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EP0955110B1 - Verfahren zum Drückwalzen und Drückwalzvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Drückwalzen und Drückwalzvorrichtung Download PDF

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Publication number
EP0955110B1
EP0955110B1 EP99101494A EP99101494A EP0955110B1 EP 0955110 B1 EP0955110 B1 EP 0955110B1 EP 99101494 A EP99101494 A EP 99101494A EP 99101494 A EP99101494 A EP 99101494A EP 0955110 B1 EP0955110 B1 EP 0955110B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blank
rolling members
forming
forming device
rolling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99101494A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0955110A2 (de
EP0955110A3 (de
Inventor
Karl-Heinz Köstermeier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leico GmbH and Co Werkzeugmaschinenbau
Original Assignee
Leico GmbH and Co Werkzeugmaschinenbau
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19830816A external-priority patent/DE19830816C2/de
Application filed by Leico GmbH and Co Werkzeugmaschinenbau filed Critical Leico GmbH and Co Werkzeugmaschinenbau
Publication of EP0955110A2 publication Critical patent/EP0955110A2/de
Publication of EP0955110A3 publication Critical patent/EP0955110A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0955110B1 publication Critical patent/EP0955110B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H5/00—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms
    • B21H5/02—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms with cylindrical outline, e.g. by means of die rolls
    • B21H5/025—Internally geared wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H5/00—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms
    • B21H5/02—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms with cylindrical outline, e.g. by means of die rolls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B21J5/12—Forming profiles on internal or external surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H7/00—Making articles not provided for in the preceding groups, e.g. agricultural tools, dinner forks, knives, spoons
    • B21H7/18—Making articles not provided for in the preceding groups, e.g. agricultural tools, dinner forks, knives, spoons grooved pins; Rolling grooves, e.g. oil grooves, in articles
    • B21H7/187—Rolling helical or rectilinear grooves

Definitions

  • the invention relates to a method for pressure rolling according to the Preamble of claim 1.
  • the invention relates to a pressure rolling device according to the preamble of claim 16.
  • a disadvantage of this type of production is the high load on the tooth profile of the tool.
  • the internal gear When the internal gear is rolled in, it comes through the penetration of the material in the tooth profile of the tool bending and impact stress on the teeth. The one there repeated alternating loads lead to a Fatigue of the tool material. Ultimately, form Cracks and the tool fails after a short time. detailed these processes are also described in DE-A-197 13 440.
  • Tools for smooth and deep rolling are also known the basis of hydrostatically mounted ball tools. With With the help of these tools, one finds through balls or rollers Plasticization of metallic surfaces instead. In order to edge areas can be smoothed or solidified.
  • these tools can variably configurable surfaces (e.g. straight or conical Plane surfaces or bores) are machined. The transformation larger material volumes and thus the shaping of new ones Geometry is not possible with these tools, however the plasticization of the material based on the intended Production method is not possible. The transferable forces are too small for that. Each individual forming roll is separate stored. This design is not for the Deformation and the shaping of larger material volumes are suitable.
  • Such ironing press rolls with tapered rolling elements is also in "forming Mechanism of Planetary Conical Rolling "by Mori et al.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method and a pressure rolling device in which pressure rolling of profiling rods is possible, which is gentle on the workpiece and tool.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • the task is further enhanced by a pressure rolling device with the features of claim 16 solved.
  • Preferred embodiments are in the dependent claims specified.
  • the preform By storing the many rolling elements in a cage achieved that the preform by the geometrically maximum number supported by rollers on the circumference during their rotation and can be reshaped at the same time. Circle the forming rollers the preform is planetary when it touches it and reshape.
  • the preform is a rotationally symmetrical one Workpiece that is solid or a pre-machined hollow body is a piece of pipe or a pot-shaped part.
  • the preform is expediently in a relative axial movement moved by the annular rolling element arrangement. In the case of a hollow preform, this is applied to the rolling elements the chuck pressed. With a massive preform it can also only a reduction in diameter.
  • the rolling elements can be arranged in a common radial plane his.
  • the preform by tapered rollers which is inclined to the axis of rotation of the preform Roll arrangement in a conical outer ring, see above may have improved centering when inserting the preform in the rolling element arrangement and a favorable material flow be achieved. Furthermore, due to an axial displacement and positioning the rolling elements with the cage a radial Positioning and adjustment of the rolling elements possible.
  • the preform is arranged axially offset from one another Rolling body is formed, so can in the deformation process a larger diameter range to be covered if the downstream rolling elements each on a smaller inner diameter roll. With such an arrangement improved forming force distribution and impact on the preform.
