vorschubgeschwindigkeit zwischen 5 und 30 Millimeter pro Sekunde. Hierdurch kann eine besonders hohe Fertigungsqualität sichergestellt werden.
  • Ferner haben die Erfinder erkannt, dass eine Schlagzahl der Umformwerkzeuge zwischen 10 und 100 Schlägen pro Sekunde, vorzugsweise zwischen 20 und 60 Schlägen pro Sekunde, besonders bevorzugt mit 40 Schlägen pro Sekunde, eine hohe Oberflächenqualität an dem Werkstück bewirkt.
  • Vorzugsweise ist die relative Drehbewegung zwischen der Umformwerkzeuganordnung und der Vorschubeinrichtung, bzw. dem Werkstückrohling an die Schlagzahl angepasst. Hierdurch kann ein sogenannter Umsetzwinkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umformschlägen vorbestimmt werden. Ein Umsetzwinkel von höchstens 40 Grad, vorzugsweise von höchstens 20 Grad, besonders bevorzugt von höchstens 5 Grad, hat sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich der Fertigungsqualität der, insbesondere zu erzeugenden spiralförmigen Außenkontur des, Werkstücks herausgestellt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Umformverfahrens wird das zylindrische Werkstück aus einem hohlen Werkstückrohling erzeugt. Ausführungsgemäß kann vorgesehen sein, dass vor dem Erzeugen des zylindrischen Werkstücks mit der spiralförmigen Außenkontur ein Umformdorn innerhalb des hohlen Werkstückrohlings angeordnet wird. Mit anderen Worten wird die spiralförmige Außenkontur über einem Umformdorn erzeugt. Hierdurch kann ein Werkstück mit genauer Innenkontur erzeugt werden, da ein radialer Materialfluss während dem Umformen durch den Umformdorn verhindert wird.
  • Zudem wird die zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm.
  • Das Computerprogramm ist zum Betreiben der hier und im Folgenden beschriebenen Umformmaschine eingerichtet. Die Umformmaschine sieht ausführungsgemäß eine numerische Maschinensteuerung vor.
  • Das Computerprogramm umfasst Steuerbefehle für die Maschinensteuerung, die bewirken, dass das hier und im Folgenden beschriebene Umformverfahren von der Umformmaschine durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf der numerischen Maschinensteuerung der Umformmaschine abläuft.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand beispielhafter schematischer Darstellungen näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • Figur 1
    eine Umformmaschine mit einer Umformwerkzeuganordnung und einer Vorschubeinrichtung in einer perspektivischen Darstellung.
    Figur 2
    eine erste Ausführungsform einer Umformwerkzeuganordnung mit einem Rollenkäfig, mehreren Stößeln sowie mehreren Umformwerkzeugen in einer perspektivischen Darstellung.
    Figur 3
    eine Teilansicht einer zweiten Ausführungsform einer Umformwerkzeuganordnung mit mehreren Umformwerkzeugen in einer geschnittenen Seitenansicht.
    Figur 4
    Die Umformwerkzeuganordnung aus Figur 3 mit darin angeordnetem Werkstückrohling.
    Figur 5
    Eine alternative Umformwerkzeuganordnung mit darin angeordnetem Werkstückrohling.
    Figur 6
    ein Umformwerkzeug der Umformwerkzeuganordnung aus den Figuren 3 und 4 in einer orthogonalen Ansicht auf eine Umformseite.
    Figur 7
    das Umformwerkzeug aus Figur 6 in einer perspektivischen Darstellung.
    Figur 8
    einen Teilausschnitt des Umformwerkzeugs aus den Figuren 6 und 7 in einer geschnittenen Ansicht.
  • Gemäß Figur 1 weist eine Umformmaschine 10 eine Umformwerkzeuganordnung 12 und eine teilweise dargestellte Vorschubeinrichtung 14 auf. Mittels der Vorschubeinrichtung 14 kann ein an einer Spannzange 16 eingespannter Werkstückrohling 18, z.B. ein Rohr, entlang einer Vorschubachse 20 der Vorschubeinrichtung 14 bzw. entlang einer Mittelachse 22 der Umformwerkzeuganordnung 12 zugeführt werden.
