DE3235115A1

DE3235115A1 - Schmiedeverfahren zum herstellen einer flanschwelle

Info

Publication number: DE3235115A1
Application number: DE19823235115
Authority: DE
Inventors: Masami Shizuoka Suzuki; Minoru Shimizu Tanikawa; Masanobu Yokohama Ueda; Keii Tokio Ueno
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-09-22
Filing date: 1982-09-22
Publication date: 1983-05-11
Also published as: US4571977A; DE3235115C2

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Schmiedeverfahren zum Herstellen einer Flanschwelle

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmieden einer Welle, die an einem Zwischenabschnitt mit einem Flansch bzw. Flanschen ausgebildet ist (nachstehend als "Flanschwelle" bezeichnet), z. B. einer Kurbelwelle. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Schmieden einer Flanschwelle, das dahingehend verbessert ist, daß eine höhere Nutzung des Werkstoffs und eine höhere Maßgenauigkeit erzielbar sind.

Bisher werden Flanschwellen dieser Art mit verschiedenen Verfahren, z. B. durch Gießen, Schneiden, Schmieden etc., hergestellt.

Die Herstellung der Flanschwelle durch Gießen erfordert jedoch Speiser für den Schrumpfungsausgleich, so daß eine Materialnutzung resultiert, die nur etwa 70 % beträgt. Ferner ist zu beachten, daß wegen zu schlechter Maßgenauigkeit ein Zerspanungsspielraum von 2-3 mm bei dem Gußstück

verbleiben muß und daß für die Oberflächenbearbeitung des Gußstücks zum Endprodukt eine Anzahl Verfahrensschritte benötigt werden.

Andererseits erfordert auch die Herstellung einer Flanschwelle durch Schneiden eine große Anzahl Bearbeitungsschritte, und die Materialnutzung ist unerwünscht niedrig, da die Flanschwelle aus einem Rohling geschnitten wird, dessen Durchmesser gleich dem Höchstdurchmesser, also dem Flanschdurchmesser, der Flanschwelle ist.

Die Herstellung einer Flanschwelle durch Schmieden erfolgt so, daß ein Rohling bzw. Werkstück zwischen ein Ober- und ein üntergesenk gebracht wird, die nach dem Zusammenfügen einen Gesenkhohlraum bilden, dessen Konfiguration im wesentlichen derjenigen des Endprodukts entspricht; dann wird das Obergesenk senkrecht zur Achse der Welle druckbeaufschlagt, während das üntergesenk auf einem Pressenbett angeordnet ist, wodurch die Flanschwelle erzeugt wird. Wie im Fall der Herstellung durch Schneiden weist auch dieses Verfahren den Nachteil einer unerwünscht geringen Nutzung des Werkstückstoffs auf, da der Durchmesser des verwendeten Rohlings gleich dem Flanschdurchmesser ist. Ferner entstehen viele Grate, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Rohling und den Werkzeughälften vergrößert wird und die Werkzeughälften eine höhere Druckkraft benötigen, die nur von einer großen Presse erzeugt werden kann. Da ferner die Werkzeugteile nicht eng geschlossen werden können, kann bei diesem Verfahren nur eine schlechte Maßgenauigkeit resultieren, so daß ein großer Spielraum erforderlich ist und eine große Anzahl Arbeitsschritte für die Oberflächenbearbeitung des Schmiedestücks zum Endprodukt benötigt werden.

Bei einem üblichen Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle durch Schmieden wird ein zwischen ein Ober- und ein Unterwerkzeug eingebrachter Rohling durch die Wirkung eines Pressenkopfs geschmiedet, der das Oberwerkzeug senkrecht zur Achse der Welle antreibt, während das Onterwerkzeug ortsfest auf dem Pressenbett angeordnet ist. Da die Querschnittsfläche der Kurbelwelle senkrecht zur Achse sich bei diesem Verfahren über die Länge ändert, muß ein Rohling verwendet werden, dessen Außendurchmesser demjenigen des Kurbelzapfen-Abschnitts (des Abschnitts der Kurbelwelle mit dem Höchstdurchmesser) angenähert ist, so daß der Teil des Gesenkhohlraums, der dem Kurbelzapfen entspricht, mit Werkstoff ausgefüllt wird. Daher ist in dem Teil des Gesenkhohlraums, der dem Kurbelstangen-Abschnitt der Kurbelwelle entspricht, wesentlich mehr Werkstoff vorhanden, als benötigt wird, so daß in diesem Teil des Schmiedestücks viele Grate gebildet werden.

Die Bildung vieler Grate vergrößert den Kontaktbereich zwischen dem Rohling und den Werkzeugen und bedingt eine große Schmiedekraft, die wiederum eine große Presse nötig macht. Da ferner die bei diesem Verfahren eingesetzten Gesenke nicht geschlossene Gesenke sind, kann der Rohling nicht mit ausreichend hoher Maßgenauigkeit geschmiedet werden. Dies bedingt wiederum einen erheblichen Dimensionsspielraum sowie eine größere Anzahl Arbeitsschritte für die Oberflächenbearbeitung des Schmiedestücks zum Endprodukt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Schmiedeverfahrens zum Herstellen einer Flanschwelle, z. B. einer Kurbelwelle, bei dem eine hohe Materialnutzung sowie eine

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hohe Maßgenauigkeit gewährleistet sind, während gleichzeitig die Anzahl Arbeitsschritte der Oberflächenbearbeitung verringert wird, ohne daß dabei eine große Presse eingesetzt werden muß, so daß die Probleme des Stands der Technik ausgeschaltet werden. Dabei soll das angegebene Schmiedeverfahren so verbessert sein, daß Störungen wie z. B. ein Ausfall des Stempels auch dann vermieden werden, wenn eine Kurbelwelle vorgeschmiedet werden soll, deren Kurbelstangen-Abschnitte ein großes Länge-/Durchmesser-Verhältnis aufweisen, was z. B. bei Kurbelwellen für Verdichter der Fall ist.

Das Schmiedeverfahren nach der Erfindung zum Herstellen einer Flanschwelle, die an ihrem Zwischenabschnitt einen Flansch aufweist, ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Bereitstellen eines geschlossenen Gesenks, das einen Gesenkhohlraum mit einer Konfiguration bildet, die im wesentlichen derjenigen des Flanschabschnitts und der Wellenabschnitte der Flanschwelle entspricht; Einbringen eines Rohlings in das Gesenk, wobei der Durchmesser des Rohlings kleiner als derjenige des Wellenabschnitts, jedoch ausreichend groß ist, um ein Knicken bei Druckbeaufschlagung in Axialrichtung zu verhindern; und Druckbeaufschlagen des Rohlings in Axialrichtung unter Bildung der Flanschwelle.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Schmiedeverfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Bereitstellen eines geschlossenen Gesenks, in dem ein Gesenkhohlraum gebildet ist, dessen Konfiguration im wesentlichen derjenigen der Kurbelstangen- und Kurbelzapfen-Äbschnitte der Kurbelwelle

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entspricht; Einbringen eines Rohlings in das geschlossene Gesenk, wobei der Durchmesser des Rohlings kleiner als derjenige des Kurbelstangen-Abschnitts, jedoch ausreichend groß ist, um ein Knicken des Rohlings bei axialer Druckbeaufschlagung desselben zu verhindern; Druckbeaufschlagen des Rohlings in Axialrichtung zum Vorformen des Kurbelzapfen-Abschnitts; Einbringen des vorgeformten Rohlings in ein zu öffnendes Gesenk, bestehend aus einem Ober- und einem üntergesenk, die nach dem Zusammenfügen derart zusammenwirken, daß sie zwischen sich einen Gesenkhohlraum bilden, dessen Konfiguration im wesentlichen der Endform der Kurbelwelle entspricht; und Druckbeaufschlagen des Vorformlings in einer Richtung senkrecht zur Achse unter Erzeugung der Kurbelwelle.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist das Schmiedeverfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Bereitstellen eines geschlossenen Gesenks, in dem ein Gesenkhohlraum gebildet ist, dessen Konfiguration im wesentlichen derjenigen der Kurbelstangen- und Kurbelzapfen-Absehnitte der Kurbelwelle entspricht; Bereitstellen eines Rohlings, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Kurbelstangen-Abschnitts, aber ausreichend groß ist, um ein Knicken des Rohlings bei Druckbeaufschlagung desselben in Axialrichtung zu verhindern; Vorwärmen des Rohlings nur an solchen Bereichen und um diese herum, die später den Kurbelzapfen bilden; Einbringen des vorerwärmten Rohlings in das geschlossene Gesenk; Druckbeaufschlagen des Rohlings in Axialrichtung, so daß der Kurbelzapfen-Abschnitt vorgeschmiedet wird; Einbringen des vorgeschmiedeten Rohlings in ein zu öffnendes Gesenk, das

aus einem Ober- und einem Unterwerkzeug besteht, die nach dem Zusammenfügen einen Gesenkhohlraum bilden, dessen Konfiguration im wesentlichen der Endform der Kurbelwelle entspricht; und Druckbeaufschlagen des vorgeschmiedeten Werkstücks in einer Richtung senkrecht zur Achse, wodurch die Kurbelwelle erzeugt wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Beispiels einer Flanschwelle;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines geschlossenen Gesenks, das bei dem Schmiedeverfahren nach der Erfindung zur Herstellung einer Flanschwelle eingesetzt wird;