  • the preform is used in an expedient process design formed by rolling elements in a forming device in distributed in two parallel planes perpendicular to the axis of rotation are arranged. This results in a simplified one Construction of a cage supporting the rolling elements.
  • rolling elements of different shapes and sizes be used in a forming device, for example in a common cage or in different, arranged one behind the other Cages.
  • a forming device for example in a common cage or in different, arranged one behind the other Cages.
  • Bodies with different inner profiles in different Diameter ranges are formed.
  • a first in a first processing plane or area Forming a preform e.g. B. a round blank is made and that by tapered rolling elements in a subordinate second working plane or area a second forming the preform is made. This can be done in one setup achieve extensive processing of the preform.
  • the radial positioning of the Rolling elements set against a spring force. With that a Self-centering and self-adjustment of the rolling elements easily achieved.
  • this step can still be carried out be carried out with the workpiece clamped.
  • the Calibration process with the set to a smaller inner diameter Rolling element arrangement executed in the forming device become.
  • the calibration process can be done with a second rolling element arrangement with a smaller inner diameter be carried out in a second forming device.
  • the generation of the relative movement between the rolling elements and the preform can be rotated by rotating an outer ring in which unroll the rolling elements with the preform stationary become.
  • the relative movement can be done by rotation the preform with the outer ring stationary or through rotation of the outer ring and the preform are carried out.
  • the method according to the invention can be expediently supplemented by about the workpiece obtained after the preform has been formed a drawing ring with an internal tooth profile for manufacturing an external toothing is pulled.
  • a rotationally symmetrical sheet metal workpiece as a preform is used, which is connected to the chuck by means of ring-shaped rolling elements is pressed.
  • the sheet metal workpiece can be a round blank or a pot-shaped part his. In this way, a sheet metal body with an inner contour be shaped according to the chuck.
  • the preform on one cylindrical chuck is clamped, which on his Outer circumference with a profile, in particular a toothing, is provided, and that the rolling elements during forming are arranged in a ring around the chuck, the Preform pressed against the outer circumference by the rolling elements and an inner profile is molded.
  • This allows profiled inside Parts, for example with internal teeth or a keyway profile.
  • An alternative embodiment of the invention consists in that the preform has a central opening and on one annular chuck is clamped in the middle, the Ring inside with a profile, in particular an internal toothing, is provided, and that for forming in the center opening a forming mandrel is fed axially to the preform, on which the rolling elements are arranged in a ring, the Preform through the rolling elements against the inside of the ring The chuck is pressed and an outer profile is formed. It can e.g. externally toothed ring gears efficiently manufactured become.
  • a particularly simple method implementation is the invention achieved in that the rolling elements during forming shifted in the cage at least in a radial direction become.
  • the rolling elements are radial in the cage Direction slidably mounted and can for example by means of of a wedge slide mechanism when deforming radially inside or radially outwards.
  • the radial Moving the rolling elements also allows when using profiled rolling elements a corresponding profile in the Form preform.
  • the profile on the rolling elements can be in Circumferential grooves and projections or a Be interlocking.
  • the task set out apparatus solved in that the forming device has a cage in which a A large number of conical rolling elements arranged in a ring around an axis of rotation and that the rolling elements in the cage each are rotatably mounted.
  • a pressure rolling device is used to carry out the procedure described above.
  • the number of rolling elements is at least two, however Depending on the size of the workpiece, the highest possible number is preferred.
  • a new forming technology becomes the axis of rotation achieved which properties of the pressure rolling with those of the Ironing combined.
  • the forming device has a race has, against which the rolling elements abut a rolling area and roll off during forming.
  • An increase in the design options with the invention Device is further achieved in that the rolling area of the race is conical that the Rolling elements in the cage are displaceable in a radial direction are stored and that for the radial displacement of the rolling elements the race is adjustable in an axial direction is.
  • the rolling elements can have an outer profile be provided. This can be a toothing or in the circumferential direction running grooves and protrusions, which form a corresponding profile into the preform.
  • the chuck is cylindrical and the forming device is annular, on the inside of the rolling elements protrude.
  • a desired one can be placed on the outer circumference of the chuck Profile should be provided, which is when pressing maps the preform onto the chuck.
  • the production of hollow bodies with an outer contour is according to the invention possible in that the chuck is annular and that the forming device as a cylindrical forming mandrel is formed, on the outside of the rolling elements protrude.
  • the forming mandrel becomes axial relative to the chuck move and inserted into a central opening of the workpiece. This central opening of the workpiece is expanded and the material against the corresponding inner contour of the ring-shaped chuck.
  • the rolling elements by means of pins or holes be stored on or in a rolling element the forming roller.
