DE19725453C2 - Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Hohlwellen werden insbesondere bei Getrieben ein­ gesetzt, bei denen ein möglichst geringes Trägheitsmoment verlangt wird. Es ist bekannt, derartige Hohlwellen durch Rundkneten herzustellen. Dieses bekannte Verfahren ist al­ lerdings auf Hohlwellen mit relativ geringen Änderungen am Außendurchmesser begrenzt. Bei der Fertigung von mehreren Wellenabsätzen mit unterschiedlichen Durchmessern muß für jeden Durchmesser ein entsprechender Knetbackensatz einge­ baut werden. Für Hohlwellen mit mehreren Wellenabsätzen ist dieses Fertigungsverfahren daher kaum wirtschaftlich.

Ferner gibt es das Verfahren des Querwalzens zur Herstellung von Hohlwellen. Hier ist der Nachteil gegeben, daß aufgrund des Verfahrens ungleichmäßige Wanddicken während der Umfor­ mung entstehen können. Die hierdurch verursachte Unwucht kann, wenn überhaupt, nur unter einem erhöhten Aufwand be­ seitigt werden. In manchen Fällen beispielsweise bei für hohe Drehzahlen vorgesehenen Hohlwellen, ist dieses Ver­ fahren grundsätzlich nicht geeignet.

Aus der DE 195 11 963 A1 geht ein Verfharen zur Herstellung rotationssymmetrischer metallischer Werkstücke, insbesonde­ re von Riemenscheiben hervor. Das Verfahren verwendet als Ausgangswerkstück einen rohrförmigen Rohling. Dieser rohr­ förmige Rohling wird an seinen Endbereichen abgestützt, während er in seinem mittleren Bereich durch aufeinander­ folgende Umformschritte in seinem Durchmesser reduziert wird. Es entsteht ein Zwischenerzeugnis, welches im umge­ formten mittleren Bereich zum Bilden von zwei Riemenschei­ ben halbiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem Hohlwellen bei einer großen Gestaltungsfreiheit und hoher Formgenauigkeit wirtschaft­ lich gefertigt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit diesen Verfahren kann auf einem Drückwalzzentrum in einfacher Weise aus einem Rohr eine Hohlwelle mit einer gewünschten Wanddicke und einer definierten Außenkontur hergestellt werden. Die Oberflächengüte der geformten Hohl­ welle wird dabei durch die Qualität und Struktur der Pro­ filwalzenoberfläche beeinflußt. Durch die Verformung des Materials während des Walzvorganges wird eine verfestigte Oberfläche geschaffen. Durch Abstützung der Hohlwelle von mehreren Seiten können zudem enge Toleranzbereiche erreicht werden, so daß keine oder kaum mehr eine Nachbearbeitung der Wellenkontur notwendig ist. Selbst komplexe Wellenkon­ turen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren schnell und materialsparend und somit umweltschonend hergestellt werden. Da insgesamt eine Festigkeits­ erhöhung bei der Umformung stattfindet, können günstigere Werk­ stoffe mit einer geringeren Ausgangsfestigkeit verwendet werden.

Hinsichtlich einer gezielten Wanddickeneinstellung ist es nach der Erfindung vorteilhaft, daß vor dem Einziehen die Profilrolle an das Rohr angedrückt und definiert axial verfahren wird und dabei die Wanddicke des Rohres lokal verändert wird. Nachdem das einge­ spannte Rohr in Drehung versetzt worden ist, fahren die Supporte mit den Walzeneinheiten gleichzeitig vor. Das Vorfahren kann mit unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten der einzelnen Profil­ walzen zueinander in bestimmten Bereichen des Vorschubweges erfol­ gen. Während dieser Phase kann unabhängig von beiden Seiten des Werkzeuges eine definierte axiale Bewegung relativ zu den Profil­ walzen durchgeführt werden. Als Bezugspunkt für diese Bewegung gilt die Profilwalze mit dem Fertigprofil der zu formenden Hohl­ welle. Dadurch wird axial dem Umformbereich links und rechts neben dem größten Durchmesser der Fertigprofilwalze Material zugeschoben oder entzogen, je nach Art der Formgebung und der gewünschten Ma­ terialverdickung oder Materialausdünnung im Bereich der Hohlwelle.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß ein zweiteiliges Drückwerkzeug verwendet wird und daß beim Spannen ein erstes Teil des Drückwerkzeuges an einem Ende des Rohres und ein zweites Teil des Drückwerkzeuges am anderen Ende des Rohres eingebracht wird. Die beiden Teile des stabförmigen Drückwerkzeuges können gestuft ausgebildet sein, wobei die jeweils weiter innenliegende Stufe einen geringeren Durchmesser als eine außenliegende Stufe hat, so daß die beiden Teile des Drückwerkzeu­ ges hinterschneidungsfrei sind und nach dem Umformen problemlos aus dem umgeformten Rohr gezogen werden können. Auf diese Weise kann eine Innenkontur an der Hohlwelle erzeugt werden, welche in einem mittleren Bereich den kleinsten Durchmesser und nach außen hin einen zunehmenden Durchmesser aufweist.