Fig. 3 zeigt den Fließverlauf (Metallfluß) um den

Flanschteil bei einer Flanschwelle, die mit dem geschlossenen Gesenk nach Fig. 2 geschmiedet wird, wobei der Fließverlauf durch Simulationsberechnung erhalten wird;

Fig. 4 die Fließlinie um einen Flanschabschnitt der Flanschwelle nach dem Schmieden mittels des geschlossenen Gesenks nach Fig. 2, erhalten durch Simulationsberechnung;

Fig. 5 den Fließverlauf einer tatsächlichen Flanschwelle, die mit dem Gesenk nach Fig. 2 geschmiedet wurde;

Fig. 6 eine Schnittansicht eines geschlossenen Gesenks zur Verwendung bei einer anderen Ausführungsform

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des Verfahrens zur Herstellung einer Flanschwelle;

Fig. 7 den Fließverlauf um den Flanschteil einer Flanschwelle, die durch Druckbeaufschlagung in dem geschlossenen Gesenk von Fig. 6 mittels eines oberen und eines unteren Werkzeugs geschmiedet wird, erhalten durch Simulationsberechnungen;

Fig. 8 den Fließverlauf um den Flanschteil einer Flanschwelle nach dem Schmieden durch Pressen in dem geschlossenen Gesenk nach Fig. 6 mittels eines Ober- und eines Untergesenks, erhalten durch Simulationsberechnungen;

Fig. 9 den Fließverlauf um den Flanschteil einer tatsächlichen Flanschwelle, die durch Druck in dem geschlossenen Gesenk nach Fig. 6 mittels eines oberen und eines unteren Werkzeugs geschmiedet wurde;

Fig. 10 eine Seitenansicht eines weiteren Beispiels einer Flanschwelle;

Fig. 11 Schnittansichten von geschlossenen Gesenken zum bis 13 Einsatz bei dem Schmiedeverfahren gemäß einem dritten, vierten und fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Herstellung einer Flanschwelle;

Fig. 14 eine Seitenansicht einer Kurbelwelle;

Fig. 15 eine Schnittansicht eines geschlossenen Gesenks zum Einsatz bei einem Ausführungsbeispiel des Schmiedeverfahrens zur Herstellung einer Kurbelwelle;

Fig. 16 eine Seitenansicht eines vorgeschmiedeten

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Werkstücks, dessen Kurbelzapfenteil mit dem geschlossenen Gesenk von Fig. 15 vorgeschmiedet wurde;

Fig. 17 eine Seitenansicht eines Ober- und eines Untergesenks, die bei dem zweiten Schritt des Schmiedeverfahrens zur Herstellung einer Kurbelwelle verwendet werden, wobei ferner eine vorgeschmiedete Kurbelwelle in Seitenansicht gezeigt ist;

Fig. 18 eine Seitenansicht eines Beispiels einer Kurbelwelle, die eine Kurbelstange mit einem großen Länge-/Durchmesser-Verhältnis 1/d zeigt;

Fig. 19 eine Schnittansicht eines geschlossenen Gesenks, das bei dem ersten Schritt des Schmiedeverfahrens zur Herstellung einer Kurbelwelle verwendet wird; und

Fig. 20 die Beziehung zwischen dem Länge-/Durchmesser-Verhältnis 1/d der Kurbelstange und dem dimensionslosen Stempeldruck p/Y beim Vorschmieden einer Kurbelwelle.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Flanschwelle, die an ihren Zwischenabschnitten Flansche aufweist. Die Flanschwelle nach Fig. 1 ist an Zwischenabschnitten mit zwei Flanschen ausgebildet und weist zwei Wellenendabschnitte von im wesentlichen gleicher Länge auf. Die Flanschwelle insgesamt ist mit bezeichnet. Die Wellenendabschnitte sind mit 2 und die Flansche mit 3 bezeichnet.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt ein geschlossenes Gesenk, das für die Durchführung des Schmiedeverfahrens zur Herstellung einer Flanschwelle eingesetzt wird.

Dabei umfaßt das geschlossene Gesenk 4 eine Werkzeugeinheit 5, bestehend aus zwei Gesenkhälften, die, wenn sie zusammengefügt werden, einen Gesenkhohlraum 5a bilden, dessen Konfiguration derjenigen der Flanschwelle 1 mit den Wellenabschnitten 2 und den Flanschen 3 {vgl. Fig. 1) entspricht; ferner einen Schrumpfring 6, der zwei Gesenkhälften der Werkzeugeinheit 5 während der Fertigung aufnimmt und festlegt, ein Bett 7, auf dem der Schrumpfring 6 mit der darin aufgenommenen Werkzeugeinheit 5 befestigt ist, und einen Oberstempel, der an einem Pressenkopf (nicht gezeigt) einer Presse befestigt ist und gleitend in den von den beiden Werkzeughälften der Werkzeugeinheit 5 gebildeten Gesenkhohlraum 5a getrieben wird.

Es wird ein Werkstück mit einem Durchmesser bereitgestellt, der kleiner als der Durchmesser des Wellenabschnitts 2 der Flanschwelle, jedoch ausreichend groß ist, um ein Knicken des Werkstücks zu vermeiden, wenn dieses in Axialrichtung mit Druck beaufschlagt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel hat der Wellenabschnitt 2 der Flanschwelle einen Durchmesser von 30 mm, und das Werkstück hat einen Durchmesser von 29,5 mm und eine Länge von 362 mm. Dieses Werkstück wird in den Gesenkhohlraum 5a des Gesenks 4 eingebracht, dann wird der Pressenkopf gesenkt und treibt den Oberstempel 8 nach unten, wodurch das Werkstück in Axialrichtung mit Druck beaufschlagt wird. Infolgedessen wird das Werkstück plastisch so verformt, daß es plastisch fließt und den Gesenkhohlraum 5a

der Werkzeugeinheit 5 ausfüllt, so daß ein Schmiedestück, d. h. die Flanschwelle 1 nach Fig. 1, erhalten wird. Dann wird die Werkzeugeinheit aus dem Schrumpfring 6 zurückgezogen, und die Werkzeughälften werden voneinander getrennt, damit die Flanschwelle 1 leicht aus der Werkzeugeinheit entnommen werden kann.

Bei diesem Schmiedeverfahren kann der Werkstoff sehr gut ausgenützt werden (zu nahezu 100 %), und es wird eine hohe Maßgenauigkeit (Zerspanungstoleranz weniger als 0,5 mm) erreicht, da die Flanschwelle 1 mit dem geschlossenen Gesenk 4 geschmiedet wird. Ferner kann die Anzahl Zerspanungsschritte, die nach dem Schmieden im Gesenk durchzuführen sind, aufgrund der hohen Maßgenauigkeit stark verringert werden.

Bei dem eingangs erläuterten konventionellen Schmiedeverfahren werden z. B. in Wellenabschnitten viele Grate gebildet, da das verwendete Werkstück einen großen Durchmesser hat. Diese Grate zeigen sich bei dem anschließenden Putzschritt, so daß die Fließlinie während der plastischen Verformung in unerwünschter Weise beschnitten wird. Dagegen wird bei dem Ausführungsbeispiel keine Fließlinie abgeschnitten, weil praktisch kein Grat in dem Wellenabschnitt gebildet ist, so daß die Flanschwelle mit sehr guter mechanischer Festigkeit herstellbar ist.