  • one becomes special robust storage however, achieved in that the rolling elements for rotatable storage in pocket-shaped recesses are inserted in the cage.
  • This also allows a special one close arrangement of the individual rolling elements side by side.
  • simple solid elements can be used as rolling elements be, for example rolls or rollers from conventional Roller bearings.
  • the bearings of the rolling elements consist of a annular cage body with radial grooves for tangential Bearings and a conical race on which the Roll rolling elements for radial bearing.
  • a locking ring on The cage body keeps the rolling elements in their axial position.
  • a device 10 or a tool for carrying out the invention Procedure has a plurality of rollers as rolling elements 11 (14 rollers in the illustrated embodiment), which in recesses 12, which are in an annular support body or cage 13 of the device 10 are formed, received and axially and are guided radially.
  • a fixed outer race or outer ring 14 is in a housing 15 of device 10 used and forms an outer, hardened track 16 for the rollers while an inner raceway 17 is to be reshaped Preform 18 is formed.
  • the ring-shaped cage 13 is radial and rotatable in the housing via a ball bearing 19 15 of the device 10 stored.
  • a thrust bearing 20, for example a needle bearing supports the cage 13 axially via a spring device, z. B. in the form of several coil springs 21, on one with the housing 15 z. B. by screwing connected housing end part 22.
  • the cage 13 is designed such that the rolling elements 11 if there is no inner tread, d. H. if the preform 18 not yet or no longer in the tool or device 10 is added to be held in position.
  • This holding function can thus be provided, for example be that holding elements such as front pin 23 on
  • the rollers are molded or attached in the holes 24 rotatable in a retaining ring 25 connected to the cage 13 are included.
  • Profiles or Bores can be attached to the rolling elements 11. expedient is to clear the outside diameter of the rollers Keep inner diameter to each other by the outer jacket of the rolling element 11 in a recess of a ring supports, so that roller segments 59 from the inner diameter protrude the bore of the ring (see Fig. 7).
  • the geometries of the treads are designed so that they both the requirement profile of the forming as well as the geometric Meeting the requirement of passing them on to one another.
  • the rolling elements 11 can be in relation to the outer race 14 in axial direction can be adjusted. If over the preform 18 a compressive force in the axial direction on the device 10 applied depends on the outside Race 14 the small opening diameter 30 of the enveloping circle as it has been set by the adjustment. With this function, the enveloping circle of the rollers 11 can become one larger diameter to be opened when retracting the Preform 18 no additional spinning operation on the ironed Workpiece.
  • rollers can be adapted to the forming become. It has proven expedient to use rolling elements usual tapered roller bearings to use, which in large numbers and thus inexpensively manufactured as mass parts.
  • the outer race 14 can completely from the corresponding Roller bearings are taken over.
  • the number of rolling elements 11 can correspond to the required forming forces per roller depending on the roller division compared to the original roller bearing be reduced.
  • Parameters are the feed of the forming device, the speed of the workpiece or forming device and the number and shape of the individual shaped bodies.
  • the combination is ideal for internal and external gears between the pressure rolling with the tool proposed here and a pulling device with a pull ring.
  • the drawing ring can be exchanged as a tool in the forming center be so that after the pressure rolling with a hollow body tool a drawing ring with a corresponding inner profile is drawn over the previously rolled workpiece.
  • the external toothing is advisable in axial
  • the tooth profiles created in this way can then be synchro unit located in a pressure rolling machine according to DE 196 01 020 A1 with a molding wheel, profiled, calibrated and solidified in the tooth flanks.
  • FIG. 2 and 3 show a comparison of the invention Process compared to a conventional pressure rolling process with a maximum of three rollers.
  • Fig. 2 shows a schematic diagram of how three rolling elements 11a, 11b and 11c a preform or a workpiece Roll 35 onto a tool 36 in a conventional manner.
  • 3 shows in comparison the application of the invention Process.
  • 14 rolling elements 11.1 to 11.14 a workpiece 37 on a cylindrical Tool 38 reshaped.
  • the force application of three rolling elements 11a, 11b and 11c in 2 leads to the circumference of the preform 35 to a significant bulge 39 of the preform 35 between the Force application points 40 due to the introduced tangential stresses. Due to the relatively large distance between the Rolling to each other is the unsupported perimeter 41 in which the preform 35 can bulge, very large. The bulge the required tangential stress is therefore relative low and the deviation 39 from the circular ideal shape relatively large. The result is a high-frequency alternating load of the profile in the tool chuck, which has a very high risk of profile breakage causes. Due to the separate storage and the size of the forming rollers or rollers finds an independent centering of the gear cutting tool not instead. However, it always finds that one roller has to react to the movement of the other, there is a constant bending of the tool.