Um möglichst enge Maßtoleranzbereiche an der zu fertigenden Hohl­ welle zu erzielen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß zum Um­ formen mehrere Profilwalzen eingesetzt werden, welche gleichmäßig um das Rohr verteilt radial zugestellt werden. Die Profilwalzen können dabei mit unterschiedlichen Profilen ausgebildet sein. Alle Profilwalzen haben gemeinsam einen Durchmesserbereich, der den Fertigdurchmesser in einem bestimmten Bereich der fertigen Hohl­ welle kontaktiert. Damit ist sichergestellt, daß während der ge­ samten Umformung das umzuformende Rohr durch mindestens zwei oder vorzugsweise drei Profilwalzen gestützt und damit stets auf Rund­ lauf vom Innen- zum Außendurchmesser gehalten wird. Die einzelnen Profile werden auf den für diese Profilwalze vorgesehenen Um­ formanteil abgestimmt und sind entlang der nahezu gesamten Werk­ stücklänge ausgebildet. Damit wird eine gleichmäßig verteilte Um­ formung auf dem Umfang des zu bearbeitenden Rohres während der ge­ samten Umformung bei gleichzeitiger Abstützung des Rohrkörpers hergestellt. Der Umformanteil der einzelnen Profilwalzen richtet sich dabei nach der Wanddicke oder dem Volumen des umzuformenden Rohres im Umformbereich. Der Umformanteil kann je nach Werkstück­ art unterschiedlich sein.

Die Erfindung ist dadurch weitergebildet, daß beim Umformen die Profilwalzen jeweils durch mindestens eine Stützwalze abgestützt werden und daß die Profilwalzen durch die Stützwalzen radial und/oder axial geführt werden. Um das eingespannte Rohr herum sind verschiedene Profilwalzen angeordnet, die auf einzelnen, unabhän­ gig voneinander verfahrbaren Supporten gelagert sind. Aufgrund der großen Durchmesserunterschiede an der zu formenden Hohlwelle wer­ den die Profilwalzen durch Stützwalzen unterstützt. Dies ermög­ licht, geführte Profilwalzen in kleinen Durchmesserbereichen mit einer für den Durchmesserbereich großen Walzensteifigkeit einzu­ setzen. Je nach Größe der Profilwalze kann die Stützwalze sowohl die axiale als auch die radiale Lagerung oder Führung übernehmen. Damit ein tragfähiger Kontakt zwischen Profil- und Stützwalze ge­ geben ist, kann die Aufhängung der Profilwalze mit der Möglichkeit einer in beiden Richtungen begrenzten radialen Verschiebung von wenigen Millimetern ausgerüstet sein.

Eine qualitativ gute Werkstückoberfläche wird erfindungsgemäß da­ durch erreicht, daß zum Einformen von Bereichen starker Durchmes­ seränderungen geteilte Profilwalzen eingesetzt werden, die beim Umformen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit rotieren. Die Pro­ filwalze kann dabei je nach Größe des Durchmesserunterschiedes der einzelnen Werkstückbereiche in ihrer Länge unterteilt sein. Die einzelnen Teile der Profilwalze sind unabhängig voneinander an ei­ nem gemeinsamen Drehbolzen gelagert. Damit wird die Möglichkeit unterschiedlicher Drehzahlen einzelner Teile der Profilwalze in verschiedenen Durchmesserbereichen geschaffen, wodurch eine uner­ wünschte Relativbewegung im Kontaktbereich von Werkstück und Pro­ filwalze reduziert wird. Damit die einzelnen Profilwalzen sich den Stützwalzen axial anpassen können, sind die Profilwalzen selbst ohne Stützwalzenkontakt axial begrenzt verschiebbar.

