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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen von rotationssymmetrischen Bauteilen aus einem Rohr,
insbesondere von hohlen Monoblockwellen, wobei das Rohr anfangs
einen konstanten Außendurchmesser
und eine konstante Wandstärke aufweist
und das rotationssymmetrische Bauteil zumindest über einen Bereich seiner Gesamtlänge einen
davon abweichenden, kleineren Außendurchmesser und eine davon
abweichende, größere Wandstärke aufweist.
Daneben betrifft die Erfindung noch ein rotationssymmetrisches Bauteil,
insbesondere eine hohle Monoblockwelle, mit einem über die Gesamtlänge des
Bauteils variierendem Außendurchmesser
und einer variierenden Wandstärke.
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Rotationssymmetrische Bauteile, die über ihre
Gesamtlänge
unterschiedliche Außendurchmesser
und unterschiedliche Wandstärken
aufweisen, werden insbesondere bei Kraftfahrzeugen als Antriebswellen,
Nockenwellen, Zwischenwellen oder Getriebewellen eingesetzt. Unter
dem generell immer stärkere
Beachtung findenden Gesichtpunkt der "Gewichtsreduzierung" werden seit einiger Zeit anstelle von
aus Vollstäben
hergestellten Wellen aus Rohren hergestellte Wellen, sogenannte
Hohlwellen verwendet. Es gibt grundsätzlich zwei unterschiedliche
Typen von Rohren, die sich auch in ihrem Herstellungsverfahren unterscheiden.
Rohre, insbesondere Stahlrohre werden hergestellt entweder in nahtloser
Ausführung,
d. h. aus dem vollen Werkstoff ohne Längsnaht, oder in geschweißter Ausführung, d.
h. aus gebogenem Blech oder Bandstahl mit Längsnaht. Für rotierende Bauteile werden
meist geschweißte
Rohre verwendet, da bei nahtlosen Rohren die erforderlichen Konzentrizität nicht
immer ausreichend sicher gewährleistet
werden kann. Darüber hinaus
ist die Herstellung nahtloser Rohre in der Regel teurer als die
Herstellung geschweißter
Rohre.
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Um nun die zuvor genannten rotationssymmetrischen
Bauteile mit unterschiedlichen Außendurchmessern und Wandstärken herzustellen,
gibt es – zumindest
theoretisch – die
Möglichkeit,
mehrere Rohre mit unterschiedlichen, jeweils konstantem Außendurchmesser
und konstanter Wandstärke
zu einem Gesamtrohr mit dem gewünschten
Außendurchmesser-
und Wand stärkenverlauf
zu verbinden. Derartige, aus mehreren Einzelrohren zusammengesetzte
Rohre genügen
jedoch in der Regel nicht den hohen mechanischen Anforderungen,
denen Wellen im Betrieb ausgesetzt sind.
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Im Stand der Technik werden daher,
insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, ausschließlich Monoblockwellen eingesetzt,
d.h. solche Wellen, die aus einem einzigen Stück, im vorliegenden Fall aus
einem einzigen Rohr, gefertigt sind. Die Welle wird dabei meist
mit Hilfe des sogenannten Rundknetverfahrens bei Raumtemperatur
aus dem Rohr hergestellt. In der Regel ist es gewünscht, daß die Welle
in ihrem Mittenbereich eine möglichst
geringe Wandstärke und
in einem oder beiden Endbereichen einen geringeren Außendurchmesser
und eine deutlich größere Wandstärke aufweist.
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Nun ist jedoch die im Endbereich
durch das Rundknetverfahren erreichbare Wandstärke nicht beliebig vergrößerbar,
sondern hängt
zum einen von dem Außendurchmesser
und der Wandstärke
des ursprünglichen
Rohres, zum anderen von dem Außendurchmesser
des Endbereichs der Welle ab (Materialerhaltung bzw. Volumenkonstanz).