  • Fig. 3 shows how, according to the method according to the invention, the use of significantly more and significantly smaller rolling elements 11.1-11.14, which run on a common outer ring (not shown), reduces the respective deflection 44 with increasing number of rolling elements 11 and moves towards zero, since the respective unsupported circumference 42 between two force application points 43 is significantly reduced. It can also be seen that the deflection at the same tangential tensions, because of the shorter distance between the rolls, cannot become so great in order to achieve comparable values as can occur with three rolls. In practice, the bulge 44 is negligible compared to the deformation with the three rolling elements 11a-11c.
  • the application of force when forming with only three rollers is relatively uneven.
  • the cause is the asymmetrical application of force by the differently positioned forming tools.
  • the teeth are not supported evenly.
  • the tool teeth are first supported on one side.
  • the tooth is loaded on one side and it bends.
  • the material flow into the tooth gaps is more uniform, the alternating load due to the bulging being reduced to a minimum.
  • the workpiece supports both the front and the back of the teeth and thus significantly reduces the one-sided load.
  • Fig. 4 shows a preform 18 on which an internal toothing to be manufactured.
  • the preform 18 is cup-shaped and can, for example, by a pressure rolling process are manufactured. But also others, e.g. B. machined Preforming can be reshaped using the process described here become.
  • the cylindrical body of the preform 18 receives on the inlet side of the forming devices, a chamfer 32, the Angle 45 is identical to the angle of the inner roller tread 17 to the center or the axis of rotation 46 of the Forming device 10 (see Fig. 1).
  • the workpiece 48 is a workpiece 48 after the preform has been deformed 18 shown.
  • the forming process can, for example an oblique internal toothing 53 can be produced.
  • the workpiece 48 is axially lengthened by the deformation (cf. the axial ones identified with reference numerals 49 and 50, respectively Lengths in FIGS. 4 and 5) and the wall thickness (cf. the axial wall thicknesses identified by reference numerals 51 and 52, respectively 4 and 5).
  • the device 10 is shown, which is preferably used for the forming and that differs only slightly from that of FIG. 1.
  • This device is based on a tapered roller bearing.
  • Such a tapered roller bearing is modified in such a way that his inner ring is removed first.
  • the now Exposed rolling elements 11 of the tapered roller bearing are instead through a usual cage of the tapered roller bearing secured a special cage 13, which is an annular Cage body 13a and a locking ring 13b. In radial grooves that taper towards the workpiece
  • the rolling elements 11 are inserted in the cage base body 13a.
  • the rolling elements 11 are radially through a race 14 and axially held by the lock ring 13b. It also fixes the position of the rollers and their displacement to each other excluded.
  • the Rolls themselves can be modified on the front side Have pins (see Fig. 1), profiles or holes.
  • the locking ring 13b is during the deformation by the Springs 21 and the needle bearing 20 axially supported.
  • the feathers 21 press the locking ring 13b with the rolling elements 11 out of the outer conical race 14 and make it a relatively large inner diameter 30 as for Removing the parts is required. Presses during the forming process a preform 18 in the axial direction on the rolling elements 11 in the cage 13, the springs 21 are compressed and the inner diameter 30 to the effective inner diameter reduced, previously by an adjustment in the axial direction has been discontinued.
  • the locking ring 13b is radial supported by the ball bearing 19. Move during forming the rollers in or on the outer ring 14, the Roll rolling elements 11 planetary and thereby the cage body 13a with the locking ring screwed to it 13b turn. Find for the molding of an internal toothing preferably profiled rollers application.
  • the use of balls also possible in combination with rollers as rolling elements.
  • the balls used can be made on the front protrude the inlet side of the support body, used for this form a round blank into a cylindrical preform, the downstream rollers the cylindrical area reduce the preform in the same clamping in the outer diameter and roll onto a toothed tool.
  • 11 and 12 is a device 10 with balls 61 shown in the form of an angular contact ball bearing in the cage 13 are arranged and adapted to the on the balls 61 Support the outer ring 14 axially and radially.
  • rollers or balls generally the rolling elements 11, depends on the respective tooth geometry and on the forces necessary for the deformation. In the present example 14 rollers are used. On the one hand, this will Bulging of the workpiece as much as possible during production avoided, on the other hand sufficient centering of the Forming tool 10 guaranteed.
  • rollers rotate in the support body during the forming or cage 13 about its own axis and run planet-like around the preform 18.
  • Forming tool 10 via the outer ring 14 or the housing 15 to rotate with the planetary rolling elements 11, i.e. to drive the tool chuck with the preform 18 shut down.