Eine erfindungsgemäße Verfahrensvariante ist dadurch gekennzeich­ net, daß nach dem Entfernen des Drückwerkzeuges zumindest ein Ende des Rohres weiter eingezogen und geschlossen wird. Das Ende oder die Enden der geformten Hohlwelle können nach bekannten Drück- und Drückwalzverfahren geschlossen werden. Bei Verschließen beider En­ den kann eine Welle geschaffen werden, in die keine Fremdstoffe eindringen können, welche jedoch gegenüber Vollmaterialwellen ein deutlich verringertes Trägheitsmoment besitzt.

Eine andere Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, daß an der Hohlwelle eine Verzahnung ausgebildet wird. Die Verzahnung kann sowohl spanabhebend als auch spanlos gefertigt werden. Im letzte­ ren Fall kann die Verzahnung ebenfalls auf dem Drückwalzzentrum durch radiales Zustellen einer Profilrolle mit einer Innen- oder Außenverzahnung oder durch Andrücken an einen außenverzahnten Drückdorn durchgeführt werden. Die Verzahnung wird insbesondere an den Wellenabsätzen eingeformt, an welchen vorausgehend zu diesem Zweck eine Materialverdickung beim Umformen erzeugt wurde.

Bei einer anderen Ausführungsform ist es von Vorteil, daß die Hohlwelle auf ein vorgesehenes Maß abgelängt und spanabhebend end­ bearbeitet wird. Hierbei können insbesondere Lagersitze an der Hohlwelle durch Drehen oder Schleifen gefertigt werden.

Die Erfindung wird weiter anhand von bevorzugten Ausführungsbei­ spielen erläutert, welche schematisch in den Zeichnungen gezeigt sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch eine erfindungs­ gemäß hergestellte Hohlwelle;

Fig. 2 bis 7 Querschnittsansichten durch ein Werkstück nach Durchführung einzelner Verfahrensschritte gemäß der Erfindung;

Fig. 8 eine Querschnittsansicht durch eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 9 eine schematische Vorderansicht zu der Vorrich­ tung von Fig. 8.

Eine erfindungsgemäß gefertigte Hohlwelle 20 ist in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt. In die Hohlwelle 20 ist eine Außenkontur 21 mit einem ersten Wellenabsatz 23, einem zweiten Wellenabsatz 24 und einem dritten Wellenabsatz 25 eingeformt, zwischen denen ein erste Durchmesserverengung 26 bzw. eine zweite Durchmesserveren­ gung 27 angeordnet sind. Um ein möglichst geringes Trägheitsmoment der Hohlwelle 20 zu erreichen, verläuft eine Innenkontur 22 weit­ gehend parallel zu der Außenkontur 21. So sind an der Innenkontur 22 in den Bereichen der Wellenabsätze 23, 24, 25 eine erste Hin­ terschneidung 28, eine zweite Hinterschneidung 29 bzw. eine dritte Hinterschneidung 30 ausgebildet. Auf der in der Fig. 1 linken Seite der Hohlwelle 20 ist ein geschlossenes Ende 31 geformt, während auf der anderen Seite ein offenes Ende 32 gebildet ist, durch wel­ ches ein Zugang zu dem Hohlraum der Hohlwelle 20 besteht. Die Hohlwelle 20 ist insgesamt rotationssymmetrisch zu einer Mit­ tenachse 37 ausgebildet.

Die Innenkontur 22 weist im Bereich der ersten Durchmesserveren­ gung 26 einen ersten Innendurchmesser 33 auf, der sich bei einer Wellenstufe 38 zu einem zweiten Innendurchmesser 34 erweitert. Der an das geschlossene Ende 31 angrenzende Bereich der Innenkontur 21 weist einen dritten Durchmesser 35 auf, welcher kleiner als der erste Innendurchmesser 33 und der dazwischen angeordneten ersten Hinterschneidung 28 ist. Das offene Ende 32 besitzt einen vierten Innendurchmesser 36, welcher kleiner als der zweite Innendurchmes­ ser 34 ist.