Soll der Endbereich eine besonders große Wandstärke aufweisen, so ist es erforderlich,
daß auch
das Ausgangsmaterial, d.h. das ursprüngliche Rohr, eine ausreichend große Wandstärke oder
einen entsprechend großen Außendurchmesser
aufweist. Dies kann dann dazu führen,
daß die
Wandstärke
und/oder der Außendurchmesser
des ursprünglichen
Rohres größer sein muß als die
hinterher gewünschte
Wandstärke
bzw. der Außendurchmesser
der fertigen Welle im Mittenbereich. Bei dem Rohr müssen dann
nicht nur die Endbereiche mittels Rundkneten bearbeitet werden, sondern
es muß zusätzlich auch
noch der Mittenbereich durch Abstrecken sowohl in seinem Außendurchmesser
als auch in seiner Wandstärke
verringert werden.
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Ein weiteres Problem ergibt sich
häufig
dadurch, daß geschweißte Rohre
nicht mit beliebiger Wandstärke
bzw. mit einem beliebigen Verhältnis
von Wandstärke
zu Außendurchmesser
hergestellt werden können.
Dabei beträgt
das maximale Verhältnis von
Wandstärke
zu Außendurchmesser
etwa 1/7. Soll das Rohr eine noch größere Wandstärke oder bei gleichbleibender
Wandstärke
einen geringeren Außendurchmesser
aufweisen, so ist dies nicht mehr durch einfaches Biegen des Blechs
oder Bandstahls und anschließendem
Schweißen des
Rohres möglich.
In einem solchen Fall muß zunächst ein
Rohr mit einem größeren Außendurchmesser
und einer kleineren Wandstärke
hergestellt, d.h. gebogen und geschweißt werden, das dann anschließend einem oder
mehreren Ziehprozessen unterzogen werden muß, wodurch der Außendurchmesser
verringert und gleichzeitig die Wandstärke des Rohres vergrößert wird.
Sind mehrere Ziehprozesse zur Erreichung des gewünschten Rohres erforderlich,
so ist zwischen den einzelnen Ziehprozessen in der Regel eine Wärmebehandlung
des Rohres erforderlich. Durch die zusätzlichen Bearbeitungsschritte
bei der Herstellung des Rohres ergibt sich für sogenannte "gezogene" Rohre ein deutlich
höherer
Preis als für
nur einfach geschweißte
Rohre, wobei der Mehrpreis für "gezogene" Rohr bis zu ca.
30 % beträgt.
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Im Stand der Technik erfordert das
Herstellen eines eingangs beschriebenen rotationssymmetrischen Bauteiles
aus einem Rohr somit folgende Schritte:
Herstellung eines geschweißten Rohres
mit einem Außendurchmesser
D1 und einer Wandstärke d1,
Herstellen
eines Rohres mit einem Außendurchmesser
D2 < D1 und einer Wandstärke d2 > d1 durch
einen oder mehrere Ziehprozesse,
Abstrecken eines Bereichs,
vorzugsweise des Mittenbereichs, des Rohres, so daß das Rohr
in diesem Bereich einen Außendurchmesser
DM ≤ D2 und eine Wandstärke dM < d2 aufweist
und
Bearbeiten mindestens eines Bereiches, vorzugsweise eines
Endbereiches, des Rohres mittels Rundkneten bei Raumtemperatur,
so daß in
diesem Bereich das Rohr einen Außendurchmesser DR < D2 und
eine Wandstärke
dR > d2 aufweist.