Nachstehend wird die Fließlinie erläutert, die in der Flanschwelle auftritt, die mit dem geschlossenen Gesenk nach Fig. 2 geschmiedet wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Fließlinie um die Flansche in der mit dem geschlossenen Gesenk nach Fig. 2 geschmiedeten Flanschwelle, wobei die Fließlinie durch eine Simulationsberechnung nach dem Obergrenze-Verfahren erhalten wurde. Insbesondere zeigt Fig. 3 die in der Mitte des Schmiedevorgangs der Flanschwelle erhaltene Fließlinie, während Fig. 4 die Fließlinie nach beendetem Schmieden zeigt. Fig. 5 zeigt die Fließlinie in einer fertigen Flanschwelle, die mit einem geschlossenen Gesenk ähnlich demjenigen nach Fig. 2 geformt wurde.

Wie Fig. 3 zeigt, ist mitten im Schmiedevorgang nur der dem oberen Flansch entsprechende Teil des Gesenkhohlraums durch den Werkstoff ausgefüllt, während der dem unteren Flansch entsprechende Teil des Gesenkhohlraums überhaupt nicht mit dem Werkstoff gefüllt ist. Nach Beendigung des Schiniedevorgangs ist jedoch der dem unteren Flansch entsprechende Teil des Gesenkhohlraums vollständig mit dem Werkstoff ausgefüllt; im Basisteil des oberen Flansche wird jedoch eine Störung der Fließlinie beobachtet (vgl. Fig. 4). Bei dem Verfahren gemäß dem erläuterten Ausführungsbeispiel wird durch den Metallfluß des Werkstücks zuerst der Teil des Gesenkhohlraums entsprechend dem oberen Flansch ausgefüllt, und dann wird der dem unteren Flansch entsprechende Teil des Gesenkhohlraums ausgefüllt. Während des Ausfüllens des Gesenkhohlraumteils, der dem unteren Flansch entspricht, wird das in dem dem oberen Flansch entsprechenden Teil des Gesenkhohlraums eingeschlossene Werkstück an einer Bewegung gehindert, so daß im Basisteil des oberen Flanschs ein internes Scheren des Werkstücks stattfindet, das eine Störung der Fließlinie hervorruft. Die Fig. 5 zeigt die Fließlinie des Werkstücks

in einer tatsächlich hergestellten Planschwelle, die mit einem geschlossenen Gesenk gemäß Fig. 2 geschmiedet wurde. Der Verlauf der Fließlinie des Werkstücks bei dieser Flanschwelle entspricht sehr gut dem Verlauf, der durch die Simulationsberechnung erhalten wurde, insbesondere insofern, als eine Störung der Fließlinie um den Basisteil des oberen Flanschs vorhanden ist, obwohl die Mittenachsen der Flansche relativ zur Mittenachse des Wellenteils versetzt sind und die Ränder der Basisteile der Flansche, im Gegensatz zu dem Fließlinienverlauf nach der Simulationsberechnung, abgerundet sind.

Die Größe der Störung in der Fließlinie wird in hohem Maß durch Größe und Form des oberen Flanschs beeinflußt. Die Störung der Fließlinie ist nämlich unbeachtlich klein, wenn der obere Flansch klein ist, es wird jedoch eine erheblich stärkere Störung bewirkt, wenn der obere Flansch groß ist.

Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines geschlossenen Gesenks, das bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer Flanschwelle eingesetzt wird. Die Fig. 7 und 8 zeigen die Fließlinie des Werkstücks um die Flansche einer Flanschwelle, die durch gleichzeitige Druckbeaufschlagung mittels eines Ober- und eines Unterstempels in dem geschlossenen Gesenk von Fig. 6 geschmiedet wird, und zwar in der Mitte des Schmiedevorgangs und nach dem Schmieden, wobei die Fließlinien durch Simulationsberechnung erhalten wurden. Fig. 9 zeigt die Fließlinie einer tatsächlich hergestellten Flanschwelle, die durch gleichzeitige Druckbeaufschlagung mit einem Ober- und einem ünterstempel in

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einem geschlossenen Gesenk entsprechend Fig. 6 geschmiedet wurde.

Nach Fig. 6 umfaßt ein geschlossenes Gesenk 4A einen ünterstempel 9, der dem Oberstempel 8 gegenüberliegt und gleitend in den unteren Teil des Gesenkhohlraums 5a von dessen Unterseite her getrieben wird. Der Unterstempel 9 ist mit einem Druckelement (nicht gezeigt), z. B. eines Hydraulikzylinder an der Unterseite des Pressenbetts, verbunden. Ein in der Basisplatte 7A ausgebildetes Führungsloch 7a führt den Unterstempel 9.

Im Betrieb wird das Werkstück, das demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels gleicht, in den Gesenkhohlraum 5a des geschlossenen Gesenks 4A von dessen Oberseite her eingesetzt. Dann wird das Werkstück in Axialrichtung von seiner Ober- und seiner Unterseite her durch den Ober- und den Unterstempel 8 und 9 mit Druck beaufschlagt. Infolgedessen wird der obere Abschnit des Werkstücks durch die vom Oberstempel 8 ausgeübte Kraft plastisch verformt und füllt den dem oberen Flansch entsprechenden Teil des Gesenkhohlraums aus, und der untere Abschnitt des Werkstücks wird durch die von dem Unterstempel ausgeübte Kraft plastisch verformt und füllt den dem unteren Flansch entsprechenden Teil des Gesenkhohlraums aus. Die Fig. 7 und 8 zeigen die Fließlinie des Flanschwellen-Werkstücks, erhalten durch Simulationsberechnung, das durch gleichzeitige Druckbeaufschlagung mit dem Ober- und dem Unterstempel 8 und 9 geschmiedet wird. Aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß die Fließlinie im Basisteil des oberen Flansche keine merkliche Störung aufweist, und das Werkstück füllt die dem oberen und dem

unteren Flansch entsprechenden Teile des Gesenkhohlraums gleichmäßig aus. Fig. 9 zeigt die Fließlinie des Werkstücks bei einer tatsächlich hergestellten Flanschwelle. Die Störung der Fließlinie ist auch bei dieser Flanschwelle praktisch eliminiert. Daraus ergibt sich, daß durch die Verwendung des geschlossenen Gesenks 4A von Fig. 6 in Verbindung mit dem Ober- und dem Unterstempel zum gleichzeitigen Druckbeaufschlagen des Werkstücks in Axialrichtung die Störung der Fließlinie des Werkstücks in dem Bereich um den Basisteil des oberen Flanschs beseitigt wird, wodurch sich eine erhöhte Zuverlässigkeit der Flanschwelle 1 gegenüber der Flanschwelle ergibt, die mit dem geschlossenen Gesenk nach Fig. 2 geschmiedet wurde.

Fig. 10 zeigt ein Schmiedeverfahren, das sich zur Herstellung einer Flanschwelle eignet, bei der beide Wellenendabschnitte unterschiedlich lang sind. Die Flanschwelle nach Fig. 10 weist zwei Flansche an Zwischenabschnitten und zwei unterschiedlich lange Wellenendabschnitte auf. Diese Flanschwelle wird durch Schmieden gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel des Schmiedeverfahrens in einem geschlossenen Gesenk nach Fig. 11 hergestellt.

Nach Fig. 10 umfaßt die Flanschwelle 1A einen ersten Wellenendabschnitt 2a, einen zweiten, längeren Wellenendabschnitt 2b, einen ersten Flansch 3a nahe dem ersten Wellenendabschnitt 2a und einen zweiten Flansch 3b nahe dem zweiten Wellenendabschnitt 2b. Fig. 11 zeigt ein geschlossenes Gesenk 4A, das für die Herstellung der Flanschwelle 1A von Fig. 10 geeignet ist. Dabei hat der obere gerade Abschnitt des Gesenkhohlraums 5b, der dem ersten Wellenendabschnitt 2a

entspricht, eine geringere Länge als der untere gerade Abschnitt des Gesenkhohlraums, der zum Schmieden des zweiten Wellenendabschnitts 2b dient.