  • Die Vorschubachse 20 fällt mit einer Längsachse 24 des eingespannten Werkstückrohlings 18 zusammen. Über eine Einführöffnung 26 an einer Frontseite 28 der Umformwerkzeuganordnung 12 kann der eingespannte Werkstückrohling 18 mit einem zu bearbeitenden Werkstücklängsabschnitt in die Umformwerkzeuganordnung 12 eingeführt werden. Mit anderen Worten kann der Werkstückrohling 18 einer Axialbewegung 29 in Richtung der Umformwerkzeuganordnung 12 unterzogen werden.
  • Die Vorschubeinrichtung 14 ist zum Bewirken einer Drehbewegung 30 des Werkstückrohlings 18 um die Vorschubachse 20 ausgebildet. Die Vorschubeinrichtung 14 umfasst zu diesem Zweck nicht näher dargestellte Antriebsmittel. Die Vorschubeinrichtung 14 ist zur Überlagerung der Drehbewegung 30 mit der Axialbewegung 29 ausgebildet.
  • Die Umformmaschine 10, bzw. die Umformwerkzeuganordnung 12 kann eine nicht näher dargestellte Antriebseinheit, typischerweise einen Elektromotor, aufweisen.
  • Die Antriebseinheit ist typischerweise zum Antreiben der Umformwerkzeuganordnung 12 ausgebildet.
  • Die Umformmaschine 10 weist ferner eine Maschinensteuerung 34 zum Steuern der Umformmaschine 10 auf. Die Maschinensteuerung 34 ist zu diesem Zweck über schematisch dargestellte Kommunikationsverbindungen 36 mit der Umformwerkzeuganordnung 12 und der Vorschubeinrichtung 14 verbunden.
  • In Figur 2 ist eine Umformwerkzeuganordnung 12 als solitäre Baugruppe dargestellt.
  • Darstellungsgemäß umfasst die Umformwerkzeuganordnung 12 einen Rollenkäfig 38, mehrere an dem Rollenkäfig 38 angeordnete Rollen 42, mehrere - hier vier - Stößel 44 sowie eine gleiche Anzahl an Umformwerkzeugen 46. Jeweils ein Stößel 44 und ein Umformwerkzeug 46 bilden gemeinsam einen Umformstempel 48 aus. Zudem weist, wie dargestellt, jeder Umformstempel 48 einen zwischen dem Stößel 44 und dem Umformwerkzeug 46 angeordneten Nachstellkeil 50 auf. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist lediglich eine Rolle 42, ein Stößel 44, ein Umformwerkzeug 46, ein Umformstempel 48 sowie ein Nachstellkeil 50 mit einem Bezugszeichen versehen.
  • Die Rollen 42 sind drehbar an dem Rollenkäfig 38 angeordnet. Darstellungsgemäß kann der Rollenkäfig 38 zylinderförmige Ausnehmungen aufweisen, in die die Rollen 42 parallel zu der Mittelachse 22 eingeschoben werden.
  • Der Rollenkäfig 38 ist konzentrisch zur Mittelachse 22 ausgebildet und weist eine radial äußere Seite 52 und eine radial innere Seite 54 auf. Die Rollen 42 stehen an der radial äußeren Seite 52 und an der radial inneren Seite 54 in radialer Richtung über den Rollenkäfig 38 vor. Üblicherweise liegen die Rollen 42 an der radial äußeren Seite 52 an einem nicht näher dargestellten Außenring an, bzw. stützt sich der Rollenkäfig 38 mittels der Rollen 42 an dem Außenring ab.
  • Die Umformstempel 48 sind innerhalb des Rollenkäfigs 38 derart angeordnet, dass eine Umformseite 56 der Umformwerkzeuge 46 radial einwärts in Richtung der Mittelachse 22 der Umformwerkzeuganordnung 12 bzw. in einer Umformrichtung 58 der Umformwerkzeuge 46 ausgerichtet ist. Darstellungsgemäß sind die Umformwerkzeuge 46 konzentrisch zur Mittelachse 22 angeordnet.
  • Ferner sind die Umformstempel 48 gemäß der dargestellten Ausführungsform gleichmäßig über einen radialen Innenumfang des Rollenkäfigs 38 bzw. die radial innere Seite 54 des Rollenkäfigs 38 verteilt angeordnet.
