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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen rotationssymmetrischen, eine Funktionsfläche oder eine Berührfläche für ein Lager aufweisenden Sitzes oder Lagersitzes an einem metallischen Bauteil zur Aufnahme eines Maschinenteils oder Lagers, wobei der Sitz tiefgezogen und danach kalibriert wird, wobei das Bauteil während des Kalibrierens formschlüssig abgestützt wird und die Abstützung den Sitz formt und die Abmessung des Sitzes vorgibt.
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Die Erfindung ferner eine Vorrichtung zum Herstellen eines Sitzes an einem mechanischen Bauteil im, Tiefziehverfahren mit einer Abstützung zur Aufnahme und Maßübertragung des Sitzes sowie mit einem an der Außenseite des Sitzes relativ zu diesem beweglichen Kalibrierwerkzeug zum Anpressen des Sitzes an seine Abstützung insbesondere zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens.
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Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind bekannt und werden häufig beispielsweise zur Herstellung von Lagersitzen von Elektromotoren für die Außenringe entsprechender Lager mit ihrem inneren Sitz oder für Innenringe mit ihrem äußeren Sitz angewandt. Dabei besteht ein Problem darin, dass der Kalibriervorgang nur eine begrenzte Präzision und Genauigkeit des Sitzes erlaubt.
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Um eine höhere Genauigkeit zu erlangen, ist es deshalb bisher bekannt, den durch Tiefziehen und Kalibrieren entstandenen Sitz nach zu bearbeiten, sei es spanabhebend, sei es schleifend, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet.
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Es besteht deshalb die Aufgabe ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs definierten Art zu schaffen, womit ein Sitz hoher Genauigkeit ohne Nacharbeit durch Schleifen oder spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs definierte Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Sitz abgewandten Seite des tiefgezogenen Bauteils dessen Werkstoff durch eine einen axialen Vorschub aufweisende kalte Verformung etwa streifenförmig, teilweise in Umfangsrichtung verdrängt wird. Statt nur einen möglichst großen Druck bei der Kalibrierung zu erzeugen, wird also an der dem Sitz abgewandten Seite durch kalte Verformung Werkstoff teilweise verdrängt, wodurch der Sitz selbst entsprechend stärker an das ihn formende Werkzeug angedrückt wird, so dass er dessen Form mit umso größerer Genauigkeit übernimmt. Durch die auf der dem Sitz abgewandten Seite durchgeführte Kaltumformung in Form einer gewissen Materialverdrängung wird also der gesamte Sitz während seiner Herstellung einem zusätzlichen Druck gegenüber der den Sitz tragenden Abstützung ausgesetzt, so dass die Form des Sitzes entsprechend genau und präzise wird.
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Das tiefgezogene Bauteil kann während der kalten Verdrängung von Werkstoff mit seiner den Sitz bildenden Seite von einem Aufnahmestempel abgestützt und durch die kalte Verdrängung von Werkstoff auf der dem Sitz abgewandten Seite mit Druck beaufschlagt werden. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Beaufschlagung des Sitzes selbst an seiner Abstützung mit ausreichend hohem Druck, um eine hohe Genauigkeit von der Form der Abstützung auf den Sitz zu übertragen.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass durch die Materialverdrängung auf der dem Sitz abgewandten Seite des tiefgezogenen Bauteils diese Seite derart profiliert wird, dass in Umfangsrichtung Bereiche geringerer Wandstärke und Bereiche größerer Wandstärke einander benachbart sind und die Fläche des Sitzes selbst stetig glatt geformt wird. Durch die kalte Materialverdrängung ergeben sich an den Stellen, von denen das Material wegverdrängt wird, entsprechend geringere Wandstärken, während benachbart dazu die Stellen, zu denen das Material hin verformt und verdrängt wird, eine entsprechend geringfügig größere Wandstärke haben. Die auf diese Weise entstandene Profilierung verbessert die Festigkeit und die Stabilität des gesamten Sitzes. Ein gutes Ergebnis kann dabei dadurch erzielt werden, dass während des Kalibrierens am Umfang der dem Sitz abgewandten Seite an mehreren einander am Umfang benachbarten Stellen Material verdrängt wird. Insbesondere bei einem kreisrunden Sitz, vorzugsweise einem Lagersitz, kann also der gesamte Umfang der dem Sitz selbst abgewandten Fläche gleichmäßig mit entsprechenden durch die Materialverdrängung gebildeten Streifen versehen werden, so dass auch der gesamte Umfang eines solchen Sitzes gleichmäßig profiliert wird und die erhöhte Festigkeit aufweisen kann.