Zum Schmieden der Flanschwelle 1A wird ein Werkstück bereitgestellt, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des ersten und des zweiten Wellenendabschnitts 2a, 2b, jedoch ausreichend groß ist, um ein Knicken des Werkstücks bei axialer Druckbeaufschlagung zu verhindern. Das Werkstück wird von oben in den Gesenkhohlraum 5b eingebracht und von oben und unten mit einer bestimmten zeitlichen Versetzung druckbeaufschlagt. Insbesondere erfolgt dabei die Druckbeaufschlagung zuerst von oben nur durch den Oberstempel 8, während der Unterstempel z. B. durch Sperrung des Hydraulikkreises festgelegt ist. Infolgedessen erfolgt ein plastisches Fließen des Werkstücks nur in den dem ersten Flansch entsprechenden Teil des Gesenkhohlraums 5b wie im Fall des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3.

Die Druckbeaufschlagung durch den Oberstempel 8 hört auf, wenn der vorgenannte Teil des Gesenkhohlraums 5b vollständig durch das Werkstück ausgefüllt ist, d. h. nach dem Schmieden des ersten Flansche 3a.

Dann wird der Oberstempel 8 festgelegt. Es ist ersichtlich, daß in dieser Phase praktisch kein Fließen des Werkstücks in den dem zweiten Flansch 3b entsprechenden Teil des Gesenkhohlraums erfolgt ist. Dann wird der ünterstempel freigegeben und angetrieben und beaufschlagt das Werkstück von unten mit Druck, wodurch ein plastisches Fließen des Werkstückstoffs in den dem zweiten Flansch 3b entsprechenden Teil des

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Gesenkhohlraums stattfindet, so daß dieser ausgefüllt und damit der zweite Flansch 3b erzeugt wird.

Es ist ersichtlich, daß bei.diesem Ausführungsbeispiel des Schmiedeverfahrens eine Flanschwelle 1A geschmiedet wird, die keine wesentlche Störung der Fließlinie wie im Fall von Fig. 8 aufweist und zwei Wellenenden unterschiedlicher Länge hat.

Bei dem Verfahren nach den Fig. 10 und 11 sind die Betätigungszeit des Oberstempels und die Betätigungszeit des Unterstempels aus folgendem Grund zeitlich versetzt. Es sei angenommen, daß der Oberstempel 8 und der Unterstempel 9 gleichzeitig angetrieben warden und das Werkstück in dem geschlossenen Gesenk nach Fig. 11 in Axialrichtung mit Druck beaufschlagen. In diesem Fall wird zwischen jedem Wellenendabschnitt und der entsprechenden Innenumfangsfläche der Werkzeugeinheit 5A eine Reibung erzeugt, die von dem Oberstempel 8 und dem Unterstempel 9 ausgeübte Kraft wird nicht direkt auf die Flanschabschnitte übertragen. D. h., auf die Flanschabschnitte des Werkstücks wird nur eine verringerte Kraft zur Einwirkung gebracht. Da der zweite Wellenendabschnitt 2b langer als der erste Wellenendabschnitt 2a ist, ist die Kraft, die auf den den zweiten Flansch 3b bildenden Teil einwirkt, geringer als die auf den den ersten Flansch 3a bildenden Teil einwirkende Kraft. Die Verringerung der durch den Unterstempel 9 ausgeübten Kraft wird nimmt mit zunehmendem Reibungskoeffizienten und mit steigender Länge des zweiten Flanschs 2b zu. Unter dieser Bedingung ist die effektiv auf den Teil des Werkstücks, der den zweiten Flansch 3b bildet, einwirkende Kraft sehr klein, so daß es

praktisch unmöglich ist, das Werkstück mittels des Unterstempels 9 nach oben zu verschieben. In diesem Fall ist der Verlauf der Flußlinie in der Welle ähnlich demjenigen nach Fig. 4, und der ünterstempel 9 hat praktisch keine Auswirkung. Dieses Problem wird jedoch vermieden, und die Flanschwelle 1A kann mit ausgeprägter mechanischer Festigkeit geschmiedet werden, wenn die Betätigungszeiten des Ober- und des Unterstempels zueinander versetzt sind.

Wie aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich ist, ist das geschlossene Gesenk 4B von Fig. 11 in Verbindung mit dem Oberstempel 8 und dem ihm gegenüberliegenden Unterstempel 9 wirksam bei der Herstellung der Flanschwelle 1A mit Wellenendabschnitten unterschiedlicher Länge einsetzbar, wenn die Betätigungszeiten des Ober- und des Unterstempels relativ zueinander versetzt sind. Die Flanschwelle 1A mit unterschiedlich langen Wellenendabschnitten kann auch durch andere Ausführungsbeispiele des Verfahrens hergestellt werden.

Ein Beispiel eines solchen Verfahrens wird unter Bezugnahme auf Fig. 12 erläutert, die ein geschlossenes Gesenk zeigt, das zur Durchführung des Schmiedeverfahrens für die Herstellung einer Flanschwelle geeignet ist.

In Fig. 12 werden die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 11 benutzt. Das geschlossene Gesenk 4C hat keinen Unterstempel. D. h., das Werkstück wird nur von der Oberseite des Gesenks mit Druck beaufschlagt. Ein Werkstück hat einen kleineren Außendurchmesser als die Wellenendabschnitte 2a, 2b (vgl. Fig. 10) der zu schmiedenden Flanschwelle, der Durchmesser

ist jedoch ausreichend groß, um ein Knicken des Werkstücks bei Druckbeaufschlagung in Axialrichtung zu verhindern. Das Werkstück wird in den Gesenkhohlraum 5b des geschlossenen Gesenks 4C eingebracht. Dann wird der Oberstempel 8 angetrieben, so daß er das Werkstück mit Druck beaufschlagt und ein plastisches Fließen des Werkstückstoffs bewirkt, wodurch der dem ersten Flansch entsprechende Teil des Gesenkhohlraums ausgefüllt und dadurch der erste Flansch 3a hergestellt wird. Dann wird die Druckbeaufschlagung unterbrochen, und die Werkzeugeinheit 5 wird zusammen mit dem sie umschließenden Schrumpfring und dem darin gehaltenen halbfertigen Werkstück (nicht gezeigt) umgedreht, und dann beginnt nochmals die Druckbeaufschlagung durch den Oberstempel 8, so daß der Teil des Gesenkhohlraums 5b, der dem zweiten Flansch (der nun die Lage des ersten Flanschs einnimmt) entspricht, mit dem Werkstückstoff ausgefüllt und dadurch der zweite Flansch 3b hergestellt wird. Dadurch ist es möglich, die Flanschwelle 1A ohne merkliche Störung der Fließlinien des Werkstücks zu schmieden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schmiedeverfahrens für die Flanschwelle 1A nach Fig. 10 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 13a und 13b erläutert, die Schnittansichten von zwei geschlossenen Gesenken sind, die zur Ausführung des Verfahrens geeignet sind, zeigen.

Die geschlossenen Gesenke nach den Fig. 13a und 13b weisen ebenfalls keinen ünterstempel auf, so daß das Werkstück nur von seiner Oberseite her mit Druck beaufschlagt wird. Fig. 13a zeigt ein erstes geschlossenes Gesenk 4D mit einem Gesenkhohlraum 5c, dessen Konfiguration den Wellenendteilen

und dem zweiten Flansch 3b entspricht und der somit zum Schmieden des zweiten Flansche 3b und der Wellenendabschnitte dient, und Fig. 13b zeigt ein zweites geschlossenes Gesenk 4C mit einem Gesenkhohlraum 5b, dessen Konfiguration der fertigen Flanschwelle 1A entspricht und der somit zum Schmieden des ersten Flanschs 3a dient.