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Darüber hinaus sind noch aufwendigere
Verfahren bekannt, bei denen profilierte rotationssymmetrische Bauteile
mit in ihrer axialen Erstreckung variierenden Wandstärken erzielt
werden, z. B. durch axiales Stauchen eines Rohres und anschließendem radialen
Schmieden (
DE 198
18 653 A1 ), wobei gegenüber
dem oben beschriebenen Verfahren noch weitere Arbeitsschritte in
verschiedenen Aufspannungen des Rohres notwendig sind. Dieses Verfahren
setzt – genau
wie andere bekannte Verfahren (
DE 37 42 496 C2 ) – voraus, daß das zu
bearbeitende Rohr vollständig
erwärmt
wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines eingangs beschriebenen
rotationssymmetrischen Bauteiles aus einem Rohr anzugeben, welches
möglichst
einfach und damit kostengünstig
durchgeführt
werden kann.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und
im wesentlichen durch ein eingangs beschriebenes Verfahren mit den
folgenden Verfahrensschritten gelöst:
Verwendung eines Rohres
mit einer Wandstärke,
die der kleinsten Wandstärke
des fertigen Bauteils entspricht,
partielle Erwärmung mindestens
eines Bereichs des Rohres,
axiales Stauchen des erwärmten Bereichs
des Rohres und
radiales Schmieden des erwärmten Bereichs des Rohres.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch einfacher
und damit kostengünstiger
durchzuführen,
daß als
Ausgangsmaterial ein Rohr mit einer Wandstärke, die der kleinsten Wandstärke des
fertigen Bauteiles entspricht, verwendet wird. Dabei wird im Rahmen
dieser Erfindung stets nur die Wandstärke eines Bereichs des Bauteils
mit einer gewissen Länge
betrachtet. Weist beispielsweise der Rand des Bauteils einen kurzen
Ansatz auf, der eine sehr kleine Wandstärke hat, so ist dies nicht
als die kleinste Wandstärke
des Bauteils zu verstehen. In der Regel wird das Bauteil seine kleinste
Wandstärke
in etwa im Mittenbereich aufweisen, wobei der Bereich der kleinsten
Wandstärke
jedoch nicht exakt in der Mitte des Bauteils sein muß. Bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren
entfällt
somit das im Stand der Technik meist notwendige Abstrecken eines
Bereichs, insbesondere des Mittenbereichs des Rohres. Handelt es sich
bei der aus dem Rohr herzustellenden Welle beispielsweise um eine
Antriebswelle eines Kraftfahrzeuges, so müssen nur die beiden Endbereiche
bearbeitet werden, nicht jedoch zusätzlich der Mittenbereich. Das
für die
Herstellung des Endbereichs mit großer Wandstärke erforderliche Materialvolumen – wofür im Stand
der Technik ein Rohr mit einer größeren Wandstärke als
Ausgangsmaterial erforderlich ist – wird bei der Herstellung
des rotationssymmetrischen Bauteiles gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
durch das axiale Stauchen des erwärmten Bereiches des Rohres
zur Verfügung
gestellt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
als Rohr ein geschweißtes,
nicht nachgezogenes Rohr verwendet wird. Dadurch können – wie weiter
oben ausgeführt – die Herstellungskosten
für das
Ausgangsmaterial d.h. das Rohr deutlich reduziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich
dadurch vorteilhafterweise weitergestalten, daß das axiale Stauchen und das
radiale Schmieden des erwärmten
Bereiches des Rohres in einer Aufspannung, vorzugsweise in einem
Arbeitsschritt, erfolgen. Muß das
Rohr bei den einzelnen Bearbeitungsschritten nicht von einer Maschine
auf die andere umgespannt werden, so ergeben sich kürzere Herstellungszeiten
für das
rotationssymmetrische Bauteil, was sich ebenfalls günstig auf
die Herstellungskosten auswirkt.
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Bei einem alternativen Verfahren
zum Herstellen eines rotationssymmetrischen Bauteiles aus einem
Rohr ist die zuvor genannte Aufgabe zunächst und im wesentlichen dadurch
gelöst,
daß das
Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
Verwendung
eines geschweißten,
nicht nachgezogenen Rohres mit einer relativ großen Wandstärke und
Bearbeiten mindestens
eines Bereichs des Rohres mittels Rundkneten bei Raumtemperatur.