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Um bei der Materialverdrängung die dafür erforderlichen Kräfte günstig und vor allem mit relativ geringer Anfangskraft aufbringen zu können, ist es zweckmäßig, wenn die auf der dem Sitz abgewandten Seite durchgeführte kalte Materialverdrängung in axialer Vorschubrichtung von einem geringen Maß in Vorschubrichtung mit zunehmenden Maß, beispielsweise keilförmig durchgeführt wird. Beim ersten Anfang der Materialverdrängung wird also zunächst noch weniger Material verdrängt und durch die Keilform nimmt im Laufe des Vorschubes die Materialverdrängung bis zu ihrem Endwert zu.
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Die Materialverdrängung kann also während des Vorschubes von einem zunächst geringen zu einem größeren Maß gesteigert werden, wofür insbesondere ein Werkzeug mit einzelnen Segmenten für diese Materialverdrängung gewählt werden kann, die an ihrem in Vorschubrichtung vorderen Endbereich angespitzt und/oder abgeschrägt und/oder abgerundet sind. Die Materialverdrängung wird somit während des Vorschubes von einem zunächst geringen zu einem größeren Wert gesteigert, so dass diese kalte Materialverdrängung mit vergleichsweise geringen Kraftaufwand durchgeführt werden kann.
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Die zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe dienende Vorrichtung der eingangs erwähnten Art kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das koaxial zu dem Bauteil und zu der Außenseite des Sitzes verstellbare Kalibrierwerkzeug an seinem Umfang in Vorschubrichtung verlaufende Vorsprünge und in Umfangsrichtung dazu benachbart Vertiefungen aufweist, so dass von den Vorsprüngen während des Vorschubes von der Außenseite des Sitzes verdrängter Werkstoff nach dem Kalibriervorgang von den Vertiefungen dieses Kalibrierwerkzeugs aufgenommen ist. Das Kalibrierwerkzeug hat also beispielsweise für einen kreisrunden Lagersitz keine kreisrunde glatte Form, sondern weist an seinem Umfang abwechselnd Vorsprünge und Vertiefungen auf, wobei die Vorsprünge dazu dienen Material zu verdrängen, welches dann Platz im Bereich der Vertiefungen dieses Kalibrierwerkzeugs findet. Vorsprünge und Vertiefungen des Kalibrierwerkzeugs sind also so aufeinander abgestimmt, dass bei einem axialen Vorschub Werkstoff in Umfangsrichtung verdrängt werden kann.
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Die in Vorschubrichtung an dem Kalibrierwerkzeug verlaufenden Vorsprünge können zumindest in ihrem in Vorschubrichtung vorderen Bereich etwa keilförmig oder sich entgegen der Vorschubrichtung konisch verbreiternd geformt sein. Dadurch ist es möglich, dass diese Vorsprünge bei der axialen Verstellung des Kalibrierwerkzeugs, welches auch als Kalibriermatrize bezeichnet werden kann, allmählich in den Werkstoff eindringen, den sie bei ihrem Vorschub seitlich verdrängen sollen. Praktisch wird der Werkstoff durch diese Keilform der Vorsprünge analog einer Bugwelle nach den Seiten verdrängt. Dabei ist eine symmetrische Keilform bevorzugt, um eine möglichst genaue Axialbewegung zu fördern.