Ein in dem geschlossenen Gesenk 4D aufgenommenes Werkstück wird durch einen Oberstempel 8 mit Druck beaufschlagt, so daß ein plastisches Fließen des Werkstücks erfolgt, wodurch der Gesenkhohlraum 5c ausgefüllt und der zweite Flansch 3b geformt wird. Dann wird die Werkzeugeinheit 5B aus dem Schrumpfring 6 entnommen, und das halbfertige Werkstück mit dem zweiten Flansch 3b wird aus der Werkzeugeinheit 5B entnommen, nachdem die Gesenkhälften voneinander getrennt wurden. Dieses halbfertige Werkstück wird dann zwischen die Gesenkhälften der zweiten Werkzeugeinheit 5A verbracht, und diese werden zusammengefügt und im Schrumpfring 6 des geschlossenen Gesenks 4C entsprechend Fig. 13b festgelegt. In dieser Phase ist der zweite Flansch 3b in dem Abschnitt des Gesenkhohlraums 5b entsprechend dem zweiten Flansch 3b aufgenommen. Dann wird das Werkstück von oben durch den Oberstempel 8 mit Druck beaufschlagt, so daß ein plastisches Fließen des Werkstücks in den dem ersten Flansch 3a entsprechenden Teil des Gesenkhohlraums erfolgt und der erste Flansch 3a geformt wird, wodurch die Flanschwelle 1A ohne Störung der Fließlinie fertiggestellt ist.

Das Verfahren, das mit dem geschlossenen Gesenk 4B von Fig. 11 durchgeführt wird, wobei ein dem Oberstempel 8 gegenüberliegender Unterstempel 9 vorgesehen ist, erfordert eine

Spezialpresse, die eine Druckeinheit unter dem Pressenbett aufweist. Dagegen benötigen die Verfahren, die unter Bezugnahme auf die Fig. 12 und 13 erläutert wurden, keine Spezialpresse, denn dabei wird die Flanschwelle 1A der in Fig. 1 gezeigten Art vorteilhafterweise mit einer gewöhnlichen Presse hergestellt.

Das unter Bezugnahme auf die Fig. 11, 12 und 13 erläuterte Verfahren kann bei der Herstellung einer Flanschwelle mit gleichlangen Wellenendabschnitten gemäß Fig. 1 angewandt werden. Das Verfahren nach den Fig. 11-13 bietet dagegen besondere Vorteile, wenn es für die Herstellung einer Flanschwelle 1A mit unterschiedlich langen Wellenendabschnitten angewandt wird.

Das vorstehend erläuterte Verfahren kann ohne wesentliche Schwierigkeiten ausgeführt werden, wenn das Werkstück z. B. aus Aluminium besteht und durch vergleichsweise geringe Druckkräfte plastisch verformbar ist. Wenn jedoch das Werkstück Stahl ist, treten gewisse Probleme in bezug auf die Festigkeit des Gesenks und die Kapazität der Presse auf, da der Werkstoff eine hohe Kompressionskraft erfordert. In einem solchen Fall ist es ratsam, das Werkstück vor dem Einbringen in den Gesenkhohlraum vorzuwärmen, um den Formänderungswiderstand zu verringern. Z. B. weist ein Stahl mit 0,45 % C (JIS S45C) bei Erwärmung auf 800-900 ⁰C einen Formänderungswiderstand auf, der im wesentlichen gleich demjenigen von Aluminium bei 20 ⁰C ist.

Wie erläutert wurde, wird ein Schmiedeverfahren angegeben zur Herstellung einer Flanschwelle, die an ihrem Zwischenab-

schnitt einen Flansch aufweist, wobei ein geschlossenes Gesenk vorgesehen wird, das einen Gesenkhohlraum einer Konfiguration bildet, die im wesentlichen den Wellenabschnitten und dem Flansch der herzustellenden Flanschwelle entspricht, ein Werkstück in den Gesenkhohlraum eingebracht wird, das einen kleineren Durchmesser als der Wellenabschnitt der Flanschwelle hat, dieser Durchmesser jedoch hinreichend groß ist, um ein Knicken des Werkstücks bei axialer Druckbeaufschlagung zu verhindern, und das Werkstück in Axialrichtung mit Druck beaufschlagt wird, so daß dadurch die Flanschwelle hergestellt wird. Wie aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich ist, bietet dieses Schmiedeverfahren verschiedene Vorteile, z. B. eine hohe Nutzung des Werkstoffs, die Ausschaltung der Notwendigkeit für eine große Presse, eine hohe Maßgenauigkeit und eine verringerte Anzahl Bearbeitungsschritte.

Es ist möglich, das angegebene Verfahren für die Herstellung einer Kurbelwelle anzuwenden, wobei sich verschiedene Vorteile ergeben.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 14-20 wird ein Schmiedeverfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle erläutert.

Fig. 14 zeigt eine Seitenansicht einer Kurbelwelle, die mit dem Schmiedeverfahren herzustellen ist. Die Kurbelwelle weist Kurbelzapfen-Abschnitte 10a und Kurbelstangen-Abschnitte 10b auf. Ein Exzenterarm-Abschnitt ist mit 10c bezeichnet. Fig. 15 ist eine Schnittansicht eines geschlossenen Gesenks zur Durchführung des Schmiedeverfahrens für die Herstellung der Kurbelwelle nach Fig. 14, und Fig.

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zeigt ein halbfertiges Kurbelwellen-Schmiedestück, dessen Zapfen durch das geschlossene Gesenk nach Fig. 15 geformt sind.

Nachstehend wird der Aufbau des geschlossenen Gesenks unter Bezugnahme auf Fig. 15 erläutert. Das geschlossene Gesenk umfaßt eine Werkzeugeinheit aus zwei Werkzeughälften 12 und 13, die jeweils Ausnehmungen 12a und 13a aufweisen, die nach dem Zusammenfügen der Hälften einen Gesenkhohlraum mit einer Konfiguration bilden, die den Zapfen-Abschnitten 10a und den Stangen-Abschnitten 10b der Kurbelwelle (Fig. 14) entsprechende Abschnitte aufweist. Die Gesenkhälften 12 und 13 sind im zusammengefügten Zustand in einem Schrumpfring 14 aufnehmbar und festlegbar, der wiederum auf einer Grundplatte 1 5 montiert ist. Ein Oberstempel 16, der an einem Pressenkopf (nicht gezeigt) der Presse befestigt ist, ist gleitend in den durch die Ausnehmungen 12a und 13a gebildeten Gesenkhohlraum treibbar.

Für die Herstellung der Kurbelwelle wird ein Werkstück bereitgestellt, dessen Durchmesser kleiner als derjenige des Kurbelstangen-Abschnitts'der Kurbelwelle, jedoch ausreichend groß ist, um ein Knicken des Werkstücks bei Druckbeaufschlagung in Axialrichtung zu vermeiden. In dem gezeigten Fall hat der Kurbelstangen-Abschnitt der Kurbelwelle einen Durchmesser von 30 mm, und Durchmesser und Länge des Werkstücks sind so gewählt, daß sie 29,5 mm bzw. 340 mm betragen. Das Werkstück wird in den Gesenkhohlraum eingebracht, und der Pressenkopf (nicht gezeigt) wird gesenkt, so daß das Werkstück in Axialrichtung von oben her mit Druck beaufschlagt wird; dadurch erfolgt eine plastische Verformung und

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ein plastisches Fließen des Werkstückstoffs in den durch die Ausnehmungen 12a und 13a der Werkzeughälften 12 und 13 gebildeten Gesenkhohlraum, so daß die Kurbelzapfen-Abschnitte fertiggestellt werden (erster Verfahrensschritt). Dann werden die Werkzeughälften 12 und 13 aus dem Schrumpfring 14 entnommen und getrennt, so daß das halbfertige Werkstück 1OA nach Fig. 16 leicht entnommen werden kann. Dann wird dieses zwischen ein Obergesenk 17 und ein üntergesenk 18 gemäß Fig. 17 eingebracht, die Ausnehmungen 17a und 18a aufweisen, die gemeinsam einen Gesenkhohlraum bilden, der im wesentlichen der Endform der Kurbelwelle 10 entspricht; dann wird das halbfertige Werkstück durch den Pressenkopf (nicht gezeigt) senkrecht zu seiner Achse, d. h. von der Oberseite her in Fig. 17) mit Druck beaufschlagt (zweiter Verfahrensschritt).

Da die Kurbelzapfen-Abschnitte 10a bereits hergestellt wurden, wird in diesem zweiten Verfahrensschritt nur der Bereich um den Exzenter-Abschnitt 10c (vgl. Fig. 14) erzeugt, so daß die Bildung von Graten zum großen Teil unterdrückt und die Ergiebigkeit des Werkstoffs erheblich gesteigert wird. Ferner wird die für die Pressenarbeit benötigte Kraft auf weniger als die Hälfte derjenigen Kraft reduziert, die mit dem konventionellen Verfahren benötigt wird, da der Bereich, in dem das halbfertige Werkstück 10A mit der oberen und der unteren Werkzeughälfte 17 bzw. 18 in Kontakt gelangt, erheblich verringert wird.