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Bei dem Verfahren gemäß der zweiten
Lehre der Erfindung erfolgt eine Reduzierung der Herstellungskosten
dadurch, daß als
Ausgangsmaterial ein Rohr verwendet wird, das lediglich geschweißt, nicht jedoch
nachgezogen worden ist. Das für
die Erzielung eines Randbereichs des Rohres mit einer relativ großen Wandstärke erforderliche
Materialvolumen wird bei diesem Verfahren dadurch zur Verfügung gestellt,
daß das
Rohr aus einem Blech bzw. einem Bandstahl mit einer großen Dicke
gebogen wird. Vorteilhafterweise entspricht auch bei dem Verfahren
gemäß der zweiten
Lehre der Erfindung die Wandstärke des
Rohres der kleinsten Wandstärke
des fertigen Bauteils.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung
noch ein rotationssymmetrisches Bauteil, insbesondere eine hohle
Monoblockwelle, mit einem über
die Gesamtlänge
des Bauteils variierenden Außendurchmesser
und/oder einer variierenden Wandstärke, wobei das Bauteil aus
einem Rohr mit einem konstanten Außendurchmesser und einer konstanten
Wandstärke
gemäß einem
der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
worden ist.
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Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl
von Möglichkeiten,
die erfindungsgemäßen Verfahren bzw.
das erfindungsgemäße rotationssymmetrische Bauteil
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits
auf die den Patentansprüchen
1, 7 und 9 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Welle, dargestellt in verschiedenen Fertigungsstufen bei einem aus
dem Stand der Technik bekannten Verfahren, und
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2 eine
Welle, dargestellt in verschiedenen Fertigungsstufen bei einer bevorzugten
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
schematisch die Fertigungsfolge bei der Herstellung einer Welle 1 mit
einem über
die Gesamtlänge
L1, variierenden Außendurchmesser D und einer
variierenden Wandstärke
d gemäß einem aus
dem Stand der Technik bekannten Verfahren, ausgehend von einem Rohr 2.
Von den insgesamt dargestellten vier Fertigungsschritten betreffen
die beiden ersten Fertigungsschritte (1a und 1b) die Herstellung des Rohres 2,
während
die beiden letzten Fertigungsschritte (1c und 1d)
die Herstellung der Welle 1 aus dem Rohr 2 betreffen.
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1a zeigt
ein einfach geschweißtes
Rohr 2 mit einem Außendurchmesser
D1 und einer Wandstärke d1.
Die Wandstärke
d1 entspricht dabei der Dicke des Bleches
oder des Bandstahls, aus dem das Rohr 2 gebogen worden
ist. 1b zeigt das Rohr 2', nachdem es
durch eine Ziehdüse
oder einen Ziehring gezogen worden ist. Durch das Ziehen des Rohres 2 weist
dieses einen Außendurchmesser
D2 < D1 und eine Wandstärke d2 > d1 auf.
Dieses Rohr 2' ist
so dimensioniert, daß daraus
eine Welle 1 mit einem Endbereich 3 mit dem gewünschten
Außendurchmesser DE und der gewünschten Wandstärke dE durch Rundkneten hergestellt werden kann.
Gleichzeitig weist das Rohr 2' jedoch einen Außendurchmesser
D2 und eine Wandstärke d2 auf,
die jeweils größer sind
als der Außendurchmesser
DM und die Wandstärke dM des
Mittenbereichs 4 der Welle 1. Somit ist es bei
der Herstellung der Welle 1 aus dem Rohr 2' zunächst erforderlich,
den Mittenbereich 4 abzustrecken, um den gewünschten
Außendurchmesser
DM und die gewünschte Wandstärke dM zu erreichen. Hierfür wird in das Rohr 2' ein – hier nicht
dargestellter – Dorn
mit einem entsprechenden Außendurchmesser
eingeschoben und anschließend
das Rohr 2' in
seinem Mittenbereich 4 von außen hämmernd bearbeitet (vgl. 1c). Als letztes wird bei
der Welle 1 der Endbereich 3 mit Hilfe des Rundknetver fahrens
bearbeitet, so daß der
Endbereich 3 den gewünschten – in 1d dargestellten – Außendurchmesser-
und Wandstärkenverlauf
aufweist.
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Die Herstellung einer Welle 1 gemäß dem zuvor
beschriebenen bekannten Verfahren ist dadurch besonders aufwendig
und damit kostenintensiv, daß zunächst das
Rohr 2' in
mehreren Verfahrensschritten hergestellt werden muß, nämlich außer dem
eigentlichen Biegen und Schweißen
zusätzlich einem
oder mehreren Ziehvorgängen
und damit verbunden zusätzlich
einem oder mehreren Wärmebehandlungen
unterzogen werden muß.