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Die in Vorschubrichtung vorderen Enden der Vorsprünge können in axialer Richtung gleichmäßig konisch breiter und demgemäß die Zwischenräume zwischen ihnen schmaler werden. Somit erreichen die Vorsprünge während des Vorschubes erst ihre volle Breite in Umfangsrichtung und damit eine zunehmende Werkstoffverdrängung. Handelt es sich dabei um einen runden Lagersitz in einem beispielsweise napfförmigen Bauteil, kann also vor allem der dem Boden dieses „Napfes” nähere Bereich des Sitzes mit einer entsprechend starken Werkstoffverdrängung entsprechend fest gegen die Abstützung, also beispielsweise einen Aufnahme- oder Prägestempel, angedrückt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass die Vorsprünge an ihrem in Vorschubrichtung vorderen Ende oder an ihrer Spitze gegenüber dem Kalibrierwerkzeug oder der Kalibriermatrize weniger vorstehen als in ihrem hinteren Bereich. Diese Maßnahme, die auch mit der konischen Form der Vorsprünge kombiniert sein kann, verbessert und erleichtert das Eindringen dieser Vorsprünge in den zu verdrängenden Werkstoff und führt dazu, dass ganz zu Beginn der Kraftaufwand entsprechend niedrig ist.
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In Vorschubrichtung vor den Vorsprüngen kann an dem Kalibrierwerkzeug beziehungsweise der Kalibriermatrize zumindest ein abgerundeter Einlaufbereich oder ein zunächst abgerundeter Einlaufbereich und ein sich anschließender zylindrischer Einlaufbereich vorgesehen sein. Dadurch wird erreicht, dass das Kalibrierwerkzeug bereits an dem Werkstück in Eingriff ist, bevor die mit entsprechend höherer Kraft durchzuführende Materialverdrängung beginnt. Entsprechend präzise ist das Werkzeug während dieses Vorganges geführt.
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Die axiale Länge des profilierten Bereichs des Kalibrierwerkzeugs kann mindestens so groß gewählt sein, wie die axiale Abmessung des Sitzes bezüglich seiner Funktionsfläche ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der gesamte Sitz mit entsprechend hohem Druck beaufschlagt wird. Günstig kann es sein, wenn die axiale Länge des profilierten Bereichs die axiale Abmessung des Sitzes etwas übertrifft, so dass auf jeden Fall der gesamte Sitz durch den profilierten Bereich beaufschlagt wird.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass als Abstützung für das Bauteil ein das Innere des Lagersitzes formender Abstützstempel als Aufnahme- oder Prägestempel vorgesehen ist, dessen Außenmaß dem Innenmaß des rotationssymmetrischen Sitzes oder des Lagersitzes entspricht, und dass das Kalibrierwerkzeug mit den materialverdrängenden Vorsprüngen relativ zu der Außenseite dieses Sitzes oder Lagersitzes verstellbar angeordnet ist.
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Durch die Materialverdrängung an der dem Sitz und dem Aufnahme-, Präge- oder Abstützstempel abgewandten Seite wird das Bauteil und der Sitz so intensiv gegen diesen gedrückt, dass dessen Maß praktisch vollständig auf den Sitz übergeht, dieser also die gewünschte Genauigkeit hat.
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Günstig ist es, wenn das Kalibrierwerkzeug einen relativ zu ihm in den Kalibrierbereich verstellbaren Auswerfer zum Trennen des Kalibrierwerkzeugs von dem Werkstück aufweist. Dadurch kann das Werkstück nach dem Verformen von dem Kalibrierwerkzeug getrennt werden, obwohl dieses zuvor mit dem Werkstück oder Bauteil durch den hohen Druck kraftschlüssig verbunden ist.