  • FIG. 8 shows the structure of the device for rolling Toothing.
  • a preform 18 is, for example, in a Press-rolling machine clamped and over a toothed Spinning chuck 62 pushed.
  • the inner diameter of the preform 18 corresponds to the outer diameter of the chuck 62.
  • the preform 18 is on its bottom between the two drive spindles 63 and 64 of the pressure rolling machine clamped.
  • a forming device is on one in the case shown here Cylinder 65 of a drive spindle 63 (tailstock) Machine attached.
  • a piston 66 is supported on one Page 67 against an oil filling in a cylinder chamber 68 and clamps on the other, opposite side 69 the preform 18 non-positively.
  • the speed of the rollers 11 can be according to the number of teeth to be manufactured or the outer diameter of the workpiece by varying the speed of Workpiece or forming device can be adapted.
  • the shaping proceeds as shown in Fig. 9, the Fig. 9.1 to 9.4 represent the individual processing steps.
  • the preform 18 is made by the forward movement of one Drive spindle (main spindle) 64 in the direction of the forming device 10 driven (Fig.9.1).
  • the piston 66 in pressed the cylinder 68.
  • the forming device 10 initially touch the rolling elements 11 the outer radius of the preform 18.
  • the preform 18 further towards the forming device 10 and in this moves into it.
  • the springs 21 compress in the forming device 10 and set the effective inner diameter.
  • the rotating rolling elements 11 roll the preform 18 onto the externally toothed chuck 62 on (Fig. 9.2 and 9.3).
  • the chuck 62 corresponds.
  • the preform 18 is elongated and reduced the wall thickness.
  • the time is to change direction depending on the respective tooth geometry and the selected one Feed. With the change of direction, the direction becomes the tangential rotation of the workpiece 18 on the chuck 62, as in conventional pressure rolling processes occurs, changed. After the deformation, the spindle 64 moves back again and the now internally toothed workpiece 70 removed with a scraper, for example.
  • inner straight or internal helical gears are reproducibly formed, which have a high degree of dimensional accuracy.
  • Gear teeth produced by rolling have a high degree on work hardening, which may result in a suitable choice of material and surface post-treatment a subsequent heat treatment can be saved.
  • a mechanical post-processing the surface is usually not necessary. It workpieces can be formed that have not yet been produced without cutting could become.
  • a pot-shaped preform 18 is between a chuck 82 with external teeth 81 and a tailstock 84 firmly clamped.
  • a forming device 10 used with rolling elements 11 which essentially corresponds to the previously described forming devices.
  • the cage 13 for supporting the rolling elements 11 includes axial and radial sliding surfaces without additional bearings in the housing 15.
  • the spinning chuck 82 is mounted on a cover 87 so that it cannot rotate, which on an essentially tubular main spindle socket 83 is flanged.
  • the one not shown Main spindle stub can be set in rotation 83 has a tensioning device in its inner cavity 88 on.
  • the tensioning device 88 which in the illustrated Embodiment is a plate spring assembly, can also hydraulic spring.
  • the plate spring assembly is between an annular stop 91 and one in the main spindle socket 83 displaceable pressure plate 89 arranged. At the Pressure plate 89 a plurality of pressure bolts 90 are attached, which through appropriately designed openings the cover 87 penetrate.
  • the pressure bolts 90 contact an end face a sleeve-shaped counter-holder 85, which is axially displaceable is mounted on the chuck 82.
  • the counterhold 85 lies with its end facing away from the pressure pin 90 on an end face at the free end of the preform 18 to one undesirable elongation of the preform 18 when molding the Counteract internal teeth.
  • the displacement path of the counter holder 85 on the chuck 82 is marked by a radially inwardly projecting shoulder 86 limited to the counter-holder 85, which in a corresponding trained groove engages on the chuck 82.
  • the size of the force of the counter-holder 85 depends on the resistance the preform to be formed 18. For a uniform Tooth filling, it is preferred that the clamping device 88th exerts a constant pressure, such as through a disc spring package or a hydraulic spring in simple Way is achievable.
  • the sleeve-shaped Counterholder 85 has a slope 92 at its end, whose helix or taper angle to the angle of the conical arranged rolling element 11 is adapted.
  • FIG. 14 shows a further device according to the invention, in which an annular spinning chuck 82a with internal teeth 94 is provided.
  • an annular spinning chuck 82a with internal teeth 94 is provided on the chuck 82a .
  • a preform 18 clamped as a workpiece with a central opening.
  • the chuck is via a drive, not shown 82a relative to a spindle 93 about an axis of rotation 46 rotatable. With an axial relative movement between the The chuck 82a and the spindle 93 are formed.