  • Während des Betriebs der Umformwerkzeuganordnung 12 wird der Rollenkäfig 38 in eine Rotationsbewegung 60 relativ zu den Umformstempeln 48 versetzt. Die Rollen 42 passieren dabei die Stößel 44, wodurch diese radial einwärts verdrängt werden und eine Umformkraft in Umformrichtung 58 bewirken. In Abhängigkeit von der Drehzahl des Rollenkäfigs 38 sowie der Anzahl der Rollen 42 wird eine Schlagzahl vorbestimmt, welche die Anzahl der Umformbewegungen pro Zeiteinheit definiert.
  • Mittels des Nachstellkeils 50 wird eine radiale Erstreckung des Umformstempels 48 an einen Außendurchmesser eines umzuformenden Werkstückrohlings 18 angepasst. Der Nachstellkeil kann zu diesem Zweck parallel zur Mittelachse 22 bewegt werden, um die radiale Erstreckung des Umformstempels 48 zu verkleinern oder zu vergrößern.
  • In Figur 3 ist eine Werkzeuganordnung 12 in einer geschnittenen Seitenansicht auf eine in Fig. 2 gekennzeichnete Schnittebene X-X dargestellt. Die Werkzeuganordnung 12 weist vier identische Umformwerkzeuge 46 auf, von denen jedoch lediglich drei Umformwerkzeuge 46 aufgrund der geschnittenen Darstellung zu sehen sind. Die Umformwerkzeuge 46 sind konzentrisch um die Mittelachse 22 der Werkzeuganordnung 12 angeordnet.
  • Jedes Umformwerkzeug 46 weist eine Krafteinleitungsseite 62 und eine der Krafteinleitungsseite 62 gegenüberliegende Umformseite 64 auf. Zum Umformen eines Werkstückrohlings 18 wird eine Kraft über die Krafteinleitungsseite 62 in das Umformwerkzeug 46 und über die Umformseite 64 in den umzuformenden Werkstückrohling 18 eingeleitet. Mit anderen Worten wird eine Kraft in Umformrichtung 58 bewirkt. Die Umformrichtung 58 jedes Umformwerkzeugs 46 ist typischerweise auf die Mittelachse 22 der Umformwerkzeuganordnung 12 gerichtet.
  • Die Krafteinleitungsseite 62 eines Umformwerkzeugs 46 kann, vorzugsweise können die Krafteinleitungsseiten 62 aller Umformwerkzeuge 46, wie dargestellt, schräg zu der Umformrichtung 58 ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Krafteinleitungsseite 62 einen Winkel 66 mit einer zur Umformrichtung 58 senkrecht verlaufenden Ebene 68 einschließen. Hierdurch kann ein Nachstellkeil 50 (siehe Fig. 2) an der Krafteinleitungsseite 62 angeordnet werden, wobei der Nachstellkeil 50 vorzugsweise einen Keilwinkel aufweist, der mit dem Winkel 66 identisch ist.
  • Die Umformseiten 64 der Umformwerkzeuge 46 weisen jeweils eine Nockenstruktur 70 auf. Jede Nockenstruktur 70 weist mehrere - hier vierzehn - Umformnocken 72 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich zwei Nockenstrukturen 70 und jeweils eine in Längsrichtung 74 des jeweiligen Umformwerkzeugs 46 erste Umformnocke 72 der beiden Nockenstrukturen 70 mit einem Bezugszeichen versehen.
  • Die Umformnocken 72 jeder Nockenstruktur 70 sind in der Längsrichtung 74 des jeweiligen Umformwerkzeugs 46 hintereinander aufgereiht angeordnet. Die Längsrichtung 74 verläuft vorzugsweise gleichgerichtet zur Axialbewegung 29 (siehe Fig. 1) eines Werkstückrohlings 18 (siehe Fig. 1) während des Erzeugens eines zylinderförmigen Werkstücks.
  • Figur 4 zeigt die Werkzeuganordnung 12 aus Figur 3 mit einem in der Werkzeuganordnung 12 befindlichen Werkstückrohling 18 zur Erläuterung des Erzeugens eines zylinderförmigen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur.