Anschließend muß zur Herstellung
der Welle 1 aus dem Rohr 2' sowohl der Mittenbereich 4 als
auch der Endbereich 3 bearbeitet werden, nämlich der
Mittenbereich 4 mittels Abstrecken und der Endbereich 3 mittels
Rundkneten verformt werden. Das Rundknetverfahren bei Raumtemperatur
hat darüber
hinaus den Nachteil, daß aufgrund
der Kaltverfestigung nur relativ geringe Umformungsgrade erreichbar
sind.
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Das in 1 dargestelle
Rohr 2 bzw. die dargestellte Welle 1 weist in
den einzelnen Fertigungsschritten beispielsweise folgende Außendurchmesser
D und Wandstärken
d auf
D1 = 60 mm, d1 =
4,0 mm
D2 = 50 mm, d2 =
4,5 mm
DM = 40 mm, dM =
3,5 mm
DE = 26 mm, dE =
8,0 mm
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Die 2 zeigt
demgegenüber
eine Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung einer Welle 1 anhand von drei Fertigungsschritten.
Der erste Fertigungsschritt (2a)
entspricht dem ersten Fertigungsschritt (1a) bei dem aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren, er zeigt nämlich
ein einfach geschweißtes
Rohr 2 mit einem Außendurchmesser
D1 und einer Wandstärke d1.
Wesentlich ist nun zunächst,
daß die Wandstärke d1 des Rohres 2 der Wandstärke dM des Mittenbereichs 4 der fertigen
Welle 1 entspricht. Darüber
hinaus entspricht auch der Außendurchmesser D1 des Rohres 2 dem Außendurchmesser
DM des Mittenbereichs 4 der Welle 1,
so daß der
Mittenbereich 4 des Rohres 2 bzw. der Welle 1 nicht
bearbeitet werden muß.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß als Rohr 2 ein
einfach geschweißtes,
nicht nachgezogenes Rohr 2 verwendet werden kann. Dadurch
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ein Bearbeitungsschritt bei der Herstellung des Rohres 2,
nämlich
das Ziehen des Rohres 2 eingespart werden.
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2b zeigt,
daß das
im Endbereich 3 partiell erwärmte Rohr 2 axial
gestaucht wird, so daß das Rohr 2 eine
Gesamtlänge
L2 < L1 aufweist. Das axiale Stauchen des Rohres 2 führt zu einer
Wandstärkenverdickung
im Endbereich 3. Zusätzlich
zum axialen Stauchen wird der erwärmte Bereich des Rohres 2, d.h.
der Endbereich 3, durch radiales Schmieden mit einem Schmiedewerkzeug 5 bearbeitet,
wodurch der gewünschte
Außendurchmesser
DE erreicht wird. Eine mehrstufiger Außendurchmesser-
und Wandstärkenveränderung
im Endbereich 3 wird durch mehrere radiale Schmiedvorgänge erreicht.
In einem ersten Zwischenschritt weist der Endbereich 3 einen Außendurchmesser
D2 < D1 auf.
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Zur Erzielung des gewünschten
Innendurchmesserverlaufs im Endbereich 3 wird während des axialen
Stauchens und des radialen Schmiedens des erwärmten Bereichs ein Dorn in
das Rohr 2 eingeführt.
Durch die Wahl des Außendurchmessers
des Dornes wird dann auch die gewünschte Wandstärke dE der Welle 1 festgelegt. Dadurch,
daß das
Rohr 2 partiell erwärmt
wird, treten keine bzw. deutlich verringerte Kaltverfestigungsprozesse
auf, wodurch ein größerer Umformungsgrad
möglich
ist.
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Das in 2 dargestelle
Rohr 2 bzw. die dargestellte Welle 1 weist in
den einzelnen Fertigungsschritten beispielsweise folgende Außendurchmesser
D und Wandstärken
d auf
D1 = DM =
40 mm, d1 = dM =
3,5 mm
D2 = 30 mm, d2 =
7,0 mm
DE = 26 mm, dE =
8,0 mm