  • An ejector 78 can be axial, not shown Clamping according to the type of Fig. 13 and / or for ejection of the finished workpiece.
  • the pusher 78 can be fixed or co-rotating.
  • a forming device 95 is on to form a forming mandrel a spindle 93 attached by means of a clamping plate 96.
  • the Forming device 95 comprises a cage 13 and a radial internal conical race 14.
  • the cage 13 is made from a basic race body 13a and a locking ring 13b.
  • There are pocket-shaped recesses in the cage base body 13a provided in which conical rolling elements 11 are inserted and axially by the screwed locking ring 13b are held.
  • the pocket-shaped recesses taper radially outwards towards the workpiece.
  • the rolling elements 11 each have a rolling element axis 9 that is to the axis of rotation 46 stands at an acute angle.
  • FIG. 15 Another device according to the invention is shown in FIG. 15, where the top half is a state at the beginning of reshaping and the lower half against a condition End of forming shows.
  • a chuck 82 with an external toothing 81 is one Pot-shaped preform 18 clamped and rotatable about the axis of rotation 46 driven.
  • the preform 18 is by axial Delivery of the tailstock 84 clamped, on which a forming device with an annular cage 13 and mounted therein Rolling elements 11 is attached.
  • the rolling elements 11 are rotatable in the cage 13 and in a radial direction Slidably mounted in recesses to the axis of rotation 46 and axially fixed.
  • a race 14 with a conical rolling surface 98 in a non-rotatable actuator 97 attached, which is axially displaceable to the tailstock 84 is.
  • the control element 97 After tensioning the preform 18, the control element 97 with a hydraulic piston by a stroke h in Moved towards the chuck 82.
  • the conical Rolling area 98 in cooperation with the conical Arrangement of the rolling elements 11 results in a wedge slide mechanism, through which the rolling elements 11 radially inwards are pushed and the cylindrical wall of the Preform 18 is pressed into the external toothing 81.
  • a cage 13 there are two rolling elements 11 rotatably and radially displaceably, which a External profile with circumferential grooves and projections exhibit.
  • the rolling elements 11 are simple in pocket-shaped recesses on a cage body 13a inserted and rotatable and displaceable in these recesses held and axially fixed in position by a locking ring 13b.
  • an actuating element 97 is provided, which in addition to a shifting movement in the axial direction also the function of the race takes over.
  • a conical rolling area 98 provided on which the rolling elements 11 roll.
  • the fixed, axially displaceable preform 18 is placed on a Form region 82b of the chuck 82 to a fixed Mandrel 79 pushed.
  • the mandrel 79 is also axially fixed.
  • Actuator 97 receives through the axial displacement movement in the area of the conical treads 98 contact with the conical running surfaces 98a of the rolling elements 11.
  • the rolling elements 11 have contact with the limit 99 of the mandrel 79 and the axial stroke H of the control element 97 is extended.
  • the actuating element 97 is retracted
  • Rolling elements 11 have no contact with limitation 99. You are at a distance from this limitation 99.
  • the finished workpiece is released by the rolling elements 11.
  • the rolling element 11 can be the preform 18, which is a tube is to be replaced.
  • the preform 18 is in position by Clamping device clamped on the chuck 82.
  • the device shown in FIG. 16 is on a 1: 1 scale shown. This makes it clear that according to the invention a particularly simple and therefore very compact arrangement for spinning even small parts.
  • the preform 18 is a piece of pipe, at its free end a connector socket is molded.

Landscapes

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  • Rolling Contact Bearings (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Drückwalzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Drückwalzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Ein gattungsgemäßen Stand der Technik geht aus der EP-A-0 736 347, der DE-C-42 18 092, der US-A-3473211 und der DE-A-196 36 567 hervon Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines kreiszylindrischen Getriebeteils beschrieben, dem auf einem Teil seiner axialen Länge eine Innenverzahnung durch Drückwalzen eingeformt wird. Mit diesem Verfahren kann sehr rationell ein Teil gefertigt werden, welches sonst nur spanend mit hohem Aufwand hergestellt werden kann. Vorteil der Herstellung durch Drückwalzen ist eine nahezu endkonturennahe Fertigung bei gleichzeitig hoher Maßhaltigkeit und geringer Rauhtiefe der gefertigten Teile. Gleichzeitig wird eine Werkstoffverfestigung im oberflächennahen Bereich erzielt, die sich günstig auf Verschleißverhalten und Dauerfestigkeit auswirkt. Während des Umformens wird die Vorform durch eine oder mehrere Drückwalzen in das Verzahnungsprofil eines Werkzeugs gedrückt, wobei die Zähne vollständig ausgefüllt werden. Nachteilig bei dieser Art der Fertigung ist die hohe Belastung des Verzahnungsprofils des Werkzeugs. Beim Einwalzen der Innenverzahnung kommt es durch das Eindringen des Materials in das Verzahnungsprofil des Werkzeugs zu einer Biege- und Stoßbeanspruchung der Zähne. Die dabei wiederholt auftretenden Wechselbelastungen führen zu einer Ermüdung des Werkzeugwerkstoffs. Letztendlich bilden sich Risse und das Werkzeug versagt nach kurzer Zeit. Detailliert sind diese Vorgänge auch in der DE-A-197 13 440 beschrieben.