  • Hierzu wird der Werkstückrohling 18 der Umformwerkzeuganordnung 12 mit einer Vorschubbewegung 76, die aus einer Überlagerung der Axialbewegung 29 und der Drehbewegung 30 resultiert, zugeführt. Der Werkstückrohling 18 wird entlang der Mittelachse 22 zwischen den Umformwerkzeugen 46 bewegt, wobei die Umformwerkzeuge 46 in der jeweiligen Umformrichtung 58 zeitweise radial auf den Werkstückrohling 18 einwirken. Dabei bewirken die Umformseiten 64, insbesondere die Nockenstrukturen 70, eine plastische Verformung des Werkstückrohlings 18. Die Umformnocken 72 formen eine Einkerbung 78 an dem Werkstückrohling 18, die aufgrund der Vorschubbewegung 76 eine spiralförmige Außenkontur erzeugt.
  • Die Axialbewegung 29 ist dabei derart mit der Drehbewegung 30 abgestimmt, dass aufgrund der resultierenden Vorschubbewegung 76 ein - durch eine Umformnocke 72 eines ersten Umformwerkzeugs 46 - umgeformter Abschnitt des Werkstückrohlings 18 einer Umformnocke 72 eines - im Drehsinn der Drehbewegung 30 unmittelbar - nachgelagerten Umformwerkzeugs 46 zugeführt wird. Mit anderen Worten wird die durch eine Umformnocke 72 begonnene Einkerbung 78 durch weitere Umformnocken 72 weiterer Umformwerkzeuge 46 fortlaufend mehrstufig ausgebildet. Die Einkerbung 78 kann darstellungsgemäß durch verschiedene Umformnocken 72 verschiedener Umformwerkzeuge 46 und verschiedene Umformnocken 72 derselben Nockenstruktur 70 eines Umformwerkzeugs 46 erzeugt werden.
  • Einzelne und/oder mehrere Umformnocken 72 eines und/oder mehrerer Umformwerkzeuge 46 sind mithin auf zumindest einer gemeinsamen ersten Schraubenlinie 80 angeordnet. Darstellungsgemäß verläuft die Einkerbung 78 entlang der ersten Schraubenlinie 80. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Figur 4 lediglich eine Einkerbung 78 dargestellt. Darüber hinaus ist es selbsterklärend, dass gemäß der dargestellten Ausführungsform weitere Einkerbungen 78, beispielsweise entlang einer zweiten Schraubenlinie 82 durch die Umformseiten 64 geformt werden können. Die Anzahl der Schraubenlinien 80, 82 ist vorzugsweise gleich mit der Anzahl der Umformwerkzeuge 46.
  • Darstellungsgemäß wird während des Erzeugens des zylindrischen Werkstücks mit der spiralförmigen Außenkontur ein Ausgangsdurchmesser 84 des Werkstückrohlings 18 auf einen Enddurchmesser 86 verringert. Mit anderen Worten wird der Werkstückrohling 18 einer Durchmesserreduzierung unterzogen.
  • Figur 5 zeigt eine alternative Werkzeuganordnung 12 in einer geschnittenen Seitenansicht analog zu der in Fig. 2 gekennzeichneten Schnittebene X-X. Die Werkzeuganordnung 12 weist vier verschiedenartige Umformwerkzeuge 46 auf. Aufgrund der geschnittenen Darstellung sind lediglich drei Umformwerkzeuge 46 in der Figur 5 zu sehen. Die Umformwerkzeuge 46 sind konzentrisch um die Mittelachse 22 der Werkzeuganordnung 12 angeordnet.
  • Die Nockenstrukturen 70 der verschiedenen Umformwerkzeuge 46 sind entlang der Mittenachse 22 derart aufeinander abgestimmt, bzw. an dem jeweiligen Umformwerkzeug 46 ausgebildet, dass eine spiralförmige Außenkontur mit lediglich einer einzelnen Einkerbung 78 ausgebildet wird. Mit anderen Worten weist die spiralförmige Außenkontur lediglich einen Gang auf.
  • Gemäß der dargestellten Ausführungsform befinden sich alle Umformnocken 72 der jeweiligen Nockenstruktur 70 und alle Umformnocken 72 der anderen Umformwerkzeuge 46 auf der, hier einzigen, Schraubenlinie 80.