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Der Abstützstempel zum Formen des Sitzes kann einen relativ zu ihm beweglichen Auswerfer zum Abheben des bearbeiteten Werkstücks oder Bauteils von dem Abstützstempel aufweisen. Auch zwischen dem bearbeitenden Werkstück oder Bauteil und dem Abstützstempel ist durch die Kaltverformung ein Kraftschluss entstanden, der auf diese Weise überwunden werden kann.
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Vor allem bei Kombination einzelner oder mehrerer der vorbeschriebenen Merkmale und Maßnahmen ergibt sich die Möglichkeit, an einem metallischen Bauteil oder Werkstück einen durch Tiefziehen hergestellten Sitz oder Lagersitz durch kalte Verformung so genau zu fertigen, dass spanende oder schleifende Nachbearbeitungen entfallen können. Erreicht wird dies dadurch, dass auf der dem Sitz abgewandten Seite des tiefgezogenen Bauteils oder Werkstücks Material in Umfangsrichtung verdrängt wird, was einen entsprechend hohen Druck gegenüber der Abstützung beziehungsweise dem Abstützstempel bewirkt, um dessen Maß entsprechend genau auf das Bauteil oder Werkstück zu übertragen.
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Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt in zum Teil schematisierter Darstellung:
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1 einen Längsschnitt durch eine als Kalibriergesenk ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei dieses Kalibriergesenk geöffnet ist und sich das zu bearbeitende metallische Bauteil zwischen Kalibrierwerkzeug und Abstützung befindet,
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2 eine der 1 entsprechende Darstellung, wobei das Kalibrierwerkzeug soweit abgesenkt ist, dass es das Bauteil auf die Abstützung oder den Abstützstempel gedrückt hat,
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3 einen den 1 und 2 entsprechende Darstellung, in welcher das Kalibrierwerkzeug beziehungsweise die Kalibriermatrize noch weiter und soweit abgesenkt ist, dass das Kalibriergesenk geschlossen oder der Kalibriervorgang beendet sind,
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4 einen den 1 bis 3 entsprechende Darstellung, bei welcher das Kalibrierwerkzeug in Aufwärtsbewegung ist und das bearbeitete Bauteil oder Werkstück mitgenommen wird, bevor der in dem Kalibrierwerkzeug befindliche Auswerfer in die in 1 dargestellte Lage verstellt ist,
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5 einen Längsschnitt eines Kalibrierwerkzeugs ohne Auswerfer mit Blick auf die innenseitig angeordnete, aus in Umfangsrichtung nebeneinander liegende Vorsprünge und Vertiefungen gebildete Profilierung zum Beaufschlagen der dem Sitz oder Lagersitz abgewandten Seite eines tiefgezogenen Bauteils,
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6 im vergrößertem Maßstab die in 5 mit B bezeichnete Einzelheit,
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7 eine schaubildliche Ansicht eines mit der Vorrichtung gemäß den 1 bis 5 bearbeiteten Bauteils oder Werkstücks mit Blick auf die einem innenliegenden Sitz abgewandte Außenseite, die durch die dort bei der Bearbeitung durchgeführte Materialverdrängung profiliert ist,
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8 eine der 7 entsprechende Seitenansicht und
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9 einen Längsschnitt durch das bearbeitete tiefgezogene Bauteil mit Lagersitz, in welchen ein Wälzlager eingepresst ist.
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Eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Vorrichtung dient zum Herstellen eines Sitzes 2 an einem metallischen Bauteil 3 oder Werkstück, im folgenden auch „Werkstück 3” genannt, im Tiefziehverfahren, wobei das Bauteil oder Werkstück 3 bereits tiefgezogen ist und nachträglich durch ein weiteres kaltes Umform- oder Tiefziehverfahren so kalibriert werden soll, dass die gewünschte Genauigkeit des Sitzes 2 erreicht wird.