Im ersten Vorformschritt werden aufgrund des Einsatzes des geschlossenen Gesenks 11 die Kurbelzapfen-Abschnitte 10a mit hoher Genauigkeit geschmiedet, während der zweite Schritt des Schmiedens des Exzenter-Abschnitts der Kurbelwelle unter

verminderter Gratbildung durchführbar ist. Infolgedessen wird die Kurbelwelle mit hoher Maßgenauigkeit während des Gesamtverfahrens einschließlich des ersten und des zweiten Verfahrensschritts hergestellt. Dadurch werden die bei der Endbearbeitung abzutragende Werkstoffmenge und somit der für die Oberflächenbearbeitung durch Putzen (Gratentfernung), Zerspanen und Schleifen erforderliche Zeit- und Arbeitsaufwand erheblich verringert.

Wie bereits erwähnt, werden bei dem konventionellen Verfahren, bei dem ein Werkstück mit großem Durchmesser verwendet wird, viele Grate in den Kurbelstangen-Äbschnitten und anderen Teilen erzeugt, und die Fließlinie wird in unerwünschter Weise unterbrochen, wenn die Grate bei dem auf das Pressen folgenden Putzen aufgezeigt werden. Das Abschneiden der Fließlinie verringert in unerwünschter Weise die mechanische Festigkeit der erzeugten Kurbelwelle. Im Gegensatz zu dem konventionellen Verfahren bewirkt jedoch das hier angegebene Verfahren kein Abschneiden der Fließlinie, da praktisch keine Grate um die Kurbelstangen-Abschnitte erzeugt werden, so daß die Kurbelwelle mit sehr guter mechanischer Festigkeit herstellbar ist.

Der erste Verfahrensschritt dieses Verfahrens wird zwar durch Schmieden entsprechend den Erläuterungen zu Fig. 2 durchgeführt, dieses Vorgehen ist jedoch nicht exklusiv, und der erste Verfahrensschritt kann mittels irgendeines der Schmiedeverfahren nach den Fig. 6, 11, 12 und 13 durchgeführt werden, ungeachtet des angewandten Vorformverfahrens erfolgt der zweite Verfahrensschritt des Pressens des halbfertigen Werkstücks zu dem Endprodukt mittels der

Werkzeugeinheit, die aus dem Obergesenk 17 und dem Untergesenk 18 gemäß Fig. 17 besteht.

Wie erläutert wurde, wird ein Schmiedeverfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle angegeben, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen eines geschlossenen Gesenks, in dem ein Gesenkhohlraum mit einer Konfiguration vorhanden ist, die im wesentlichen derjenigen der Kurbelstangen- und Kurbelzapfen-Abschnitte der Kurbelwelle entspricht; Einlegen eines Werkstücks in das geschlossene Gesenk, wobei das Werkstück einen kleineren Durchmesser als der Kurbelstangen-Abschnitt, jedoch einen ausreichend großen Durchmesser, um ein Knicken des Werkstücks bei Druckbeaufschlagung in Axialrichtung zu verhindern, aufweist; Druckbeaufschlagen des Werkstücks in Axialrichtung zum Vorformen des Kurbelzapfen-Abschnitts; Einbringen des Vorformlings in ein zu öffnendes Gesenk, das aus einem Ober- und einem Unterwerkzeug besteht, die nach dem Zusammenfügen dahingehend zusammenwirken, daß sie zwischen sich einen Gesenkhohlraum bilden, dessen Konfiguration im wesentlichen der Endform der Kurbelwelle entspricht; und Druckbeaufschlagen des Vorformlings in einer Richtung senkrecht zur Achse, wodurch die Kurbelwelle geformt wird. Wie aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich ist, bietet dieses Verfahren verschiedene Vorteile, z. B. eine hohe Werkstoffausnutzung, die Beseitigung der Notwendigkeit für eine große Presse und hohe Maßgenauigkeit, wodurch wiederum der für die Oberflächenbearbeitung erforderliche Zeit- und Arbeitsaufwand verringert wird.

In manchen Fällen hat die Kurbelwelle zwei Wellenendabschnitte, also Kurbelstangen, mit großem Längenunterschied, und die eine Kurbelstange hat einen extrem hohen Wert des Lange-VDurchmesser-Verhaltnisses. Ein typisches Beispiel für eine solche Kurbelwelle ist eine Verdichter-Kurbelwelle.

Fig. 18 ist eine Seitenansicht einer Verdichter-Kurbelwelle als Beispiel für eine Kurbelwelle mit einer Kurbelstange mit sehr großem Länge-ZDurchmesser-Verhältnis. Die rechts in der Figur gezeigte Kurbelstange 20b hat eine Länge 1 von 240 mm und einen Durchmesser d von 30 mm, und somit ist das Länge-/ Durchmesser-Verhältnis dieser Kurbelstange 1/d = 240/30 = 8. Der lange Kurbelstangen-Abschnitt wird in den Ankerkern eines Motors zum Antrieb des Verdichters eingesetzt. Wenn die Kurbelzapfen 20a dieser Kurbelwelle durch das geschlossene Gesenk 21 von Fig. 19 in der angegebenen Weise vorgeformt werden, wird der den Stempel beaufschlagende Druck (der Druck und damit die auf den Stempel einwirkende Kraft bei der Druckbeaufschlagung des Werkstücks) angrenzend an den langen Kurbelstangen-Abschnitt 20b, d. h. der den ünterstempel beaufschlagende Druck, übermäßig erhöht, so daß die Gefahr eines Ausfalls des Unterstempels 22 besteht. Das Ausmaß der durch den Stempel bewirkten plastischen Verformung steigt mit zunehmendem Länge-/Durchmesser-Verhältnis 1/d, wodurch entsprechend der Reibungswiderstand zwischen dem Werkstück und der Gesenkwandung steigt, was den Stempeldruck weiter in unerwünschter Weise erhöht. Um dieses Problem zu beseitigen, erfolgt das Schmieden im Warmzustand, indem das Werkstück erwärmt wird. Durch Warmschmieden wird jedoch der Schmierzustand verschlechtert, obwohl es den Formänderungswiderstand verringert, so daß der Stempeldruck

trotz des verringerten Formänderungswiderstands immer noch hoch bleibt. Dabei erhöht sich sogar die Gefahr eines Ausfalls des Stempels, weil dessen Festigkeit infolge des Kontakts mit dem warmen Werkstück verringert wird.

Bevor das Verfahren zum Formen der Kurbelwelle gemäß Fig. erläutert wird, wird dieses Verfahren unter Bezugnahme auf die Fig. 18 und 20 theoretisch erläutert.

Fig. 20 zeigt die Beziehung zwischen dem Länge-/Durchmesser-Verhältnis 1/d und dem dimensionslosen Stempeldruck p/Y, der durch Berechnungen unter Einbeziehung des Kurbelstangen-Abschnitts der Kurbelwelle erhalten wurde, wobei ein Parameter m den Reibungsfaktor bezeichnet. Dabei ist auf der Abszisse das Länge-/Durchmesser-Verhältnis 1/d der Kurbelstange und auf der Ordinate der dimensionslose Stempeldruck p/Y aufgetragen, wobei ρ den Stempeldruck und Y den Formänderungswiderstand, erhalten durch einen Kompressionsversuch des Werkstückstoffs, darstellen. Der Parameter m nimmt den Minimalwert 0 an, wenn zwischen dem Werkstück und der Gesenkwandung keine Reibung vorhanden ist, und nimmt den Höchstwert 1 an, wenn das Werkstück an der Wandung haften bleibt.

Aus Fig. 20 ist folgendes ersichtlich. Angenommen, daß das Werkstück nur örtlich an den die Kurbelzapfen bildenden Bereichen und um diese herum erwärmt wird (ein praktisches Beispiel eines Erwärmungsbereichs wird später erläutert), bevor das Werkstück in das Gesenk eingebracht wird, so erfolgt die Formänderung des Werkstücks beim Vorformen nur in dem begrenzten Bereich um die Kurbelzapfen-Abschnitte,

und der Kontakt zwischen den übrigen Teilen des Werkstücks und der Gesenkwandung wird vermieden, wodurch die Reibung und dadurch der Stempeldruck verringert werden.