  • Das Umformverfahren zum Erstellen der spiralförmigen Außenkontur ist analog zur Beschreibung in Figur 4 anwendbar.
  • Figur 6 zeigt ein einzelnes Umformwerkzeug 46 in einer Draufsicht auf die Umformseite 64.
  • Die Umformseite 64 weist eine Umformnut 88 auf. Die Nockenstruktur 70 kann darstellungsgemäß vollständig innerhalb der Umformnut 88 angeordnet sein.
  • Die Umformnut 88 weist hier einen Einlaufabschnitt 90 mit sich verjüngendem Querschnitt auf. Der Einlaufabschnitt 90 ist zur Durchmesserreduzierung an einem umzuformenden Werkstückrohling 18 (siehe Fig. 4) ausgebildet. Vorzugsweise weist die Nockenstruktur 70 zumindest eine Umformnocke 72 in dem Einlaufabschnitt 90 auf. Darstellungsgemäß weist die Nockenstruktur 70 sieben vollständig in dem Einlaufabschnitt 90 angeordnete Umformnocken 72 auf.
  • Die Umformnut 88 weist hier zudem einen Kalibrierabschnitt 92 mit konstant bleibendem Querschnitt auf. Der Kalibrierabschnitt 92 ist zur Feinumformung des Werkstückrohlings 18 ausgebildet. Typischerweise ist der graduelle Anteil an einer Gesamtumformung an den Umformnocken 72 im Kalibrierabschnitt 92 geringer als der graduelle Anteil an den Umformnocken 72 im Einlaufabschnitt. Der Kalibrierabschnitt 92 weist hierfür gemäß der dargestellten Ausführungsform fünf vollständig in dem Kalibrierabschnitt 92 angeordnete Umformnocken 72 der Nockenstruktur 70 auf.
  • Die Umformnocken 72 der Nockenstruktur 70 weisen eine Nockenverlaufsrichtung 94 auf, die zu einer zur Längsrichtung 74 senkrecht verlaufenden Querrichtung 96 mit einem Steigungswinkel 98 abweichend ausgebildet ist. Mit anderen Worten verläuft die Nockenverlaufsrichtung 94 schräg zu der Längsrichtung 74. Vorzugsweise weisen alle Umformnocken 72, wie dargestellt, die gleiche Nockenverlaufsrichtung 94 auf. Mit anderen Worten sind die Umformnocken 72 parallel zueinander ausgebildet.
  • In Figur 7 ist das Umformwerkzeug 46 aus Figur 6 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.
  • Das Umformwerkzeug 46 weist gemäß der gezeigten Ausführungsform einen sich in Umformrichtung 58 verjüngenden Umformwerkzeugabschnitt 100 auf. Der Umformwerkzeugabschnitt 100 weist an seiner der Krafteinleitungsseite 62 abgewandten Seite die Umformnut 88 mit der darin angeordneten, bzw. ausgebildeten Nockenstruktur 70 auf.
  • Die Umformnut 88 weist in ihrem Querschnitt typischerweise einen kreissegmentförmigen Nutgrund 102 auf. Hierdurch kann ein Kreisquerschnitt des Werkstückrohlings 18 während des Umformens beibehalten und/oder erzeugt werden.
  • Figur 8 zeigt einen vergrößert dargestellten Teilausschnitt des Umformwerkzeugs 46 aus den Figuren 6 und 7 in einem Längsschnitt durch die Umformnut 88 und die Nockenstruktur 70.
  • Die Nockenstruktur 70 weist Umformnocken 72a mit einer in Längsrichtung 74 gewölbten Nockenkontur 104 auf. Ferner kann die Nockenstruktur 70 darstellungsgemäß Umformnocken 72b mit einer in Längsrichtung 74 verlaufenden trapezförmigen Nockenkontur 106 aufweisen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich eine Umformnocke 72a, eine Umformnocke 72b, eine gewölbte Nockenkontur 104 und eine trapezförmige Nockenkontur 106 mit einem Bezugszeichen versehen. Darstellungsgemäß weisen die in Längsrichtung 74 ersten Umformnocken 72 die gewölbte Nockenkontur 104 und die in Längsrichtung 74 letzten Umformnocken 72 die trapezförmige Nockenkontur 106 auf.