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Die Vorrichtung 1 weist dazu eine als Präge-, Aufnahme- oder Abstützstempel 4 ausgebildete Abstützung zur Aufnahme und Maßübertragung des Sitzes 2 sowie ein an der Außenseite des Sitzes 2 relativ zu diesem bewegliches Kalibrierwerkzeug 5 zum Anpressen des Sitzes 2 an seine Abstützung, im Folgenden kurz „Abstützstempel” 4 genannt, auf.
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In 1 befinden sich das Kalibrierwerkzeug 5, eine Kalibriermatrize, und der Abstützstempel 4 in Ausgangsstellung und das zu bearbeitende Werkstück oder Bauteil 3 ist schematisiert zwischen diesen beiden Teilen dargestellt.
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Durch das Absenken des Kalibrierwerkzeugs 5 wird gemäß 2 das Werkstück 3 auf den Abstützstempel gebracht und verdrängt dabei mit einem Flansch eine Abhebeplatte 6, innerhalb welcher der Abstützstempel 4 angeordnet ist, nach unten. Durch weitere Absenkung des Kalibrierwerkzeugs 5 wird die eigentliche Kalibrierung durchgeführt und dadurch das Werkstück 3 maßgenau fertiggestellt.
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In den 5 und 6 ist dargestellt, dass dieses gemäß den 1 bis 3 koaxial zu dem Bauteil 3 und zu der Außenseite 7 des Sitzes 2 verstellbare Kalibrierwerkzeug 5 an seinem im Ausführungsbeispiel innenliegenden Umfang in Vorschubrichtung verlaufende Vorsprünge 8 und in Umfangsrichtung dazu benachbart Vertiefungen 9 aufweist, so dass von den Vorsprüngen 8 während des Vorschubes von der Außenseite 7 des Sitzes 2 verdrängter Werkstoff während und nach dem Kalibriervorgang von diesen Vertiefungen 9 aufgenommen wird.
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An der dem Sitz 2 abgewandten Seite 7 des tiefgezogenen Bauteils 3 wird also dessen Werkstoff durch eine einen axialen Vorschub des Kalibrierwerkzeugs 5 bewirkte kalte Verformung etwa streifenförmig beziehungsweise keilförmig teilweise in Umfangsrichtung verdrängt. In den 7 und 8 ist das Ergebnis dieser Werkstoffverdrängung an der dem innenliegenden Sitz 2 abgewandten Außenseite 7 deutlich in Form einer etwa streifenförmigen beziehungsweise keilförmigen Profilierung zu erkennen, die dabei jeweils etwa konisch geformte Streifen bildet, wie es nachstehend erläutert wird.
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Gemäß den 5 und 6 sind die in Vorschubrichtung an dem Kalibrierwerkzeug 5 verlaufenden Vorsprünge 8 etwa keilförmig oder sich entgegen der Vorschubrichtung verbreiternd geformt. Demgemäß haben die Zwischenräume zwischen ihnen eine umgekehrt angeordnete Keilform oder Konizität. Die Vertiefungen an der Außenseite 7 sind also gemäß 7 von oben nach unten schmaler werdend geformt, während die dazwischen befindlichen Bereiche von oben nach unten entsprechend breiter werden.
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Die in Vorschubrichtung vorderen Enden der Vorsprünge 8 werden dabei in axialer Richtung gleichmäßig konisch breiter und demgemäß die Zwischenräume oder Vertiefungen 9 zwischen ihnen schmaler.
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Dabei kann man in 6 auch an den am weitesten links liegenden Vorsprüngen 8 erkennen, dass die Vorsprünge 8 an ihrem in Vorschubrichtung vorderen Ende oder an ihrer Spitze gegenüber dem Kalibrierwerkzeug, im Ausführungsbeispiel der Innenseite dieses Kalibrierwerkzeugs, weniger vorstehen, als in ihrem hinteren Bereich, so dass das Eindringen dieser Vorsprünge 8 in den Werkstoff des Bauteils 3 allmählich und somit mit einem günstigen Kraftverlauf geschieht.