Die einzelnen Fertigungsschritte zur Herstellung der Hohlwelle 20 aus einem Rohr 10 gehen aus den Fig. 2 bis 7 hervor. Das auf Maß abgelängte Rohr 10 wird in ein Drückwalzzentrum eingespannt und um seine Mittenachse 37 in Rotation versetzt. Über die gesamte Länge des rotierenden Rohres 10 werden eine oder mehrere Profilwalzen radial zugestellt, die ein Profil aufweisen, welches an die zu formende Außenkontur 21 angepaßt ist. Durch das radiale Zustellen der Profilwalzen wird die Wandung des Rohres 10 entsprechend dem Profil eingezogen. Dieser Umformschritt ist beendet, wenn die Rohrwandung in vorgesehenen Bereichen an einem innerhalb des Roh­ res 10 angeordneten Drückwerkzeug anliegt und die Außenkontur 21 in dem Mittenbereich der zu formenden Hohlwelle 20 ausgeformt ist. Die so geformte Außenkontur 21 weist einen zweiten Wellenabsatz 24 und einen dritten Wellenabsatz 25 auf, dessen Außendurchmesser dem Ausgangsdurchmesser des Rohres 10 entspricht. Da beim Umformen die angrenzenden Bereiche der Wellenabsätze stärker eingezogen wurden, hat sich an den Innenseiten des zweiten und dritten Wellenabsatzes 24, 25 eine zweite bzw. dritte Hinterschneidung 29, 30 ausgebil­ det.

Anschließend wird das Drückwerkzeug axial zu beiden Seiten aus dem Werkstück heraus gefahren, so daß die Werkstückenden fertig ge­ formt werden können. Der in der Zeichnung linksseitige Abschnitt des Werkstücks wird weiter radial eingezogen, wobei ein erster Wellenabsatz 23 mit einer ersten Hinterschneidung 28 ausgeformt wird. In einem außenliegenden Bereich wird das Werkstück sogar so weit umgeformt, daß ein geschlossenes Ende 31 entsteht. Das andere Ende wird bei diesem Ausführungsbeispiel zunächst abgelängt und in einem darauf folgenden Umformschritt weiter radial eingezogen und zu einem offenen Ende 32 geformt. Abschließend werden die beiden Enden 31, 32 in einem Abtrennschritt bearbeitet, so daß die ferti­ ge Hohlwelle 20 entsteht, welche bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert ist.

Eine Vorrichtung 50 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt. Die Vorrichtung 50 weist ein mit einer Spindel eines Drückwalzzentrums verbundenes Drück­ werkzeug 51 und drei, in einem Winkel um 120° zueinander versetzt angeordnete Walzeneinheiten 60a, 60b, 60c auf.

Das Drückwerkzeug 51 ist zweiteilig aufgebaut und umfaßt einen in der Zeichnung linksseitigen ersten Teil 52 mit einem ersten Drück­ dorn 54 und ein rechtsseitiges zweites Teil 53 mit einem zweiten Drückdorn 55 auf. Die beiden Teile 52, 53 sind relativ zueinander entlang einer Mittenachse 37 axial verfahrbar. Zum Einspannen ei­ nes Werkstücks befinden sich die beiden Teile 52, 53 des Drück­ werkzeuges 51 in einer auseinandergefahrenen Stellung, aus welcher die zum Spannen des Werkstücks aufeinanderzu verfahren werden. Der erste Drückdorn 54 besitzt drei zylindrische Abschnitte mit je­ weils zum freien Ende hin abnehmenden Durchmesser. Der zweite Drückdorn 55 umfaßt zwei zylindrische Abschnitte, wobei an dessen freiem Ende eine Zentrierbohrung 56 vorgesehen ist. In die Zen­ trierbohrung 56 ist das freie Ende des ersten Dorns 54 zum Spannen des Werkstücks einfahrbar.

Zum Formen einer Hohlwelle 20 sind drei Walzeneinheiten 60a, 60b, 60c vorgesehen, die grundsätzlich gleich aufgebaut sind. In einem radial zum Drückwerkzeug 51 verfahrbaren Gehäuse 61 sind eine Pro­ filwalze 62 und eine Stützwalze 66 angeordnet. Die jeweiligen Mit­ tenachsen der Profilwalze 62 und der Stützwalze 66 verlaufen pa­ rallel zu einer Rotationsachse des Drückwerkzeugs 51. Die Stütz­ walze 66 dient zur Erhöhung der Steifigkeit der Profilwalze 62, so daß auch größere Umformkräfte aufgebracht werden können.