  • Die Umformnocken 72, insbesondere die Umformnocken 72b mit trapezförmiger Nockenkontur 106, können eine erste Nockenflanke 108 und eine zweite Nockenflanke 110 aufweisen. Die erste Nockenflanke 108 ist der zweiten Nockenflanke 110 in Längsrichtung 74 vorgelagert. Die erste Nockenflanke 108 und die zweite Nockenflanke 110 derselben Umformnocke 72 bilden einen Nockenwinkel 112 aus. Die erste Nockenflanke 108 und die zweite Nockenflanke 110 oder die zweite Nockenflanke 110 und die erste Nockenflanke 108 von benachbarten Umformnocken 72 bilden einen Einkerbungswinkel 114 aus.
  • Eine Nockenhöhe 116 jeder Umformnocke 72 bemisst sich zwischen einem Nockenhöhepunkt 118 und dem Nutgrund 102 in Umformrichtung 58. Die Nockenhöhe 108 nimmt vorzugsweise in Längsrichtung 74, insbesondere stetig, zu.
    • Bezugszeichenliste
    • Umformmaschine 10;
    • Umformwerkzeuganordnung 12;
    • Vorschubeinrichtung 14;
    • Spannzange 16;
    • Werkstückrohling 18;
    • Vorschubachse 20;
    • Mittelachse 22;
    • Längsachse 24;
    • Einführöffnung 26;
    • Frontseite 28;
    • Axialbewegung 29;
    • Drehbewegung 30;
    • Maschinensteuerung 34;
    • Kommunikationsverbindungen 36;
    • Rollenkäfig 38;
    • Rollen 42;
    • Stößel 44;
    • Umformwerkzeug 46;
    • Umformstempel 48;
    • Nachstellkeil 50;
    • radial äußere Seite 52;
    • radial innere Seite 54;
    • Umformseite 56;
    • Umformrichtung 58;
    • Rotationsbewegung 60;
    • Krafteinleitungsseite 62;
    • Umformseite 64;
    • Winkel 66;
    • Ebene 68;
    • Nockenstruktur 70;
    • Umformnocke 72, 72a, 72b;
    • Längsrichtung 74;
    • Vorschubbewegung 76;
    • Einkerbung 78;
    • erste Schraubenlinie 80;
    • zweite Schraubenlinie 82;
    • Ausgangsdurchmesser 84;
    • Enddurchmesser 86;
    • Umformnut 88;
    • Einlaufabschnitt 90;
    • Kalibrierabschnitt 92;
    • Nockenverlaufsrichtung 94;
    • Querrichtung 96;
    • Steigungswinkel 98;
    • Umformwerkzeugabschnitt 100;
    • Nutgrund 102;
    • gewölbten Nockenkontur 104;
    • trapezförmigen Nockenkontur 106;
    • erste Nockenflanke 108;
    • zweite Nockenflanke 110;
    • Nockenwinkel 112;
    • Einkerbungswinkel 114;
    • Nockenhöhe 116;
    • Nockenhöhepunkt 118;
    • Schnittebene X-X.

Claims (18)

  1. Umformwerkzeug (46) für eine Umformwerkzeuganordnung (12) zum mehrstufigen Erzeugen eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur durch Rundkneten, aufweisend
    • eine Krafteinleitungsseite (62) zum Einleiten einer Umformkraft in das Umformwerkzeug (46);
    • eine der Krafteinleitungsseite (62) gegenüberliegende Umformseite (64) zum Einleiten der Umformkraft in einer Umformrichtung (58) in den Werkstückrohling (18); und
    • eine an der Umformseite (64) ausgebildete Nockenstruktur (70);
    dadurch gekennzeichnet, dass
    • die Nockenstruktur (70) eine erste Umformnocke (72; 72a, 72b) und eine zweite Umformnocke (72; 72a, 72b) aufweist, die in einer Längsrichtung (74) des Umformwerkzeugs (46) senkrecht zur Umformrichtung (58) hintereinander angeordnet sind; wobei
    • die Umformnocken (72; 72a, 72b) verschiedene Nockenhöhen (116) aufweisen; und wobei
    • die Umformnocken (72; 72a, 72b) in einer orthogonalen Ansicht auf die Umformseite (64) eine Nockenverlaufsrichtung (94) aufweisen, die schräg zur Längsrichtung (74) des Umformwerkzeugs (46) ausgebildet ist.