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Vor allem in 6 erkennt man, dass in Vorschubrichtung vor den Vorsprüngen 8 ein Einlaufbereich 10 vorgesehen ist, der sich aus einem abgerundeten und einem daran anschließenden zylindrischen Einlaufbereich zusammensetzt, um das Werkstück 3 zunächst mehr oder weniger gleitend erfassen zu können, bevor der Vorgang der Materialverdrängung an der Außenseite 7 des Sitzes 2 mit entsprechend großer Kraft und damit der Kalibriervorgang beginnt. Beim Vergleich der 1 bis 4 mit 5 wird deutlich, dass die axiale Länge des profilierten Bereichs des Kalibrierwerkzeugs 5 größer als die axiale Abmessung des Sitzes 2 bezüglich seiner Funktionsfläche ist, so dass sichergestellt ist, dass die gesamte Außenseite 7 des Sitzes 2 von diesem mit Vorsprüngen 8 und Vertiefungen 9 profilierten Bereich des Kalibrierwerkzeugs 5 erfasst wird.
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Der das Innere des Lagersitzes 2 des im Ausführungsbeispiel gezeigten Werkstücks 3 formende Abstützstempel 4 wurde bereits erwähnt. Dessen Außenmaß entspricht dem Innenmaß des in diesem Falle rotationssymmetrischen Lagersitzes und das Kalibrierwerkzeug 5 mit seinen das Material verdrängenden Vorsprüngen 8 relativ zu der Außenseite des Sitzes oder Lagersitzes 2 und gleichzeitig relativ zu dem Abstützstempel 4 angeordnet ist.
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Das Kalibrierwerkzeug 5 weist einen relativ zu ihm in den Kalibrierbereich verstellbaren Auswerfer 11 zum Trennen des Kalibrierwerkzeugs 5 von dem Werkstück 3 auf und der Abstützstempel 4 weist als relativ zu ihm beweglichen Auswerfer die Abhebeplatte 6 zum Abheben des bearbeiteten Werkstücks 3 von dem Abstützstempel 4 auf.
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In 4 erkennt man, wie das Kalibrierwerkzeug 5 relativ zu dem Abstützstempel 4 angehoben ist, wobei die den Abstützstempel 4 umschließende Abhebeplatte 6 durch Rückstellfedern 14 wieder angehoben wird und somit das Werkstück 3 von dem Abstützstempel 4 trennt, welches dann aber noch kraftschlüssig in dem Kalibrierwerkzeug 5 gehalten ist. Dessen Auswerfer 11 kann über eine Feder 16 das Werkstück aus dem Kalibrierwerkzeug 5 herausdrücken, so dass die in 1 dargestellte Situation entsteht mit dem Unterschied, dass nunmehr das Werkstück 3 kalibriert ist und an seiner Außenseite die in den 7 und 8 gezeigte Profilierung aufweist.
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9 zeigt die Verwendung des Werkstücks 3 zur Aufnahme eines Wälzlagers 17, wobei der Lagersitz 2 gegenüber einem Lagerschild 18 übersteht.
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Zur Herstellung eines metallischen rotationssymmetrischen, eine Funktionsfläche aufweisenden Sitzes oder eines Lagersitzes 2 an einem metallischen Bauteil oder Werkstück 5 beispielsweise zur Aufnahme eines Maschinenteils oder Lagers 17 wird dieser Sitz 2 tiefgezogen und danach mit Hilfe der Vorrichtung 1 kalibriert. Dabei wird an der dem Sitz 2 abgewandten Seite des tiefgezogenen Bauteils 3 und des Sitzes 2 Werkstoff durch eine einen axialen Vorschub aufweisende kalte Verformung etwa streifenförmig teilweise in Umfangsrichtung verdrängt, wobei das Bauteil 3 während der Werkstoff-Verdrängung mit seiner den Sitz 2 bildenden Seite von einem Aufnahmestempel 4 abgestützt und mit dem gewünschten Maß versehen wird.