Die Profilwalze 62 ist bei diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig aufgebaut, wobei eine erste Profilteilwalze 64 und eine zweite Profilteilwalze 65 jeweils unabhängig voneinander drehbar an der gemeinsamen Profilwalzenachse 63 gelagert sind. Entsprechend ist die Stützwalze 66 zweiteilig ausgebildet. Eine erste Stützteilwal­ ze 68 und eine zweite Stützteilwalze 69 sind ebenfalls unabhängig voneinander drehbar an der Stützwalzenachse 67 gelagert. Die Au­ ßenkontur der beiden Stützteilwalzen 68, 69 ist so ausgebildet, daß sie in die Kontur der beiden Profilteilwalzen 64, 65 eingreift bzw. diese umgreift, so daß die beiden Profilteilwalzen 64, 65 nicht nur gestützt, sondern auch geführt werden.

Der wesentliche Unterschied zwischen den drei Walzeneinheiten 60a, 60b, 60c liegt darin, daß die einzelnen Profilwalzen 62a, 62b, 62c ein voneinander unterschiedliches Profil besitzen. So ist das Pro­ fil der Profilwalze 62a zum Vorformen ausgebildet, während das Profil der Profilwalze 62c der dritten Walzeneinheit 60c zum Fer­ tigformen der Außenkontur 21 der Hohlwelle 20 ausgestaltet ist. Durch diese unterschiedliche Konturierung der einzelnen Profilwal­ zen 62a, 62b, 62b wird eine bessere Materialverteilung in axialer Richtung des Umformbereiches erreicht, die damit auch zu einer günstigeren Verteilung der Umformkräfte über den Umfang des Rohres führt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle (20), bei welcher zwischen zwei durchmesserkleineren Enden (30, 31) ein durchmessergrößerer Mittenbereich vorgesehen ist, welcher einen Hohlraum umfaßt und eine Außenkon­ tur (21) mit mindestens einem Wellenabsatz (23, 24, 25) und eine Innenkontur (22) aufweist, die im Bereich des Wellenabsatzes (23, 24, 25) eine Hinterschneidung (28, 29, 30) in einer axialen Richtung umfaßt, mit den Verfahrensschritten:

• a) Bereitstellen eines Rohres (10), dessen Außendurch­ messer zumindest dem Durchmesser des zu formenden Wellenabsatzes (23, 24, 25) entspricht,
• b) koaxiales Einspannen des Rohres (10) um ein stab­ förmiges Drückwerkzeug (51), welches eine Kontur aufweist, die der Innenkontur (22) der Hohlwelle (20) mit Ausnahme der Hinterschneidung (28, 29, 30) im Bereich des Wellenabsatzes (23, 24, 25) ent­ spricht,
• c) In-Rotation-Versetzen des Rohres (10),
• d) radiales Zustellen einer Profilwalze (62) an das rotierende Rohr (10), wobei das Rohr (10) radial eingezogen wird, bis das Rohr (10) mit Ausnahme der Bereiche der Hinterschneidung (28, 29, 30) an dem Drückwerkzeug (51) anliegt und die Außenkontur (21) der Hohlwelle (20) geformt ist,
• e) axiales Entfernen des Drückwerkzeuges (51) aus der Hohlwelle (20) und
• f) Durchmesserreduzieren und Endformen der Enden (31, 32) durch radiales Einziehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einziehen die Profilwalze (62) an das Rohr (10) angedrückt und definiert axial verfahren wird und dabei die Wanddicke des Rohres (10) lokal verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiteiliges Drückwerkzeug (51) verwendet wird und
daß beim Spannen ein erstes Teil (52) des Drückwerkzeuges (51) an einem Ende des Rohres (10) und ein zweites Teil (53) des Drückwerkzeuges (51) am anderen Ende des Rohres (10) ein­ gebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Umformen mehrere Profilwalzen (62a, 62b, 62c) einge­ setzt werden, welche gleichmäßig um das Rohr (10) verteilt radial zugestellt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Umformen die Profilwalzen (62a, 62b, 62c) jeweils durch mindestens eine Stützwalze (66a, 66b, 66c) abgestützt werden und
daß die Profilwalzen (62a, 62b, 62c) durch die Stützwalzen (66a, 66b, 66c) radial und/oder axial geführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einformen von Bereichen starker Durchmesseränderungen geteilte Profilwalzen (62a, 62b, 62c) eingesetzt werden, die beim Umformen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit rotieren.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Entfernen des Drückwerkzeuges (51) zumin­ dest ein Ende (31) des Rohres (10) geschlossen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hohlwelle (20) eine Verzahnung ausgebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (20) auf ein vorgesehenes Maß abgelängt lind spanabhebend bearbeitet wird.