  2. Umformwerkzeug (46) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformseite (64) eine sich in Längsrichtung (74) erstreckende Umformnut (88) mit einem im Querschnitt kreissegmentförmigen Nutgrund (102) aufweist, wobei die Nockenstruktur (70) in der Umformnut (88) angeordnet ist.
  3. Umformwerkzeug (46) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformnut (88) einen Einlaufabschnitt (90) mit sich in Längsrichtung (74) verjüngendem Querschnitt und/oder einen Kalibrierabschnitt (92) mit in Längsrichtung (74) konstantem Querschnitt aufweist, wobei zumindest eine der Umformnocken (72; 72a, 72b) in dem Einlaufabschnitt (90) und/oder in dem Kalibrierabschnitt (92) angeordnet ist.
  4. Umformwerkzeug (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenstruktur (70) wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens sechs, besonders bevorzugt wenigstens zwölf, Umformnocken (72; 72a, 72b) aufweist, die in Längsrichtung (74) äquidistant zueinander angeordnet sind.
  5. Umformwerkzeug (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der, vorzugsweise mehrere der, besonders bevorzugt alle, Umformnocken (72; 72a, 72b) einen um die Längsrichtung (74) oder zur Längsrichtung (74) hin gewölbten Umformabschnitt aufweisen.
  6. Umformwerkzeug (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Umformnocken (72; 72a, 72b) eine in der Längsrichtung (74) gewölbt und/oder trapezförmig verlaufende Nockenkontur (104, 106) aufweist.
  7. Umformwerkzeug (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine, vorzugsweise mehrere, Umformnocken (72; 72a, 72b) eine erste Nockenflanke (108) und eine zweite Nockenflanke (110) aufweisen, wobei die erste Nockenflanke (108) und die zweite Nockenflanke (110) zur Umformrichtung (58) geneigt ausgebildet sind.
  8. Umformwerkzeug (46) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Nockenflanke (108, 110) von zumindest einer Umformnocke (72; 72a, 72b) einen Nockenwinkel (112) von höchstens 40 Grad, vorzugsweise von höchstens 30 Grad, besonders bevorzugt von höchstens 20 Grad ausbilden.
  9. Umformwerkzeug (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformwerkzeug (46) einen sich in Umformrichtung (58) verjüngenden Umformwerkzeugabschnitt (100) aufweist.
  10. Umformwerkzeuganordnung (12) für eine Umformmaschine (10) zum mehrstufigen Erzeugen eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur durch Rundkneten, aufweisend ein erstes Umformwerkzeug (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein zweites Umformwerkzeug (46) nach einem der vorhergehenden Ansprüche;
    wobei die Umformwerkzeuge (46) konzentrisch um eine Mittelachse (22) der Umformwerkzeuganordnung (12) angeordnet sind, um einen Werkstückrohling (18) beim Erzeugen des zylindrischen Werkstücks mit spiralförmiger Außenkontur zumindest teilweise zu umschließen;
    wobei die Umformwerkzeuganordnung (12) zum radialen Auslenken der Umformwerkzeuge (46) in Richtung der Mittelachse (22) ausgebildet ist; wobei die Umformwerkzeuge (46) jeweils mit Ihrer Umformseite (64) in Richtung der Mittelachse (22) ausgerichtet sind, um durch das radiale Auslenken eine radiale Krafteinleitung in den Werkstückrohling (18) bewirken zu können;
    wobei die erste Umformnocke (72; 72a, 72b) des ersten Umformwerkzeugs (46) gemeinsam mit einer der Umformnocken (72; 72a, 72b) des zweiten Umformwerkzeugs (46) auf einer ersten Schraubenlinie (80) angeordnet ist.
  11. Umformwerkzeuganordnung (12) nach Anspruch 10, wobei die zweite Umformnocke (72; 72a, 72b) des ersten Umformwerkzeugs (46) auf der ersten Schraubenlinie (80) oder gemeinsam mit einer der Umformnocken (72; 72a, 72b) des zweiten Umformwerkzeugs (46) auf einer zweiten Schraubenlinie (82) angeordnet ist.