Bekannt sind außerdem Werkzeuge zum Glatt- und Festwalzen auf der Basis von hydrostatisch gelagerten Kugelwerkzeugen. Mit Hilfe dieser Werkzeuge findet durch Kugeln oder Walzen eine Plastifizierung von metallischen Oberflächen statt. Damit können Randbereiche geglättet oder verfestigt werden. Durch die verschiedenen Ausführungsformen dieser Werkzeuge können variabel gestaltbare Oberflächen (z. B. gerade oder kegelige Planflächen oder Bohrungen) bearbeitet werden. Die Umformung größerer Werkstoffvolumina und damit die Formgebung neuer Geometrien ist mit diesen Werkzeugen jedoch nicht möglich, da die Plastifizierung des Werkstoffes aufgrund der vorgesehenen Herstellungsart nicht möglich ist. Die übertragbaren Kräfte sind dafür zu klein. Jede einzelne Umformrolle ist separat gelagert. Diese konstruktive Ausführung ist nicht für die Verformung und die Formgebung größerer Werkstoffvolumina geeignet.
Des weiteren sind Verfahren zum Abstreckdrückenlzen aus der US-A-4320644, DD-A-116 405 oder DE-C-635015 bekannt, bei denen mit ringförmig angeordneten mehreren Wälzkörpern eine Zylindrische Vorform in ihrer Wanddicke reduziert und gleichzeitig axial gelängt wird.
Ein solches Abstreckdrückwalzen mit Kegeligen Wälzkörpern ist auch in "Forming Mechanism of Planetary Conical Rolling" van Mori et al. beschrieben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Drückwalzvorrichtung bereitzustellen, bei denen ein Drückwalzen Von Profilierangen möglich ist, welches schonend für Werkstück und Werkzeug ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiter durch eine Drückwalzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Im Stand der Technik gemäß der Gattung kann durch die geometrisch und festigkeitsbedingten Abmessungen der Walzen mit ihren Lagerungen in Abhängigkeit vom Umfang der Vorform nur eine begrenzte Anzahl von Walzen in einem minimalen Abstand angeordnet werden. Durch den geometrisch bedingten Abstand zwischen den Walzen ist es unmöglich, die Ausbeulung der Vorform auf ihrem Umfang aufgrund der großen Tangentialkraft in diesem Bereich und der damit verbundenen Werkstoffverdrängung restlos auszugleichen. Es kommt zu Wechselbelastungen im Bereich der Ausnehmungen des Werkzeugfutters. Besonders bei Laufverzahnungen mit kleinen Modulen kann diese Wechselbelastung zu einer Materialermüdung und damit zu kurzen Standzeiten des Werkzeugs führen.
Durch die Lagerung der vielen Wälzkörper in einem Käfig wird erreicht, daß die Vorform durch die geometrisch maximale Anzahl von Walzen am Umfang während ihrer Drehung abgestützt und gleichzeitig umgeformt werden kann. Die umformenden Walzen umkreisen die Vorform planetenförmig, wenn sie diese berühren und umformen. Die Vorform ist ein rotationssymmetrisches Werkstück, welches massiv oder ein vorbearbeiteter Hohlkörper ist, etwa ein Rohrstück oder ein topfförmiges Teil.
Beim bekannten Drückwalzen wird durch die separate Lagerung und Ansteuerung der Achsen aufgrund eines Axialversatzes der Walzen immer eine Walze den Formgebungsprozeß beginnen, wodurch es zwangsläufig zu einer unerwünschten Auslenkung des Werkzeugs kommt, bis weitere axial versetzte Walzen angreifen. Dies hat die Folge, daß durch diese wechselseitige Auslenkung des Umformwerkzeuges eine gleichmäßige Belastung und eine Selbstzentrierung kaum möglich ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kraft symmetrisch über einen Außenring eines Lagers auf alle Walzen gleichmäßig übertragen. Daraus folgt, daß alle Walzen gleichzeitig in den Umformprozeß eingreifen und dabei das innenliegende Werkzeug selbständig zentrieren und dieses gleichmäßig belasten.