Das Vorwärmen des Werkstücks findet z. B. in folgender Weise statt: Ein angenommenes Werkstück aus Stahl mit 0,45 % C hat einen Formänderungswiderstand von 70-80 kg_f/mm bei Raumtemperatur und von 10 kg_f/mm² bei 800 ⁰C. Der Rohling wird nur an den Bereichen, die im Endprodukt die Kurbelzapfen bilden, auf 800 ⁰C vorgewärmt, und zwar über Längen 1~ von 30 mm, wodurch sich das Länge-/Durchmesser-Verhältnis 1 ergibt, während die übrigen Teile im wesentlichen auf Raumtemperatur gehalten werden. Dieser Erwärmungszustand ist in einfacher Weise durch örtliches Erwärmen mittels HP-Induktionserwärmen oder durch örtliches Abschrekken mittels Wasserkühlung od. dgl. nach dem Erwärmen des Gesamtrohlings in einem Ofen od. dgl. erreichbar. Infolge dieser örtlichen Erwärmung des Rohlings erfolgt die plastische Formänderung nur in den Bereichen von l_o/d = 1 einschließlich der Kurbelzapfen-Abschnitte. Selbst wenn in diesem Zustand der Reibungsfaktor m den Höchstwert 1 annimmt, ist der dimensionslose Stempeldruck p/Y gemäß Fig. 4,3. D. h., der Stempeldruck ρ ergibt sich als

7 2

p= 4,3 χ 10 kg_f/mm = 43 kg_f/mm . In diesem Stadium wird der Stempel auf einer Temperatur gehalten, die im wesentlichen Raumtemperatur entspricht, bei der er einen

2 höchstzulässigen Druck von ca. 150 kg_f/mm zeigt, der viel höher als der vorgenannte Wert des Stempeldrucks ist. Es besteht somit keine Gefahr eines Ausfalls des Stempels infolge eines zu hohen Stempeldrucks. Ferner erfahren die nichterwärmten Bereiche des Kurbelstangen-Abschnitts, die im

wesentlichen auf Raumtemperatur gehalten werden, selbst durch Anwendung des Stempeldrucks von 43 kg^/mrn im wesentlichen keine plastische Formänderung, so daß praktisch kein Kontakt stattfindet zwischen diesen Bereichen der Kurbelstange und der Gesenkwandung. Daher kann das Vorformen der Kurbelzapfen-Abschnitte auch bei noch längeren als den angegebenen Kurbelstangen-Abschnitten mit gutem Erfolg ; durchgeführt werden.

Wenn dagegen das Vorformen bei Raumtemperatur erfolgt, bei der der Rohling aus 0,45 % G—Stahl einen hohen Formände-

rungswiderstand von 70-80 kg_f/mm zeigt, beträgt der dimensionslose Stempeldruck p/Y, der die Kurbelstange mit dem Länge-/Durchmesser-Verhältnis 1/d = 240/30 = 8 beaufschlagt, bereits 5,3, selbst wenn der Reibungsfaktor m einen vergleichsweise niedrigen Wert von 0,2 hat. In diesem Fall

betragt der Stempeldruck ρ 370-420 kg_f/mm , was wesentlich über dem höchstzulässigen wert liegt. In diesem Fall wird der Stempel daher unbedingt versagen.

Angenommen, daß das Vorformen durch Warmformen stattfindet, so wird der Schmierzustand verschlechtert und erhöht den Reibungsfaktor, obwohl der Formänderungswiderstand auf

weniger als 10 kg_/mm vermindert werden kann. Schlimmstenfalls wird der Reibungsfaktor m auf den Höchstwert 1 steigen. In diesem Fall erfordert der Kurbelstangen-Abschnitt mit dem Verhältnis 1/d = 8 einen dimensionslosen Stempeldruck 18, d. h. einen Stempeldruck von

2
180 kg^/mm . Wenn man berücksichtigt, daß die Festigkeit des Stempels selbst infolge der Erwärmung durch die von dem warmen Rohling abgegebene Wärme verschlechtert wird, so ist

2 der vorgenannte Stempeldruck von 180 kg ,./nun unannehmbar hoch. Ferner wird der Stempeldruck mit zunehmendem Verhältnis 1/d weiter steigen. Aus diesen Gründen kann das Vorformen der Kurbelwelle mit dem Verfahren gemäß Fig. 19 nicht durch einfaches Warmschmieden erfolgreich durchgeführt werden.

Wie erläutert wurde, kann die Kurbelwelle, deren Kurbelstangen-Abschnitt ein großes Länge-/Durchmesser-Verhältnis hat, ohne ein Versagen des Stempels vorgeformt werden, und zwar durch die örtliche Erwärmung des Rohlings nur an den Bereichen und um die Bereiche, die die Kurbelzapfen bilden.

Unter Berücksichtigung dieser Tatsache wird nachstehend das Schmiedeverfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle 20 nach Fig. 18 erläutert.

Es wird ein Rohling aus 0,45 % C-Stahl (Formänderungswider-

2
stand Y = 70-80 kg_f/mm bei Raumtemperatur) mit einem Durchmesser bereitgestellt, der kleiner als der Durchmesser der Kurbelstangen-Abschnitte 20b, 20b¹ des Fertigprodukts, jedoch ausreichend groß ist, um ein Knicken des Werkstoffs bei axialer Druckbeaufschlagung zu vermeiden. Bei dem Ausführungsbeispiel haben die Kurbelstangen-Abschnitte 20b, 20b¹ einen Durchmesser von 30 mm, und der Rohling hat einen Durchmesser von 29,5 mm. Die Länge des Rohlings beträgt 420 mm.

Der Rohling wird örtlich bis auf ca. 800 ⁰C nur an denjenigen Bereichen und um diese herum erwärmt, die die Kurbelzapfen 20a der Kurbelwelle bilden, und zwar über Längen von

ftf* » t -r 1

l_Q/d = 1, d. h. über Längen Iq von 30 mm. Die örtliche Erwärmung erfolgt ζ. B. durch HF-Induktionserwärmen. Der örtlich erwärmte Rohling wird dann in den Gesenkhohlraum eingebracht, der durch die Ausnehmungen 23a, 24a der Gesenkhälften 23, 24 der zusammengefügten Werkzeugeinheit 21 gebildet ist, so daß die vorgewärmten Bereiche mit den Abschnitten der Gesenkhohlräume ausgerichtet sind, die den Kurbelzapfen entsprechen, und mittels des Oberstempels 25 und des Unterstempels 22 wird Vorformdruck von oben und von unten zur Einwirkung gebracht. Der Teil des Gesenkhohlraums, der dem oberen Kurbelzapfen entspricht, wird durch das plastische Fließen des Werkstoffs infolge der durch den Oberstempel 25 einwirkenden Kompressionskraft ausgefüllt, und der dem unteren Kurbelzapfen entsprechende Teil des Gesenkhohlraums wird durch plastisches Fließen des Werkstoffs infolge des durch den ünterstempel einwirkenden Drucks ausgefüllt. Die durch beide Stempel 25 und 22 zur Einwirkung gebrachte Kompressionskraft kann entweder gleichzeitig oder zeitlich versetzt, wie bereits erläutert, ausgeübt werden.

Durch Vorformen nach örtlichem Erwärmen des Rohlings kann die plastische Formänderung nur in den begrenzten Bereichen der Länge l_Q/d = 1 um die Kurbelzapfen 20a erfolgen. Infolgedessen ist es, wie aus Fig. 20 ersichtlich ist, möglich, den dimensionslosen Stempeldruck p/Y auf einem niedrigen Wert von 4,3 auch dann zu halten, wenn der Reibungsfaktor m den Höchstwert 1,0 annimmt, und somit den

Stempeldruck auf dem niedrigen Wert von 43 kg_f/mm zu halten, weil der Formänderungswiderstand 10 kg^/mm

beträgt. Dieser Stempeldruck ist erheblich niedriger als der

2 vorgenannte hochstzulässige Druck von ca. 150 kg_/mm . Die nichterwärmten Bereiche der Kurbelstange werden auf niedriger Temperatur im wesentlichen gleich Raumtemperatur gehalten, so daß keine merkliche plastische Formänderung in diesen Bereichen auch bei Beaufschlagung mit dem Stempel-

2
druck von 43 kg_f/mm erfolgt, so daß diese Bereiche

keinen erheblichen Reibungswiderstand zeigen.