  12. Umformwerkzeuganordnung (12) nach Anspruch 10 oder 11, wobei beide Umformnocken (72; 72a, 72b) des zweiten Umformwerkzeugs (46) auf der ersten Schraubenlinie (80) angeordnet sind.
  13. Umformwerkzeuganordnung (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, zusätzlich aufweisend zumindest ein weiteres Umformwerkzeug (46) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine der Umformnocken (72; 72a, 72b) des zumindest einen weiteren Umformwerkzeugs (46) auf der ersten Schraubenlinie (80) und/oder der zweiten Schraubenlinie (82) angeordnet ist.
  14. Umformwerkzeuganordnung (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Umformwerkzeuge (46) mehrere, vorzugsweise zumindest sechs, besonders bevorzugt zumindest zwölf, Umformnocken (72; 72a, 72b) aufweisen; wobei die ersten Umformnocken (72; 72a, 72b) der Umformwerkzeuge (46) auf verschiedenen Schraubenlinien (80, 82) angeordnet sind; wobei die in Längsrichtung (74) der ersten Umformnocke (72; 72a, 72b) nachfolgenden Umformnocken (72; 72a, 72b) eines Umformwerkzeugs (46) abwechselnd mit der Schraubenlinie (80, 82) desselben Umformwerkzeugs (46) auf den Schraubenlinien (80, 82) der weiteren Umformwerkzeuge (46) angeordnet sind.
  15. Umformmaschine (10) zum mehrstufigen Erzeugen eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur durch Rundkneten,
    • mit einer Umformwerkzeuganordnung (12) nach einem der Ansprüche 10 bis 14;
    • mit einer zum Anordnen, insbesondere Einspannen, eines Werkstückrohlings (18) ausgebildeten Vorschubeinrichtung (14); wobei die Vorschubeinrichtung (14) entlang einer Vorschubachse (20) relativ zu der Umformwerkzeuganordnung (12) translatorisch bewegbar ausgebildet ist; und
    • mit einer zum Regeln von Maschinenparametern ausgebildeten Maschinensteuerung (34);
    • wobei die Umformmaschine (10) zur Durchführung einer relativen Drehbewegung (30) zwischen der Umformwerkzeuganordnung (12) und der Vorschubeinrichtung (14) eingerichtet ist.
  16. Umformverfahren zum mehrstufigen Erzeugen eines zylindrischen Werkstücks mit einer spiralförmigen Außenkontur durch Rundkneten mittels einer Umformmaschine (10) nach Anspruch 15, aufweisend die Verfahrensschritte:
    • Anordnen, insbesondere Einspannen, eines Werkstückrohlings (18) an der Umformmaschine (10);
    • Erzeugen des zylindrischen Werkstücks mit der spiralförmigen Außenkontur durch Bewegen der Vorschubeinrichtung (14) in einer Axialbewegung (29) entlang der Vorschubachse (20) sowie zeitgleichem Durchführen der relativen Drehbewegung (30) zwischen der Umformwerkzeuganordnung (12) und der Vorschubeinrichtung (14);
    wobei die Drehbewegung (30) derart an die Axialbewegung (29) angepasst ist, dass die Umformnocken (72; 72a, 72b) entlang der Schraubenlinien (80, 82) durch radiales Auslenken der Umformwerkzeuge (46) eine plastische Verformung des Werkstückrohlings (18) bewirken.
  17. Umformverfahren nach Anspruch 16, wobei das zylindrische Werkstück aus einem hohlen Werkstückrohling (18) erzeugt wird, wobei vor dem Erzeugen des zylindrischen Werkstücks mit der spiralförmigen Außenkontur ein Umformdorn innerhalb des hohlen Werkstückrohlings (18) angeordnet wird.
  18. Computerprogramm zum Betreiben einer Umformmaschine (10) gemäß Anspruch 15, wobei als Maschinensteuerung (34) eine numerische Maschinensteuerung (34) vorgesehen ist,
    wobei das Computerprogramm für die Maschinensteuerung (34) Steuerbefehle umfasst, die bewirken, dass ein Umformverfahren nach Anspruch 16 durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf der numerischen Maschinensteuerung (34) der Umformmaschine (10) gemäß Anspruch 15 abläuft.
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