Wie aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich ist, wird durch dieses Ausführungsbeispiel ein Schmiedeverfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle angegeben, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen eines geschlossenen Gesenks, in dem ein Gesenkhohlraum definiert ist, dessen Konfiguration im wesentlichen derjenigen von Kurbelstangen- und Kurbelzapfen-Abschnitten der Kurbelwelle entspricht; Bereitstellen eines Rohlings, dessen Durchmesser kleiner als derjenige des Kurbelstangen-Abschnitts, jedoch ausreichend groß ist, um ein Knicken des Rohlings bei axialer Druckbeaufschlagung zu verhindern; Vorwärmen des Rohlings nur an solchen Bereichen und um diejenigen Bereiche, die später die Kurbelzapfen sind; Einbringen des vorgewärmten Rohlings in das geschlossene Gesenk; Druckbeaufschlagen des Rohlings in Axialrichtung zum Vorformen des Kurbelzapfen-Abschnitts; Einbringen des Vorformlings in ein zu öffnendes Gesenk, das aus einem Ober- und einem Unterwerkzeug besteht, die nach dem Zusammenfügen dahingehend zusammenwirken, daß sie zwischen sich einen Gesenkhohlraum einer Konfiguration bilden, die im wesentlichen derjenigen der fertigen Kurbelwelle entspricht; und Druckbeaufschlagen des Vorformlings in einer Richtung senkrecht zu dessen Achse zur Bildung der Kurbelwelle. Mit diesem Schmiedeverfahren kann die Kurbelwelle ohne Schwierigkeiten, z. B. Versagen des Stempels, auch dann vorgeformt werden, wenn sie einen Kurbelstangen-Abschnitt aufweist, der ein großes Länge-/Durchmesser-Verhältnis hat.

Claims

Ansprüche

( 1.iSchmiedeverfahren zum Herstellen einer Planschwelle, die an ihrem Zwischenabschnitt einen Plansch aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Bereitstellen eines geschlossenen Gesenks, das einen Gesenkhohlraum mit einer Konfiguration bildet, die im wesentlichen derjenigen des Planschabschnitts und der Wellenabschnitte der Flanschwelle entspricht;

- Einbringen eines Rohlings in das Gesenk, wobei der Durchmesser des Rohlings kleiner als derjenige des Wellenabschnitts, jedoch ausreichend groß ist, um ein Knicken bei Druckbeaufschlagung in Axialrichtung zu verhindern; und

- Druckbeaufschlagen des Rohlings in Axialrichtung unter Bildung der Flanschwelle.
2. Schmiedeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Rohling vor dem Einbringen in das Gesenk vorerwärmt

wird.

81-A 7123-02-Schö

BAD ORIGINAL
3. Schmiedeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Rohling an beiden axialen Enden mit Druck in Axialrichtung beaufschlagt wird unter Erzeugung einer Planschwelle mit zwei Flanschen.
4. Schmiedeverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Zeitpunkt der Druckbeaufschlagung des einen axialen Endes des Rohlings und der Zeitpunkt der Druckbeaufschlagung des anderen axialen Endes des Rohlings relativ zueinander versetzt sind.
5. Schmiedeverfahren nach Anspruch .1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Druckbeaufschlagung in Axialrichtung des Rohlings nur von dessen Oberseite her erfolgt zur Herstellung eines ersten Flanschs, nach Beendigung der Druckbeaufschlagung das Gesenk mit dem halbfertigen Rohling umgedreht wird und anschließend der Rohling wieder mit Druck beaufschlagt wird unter Herstellung eines zweiten Flanschs, wodurch eine Flanschwelle mit zwei Flanschen erzeugt wird.
6. Schmiedeverfahren nach Anspruch 1,

wobei das Gesenk einen Gesenkhohlraum aufweist, dessen Konfiguration den Wellenabschnitten und einem Flanschabschnitt der Flanschwelle entspricht, gekennzeichnet durch:

Beaufschlagen des Rohlings in dem Gesenk mit Druck nur von der Oberseite des Rohlings unter Erzeugung eines ersten Flanschs,

ό ZuD I ΙΟ

- Einbringen des den ersten Flansch aufweisenden Rohlings in ein weiteres geschlossenes Gesenk, dessen Konfiguration im wesentlichen der Endkonfiguration der Flanschwelle entspricht, und

- Druckbeaufschlagen des Rohlings in Axialrichtung zur Herstellung eines zweiten Flanschs, so daß eine Flanschwelle mit zwei Flanschen erzeugt wird.
7. Schmiedeverfahren zum Herstellen einer Kurbelwelle, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Bereitstellen eines geschlossenen Gesenks, in dem ein Gesenkhohlraum gebildet ist, dessen Konfiguration im wesentlichen derjenigen der Kurbelstangen- und Kurbelzapfen-Abschnitte der Kurbelwelle entspricht;

- Einbringen eines Rohlings in das geschlossene Gesenk, wobei der Durchmesser des Rohlings kleiner als derjenige des Kurbelstangen-Abschnitts, jedoch ausreichend groß ist, um ein Knicken des Rohlings bei axialer Druckbeaufschlagung desselben zu verhindern;

- Druckbeaufschlagen des Rohlings in Axialrichtung zum Vorformen des Kurbelzapfen-Abschnitts;

- Einbringen des vorgeformten Rohlings in ein zu öffnendes Gesenk, bestehend aus einem Ober- und einem üntergesenk, die nach dem Zusammenfügen derart zusammenwirken, daß sie zwischen sich einen Gesenkhohlraum bilden, dessen Konfiguration im wesentlichen der Endform der Kurbelwelle entspricht; und

- Druckbeaufschlagen des Vorforntlings in einer Richtung senkrecht zur Achse unter Erzeugung der Kurbelwelle.
8. Schmiedeverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Rohling an einem Bereich und um diesen, der später der Kurbelzapfen der Kurbelwelle wird, örtlich erwärmt wird, bevor er zum Vorformen in das Gesenk eingebracht wird,
9. Schmiedeverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß während des Vorformens der Rohling in Axialrichtung an beiden Enden druckbeaufschlagt wird, so daß eine Kurbelwelle mit zwei Kurbelzapfen erzeugt wird.
10. Schmiedeverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß während des Vorformens der Zeitpunkt der Druckbeaufschlagung des einen axialen Endes des Rohlings und der Zeitpunkt der Druckbeaufschlagung des anderen axialen Endes des Rohlings zueinander versetzt sind, so daß eine Kurbelwelle mit zwei Kurbelzapfen erzeugt wird.
11. Schmiedeverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die axiale Druckbeaufschlagung des Rohlings nur von dessen Oberseite zur Erzeugung eines ersten Flansche erfolgt, nach Beendigung der Druckbeaufschlagung das den halbfertigen Rohling aufweisende Gesenk umgedreht wird und anschließend der Rohling wieder druckbeaufschlagt wird zur Erzeugung eines zweiten Flanschs, wodurch eine Kurbelwelle mit zwei Kurbelzapfen erzeugt wird.
12. Schmiedeverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Vorformschritt in die folgenden zwei Teilschritte unterteilt wird:

- Vorformen der Kurbelstangen-Abschnitte und eines ersten Kurbelzapfens mit einem ersten Gesenk, dessen Gesenkhohlraum im wesentlichen der Form der Kurbelstangen-Abschnitte und des ersten Kurbelzapfens entspricht; und

- Vorformen eines zweiten Kurbelzapfens mit einem zweiten Gesenk, dessen Gesenkhohlraum im wesentlichen der Form der Kurbelwelle einschließlich der Wellenabschnitte, des ersten und des zweiten Kurbelzapfens entspricht, wodurch eine Kurbelwelle mit zwei Kurbelzapfen erzeugt wird.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12

gekennzeichnet durch

ein geschlossenes Gesenk (5), dessen Formraum einen größeren Durchmesser als der Rohling und mindestens einen Ringraum zur Formung des Wellenbundes aufweist, und mindestens einen axial verschiebbaren Formstempel (8; 9), welcher mit seinem Preßende während des Formvorganges in den Formraum des Gesenkes (5) eintaucht.