Zweckmäßigerweise wird die Vorform in einer relativen Axialbewegung durch die ringförmige Wälzkörperanordnung bewegt. Bei einer hohlen Vorform wird von den Wälzkörpern diese an das Drückfutter angedrückt. Bei einer massiven Vorform kann auch nur eine Durchmesserverringerung erfolgen. Die Wälzkörper können in einer gemeinsamen radialen Ebene angeordnet sein.
Wenn in bevorzugter Weise die Vorform durch kegelige Wälzrollen umgeformt wird, die in zur Rotationsachse der Vorform geneigter Anordnung in einem konischen Außenring abrollen, so kann eine verbesserte Zentrierung beim Einführen der Vorform in die Wälzkörperanordnung sowie ein günstiger Materialfluß erzielt werden. Des weiteren ist durch eine axiale Verschiebung und Positionierung der Wälzkörper mit dem Käfig eine radiale Positionierung und Einstellung der Wälzkörper möglich.
Wenn die Vorform durch zueinander axial versetzt angeordnete Wälzkörper umgeformt wird, so kann in dem Verformungsvorgang ein größerer Durchmesserbereich abgedeckt werden, wenn die nachgeordneten Wälzkörper jeweils auf einem kleineren Innendurchmesser abrollen. Durch eine derartige Anordnung ergibt sich eine verbesserte Umformungskraftaufteilung und -einwirkung auf die Vorform.
In einer zweckmäßigen Verfahrensgestaltung wird die Vorform durch Wälzkörper umgeformt, die in einer Umformeinrichtung in zwei parallelen, zur Rotationsachse senkrechten Ebenen verteilt angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich ein vereinfachter Aufbau eines die Wälzkörper lagernden Käfigs.
Um unterschiedliche Umformungen an Vorformen ausführen zu können, können Wälzkörper unterschiedlicher Formen und Größe in einer Umformeinrichtung verwendet werden, etwa in einem gemeinsamen Käfig oder in verschiedenen, hintereinander angeordneten Käfigen. Beispielsweise können damit in einer Aufspannung Körper mit verschiedenen Innenprofilen in verschiedenen Durchmesserbereichen umgeformt werden.
Es kann auch vorgesehen sein, daß durch kugelige Wälzkörper in einer ersten Bearbeitungsebene oder -bereich eine erste Umformung einer Vorform, z. B. einer Ronde, vorgenommen wird und daß durch kegelige Wälzkörper in einer nachgeordneten zweiten Bearbeitungsebene oder -bereich eine zweite Umformung der Vorform vorgenommen wird. Damit läßt sich in einer Aufspannung eine weitgehende Bearbeitung der Vorform erzielen.
In einer Ausführungsform wird die radiale Positionierung der Wälzkörper gegen eine Federkraft eingestellt. Damit kann eine Selbstzentrierung und Selbstjustierung der Wälzkörper auf einfache Weise erreicht werden.
Wenn die relative Drehrichtung zwischen der Vorform bzw. dem Drückwerkzeug und den Wälzkörpern alternierend gewechselt wird, so wird durch diese Maßnahme die Richtung der Krafteinleitung auf die Vorform und das Drückwerkzeug häufig geändert, wodurch eine material- und werkzeugschonendere Umformung erzielt wird.
Wenn nach der Formung der Innenverzahnung ein Kalibriervorgang ausgeführt wird, so kann dieser Vefahrensschritt noch bei aufgespanntem Werkstück ausgeführt werden. Dabei kann der Kalibriervorgang mit der auf geringeren Innendurchmesser eingestellten Wälzkörperanordnung in der Umformeinrichtung ausgeführt werden. Alternativ dazu kann der Kalibriervorgang mit einer zweiten Wälzkörperanordnung mit geringerem Innendurchmesser in einer zweiten Umformeinrichtung ausgeführt werden.
Die Erzeugung der relativen Bewegung zwischen den Wälzkörpern und der Vorform kann durch Rotation eines Außenringes, in dem die Wälzkörper abrollen, bei stillstehender Vorform vorgenommen werden. Gleichfalls kann die relative Bewegung durch Rotation der Vorform bei stillstehendem Außenring oder durch eine Rotation des Außenringes und der Vorform ausgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zweckmäßig ergänzen, indem über das nach dem Umformen der Vorform erhaltene Werkstück ein Ziehring mit einem Innenzahnprofil zum Herstellen einer Außenverzahnung gezogen wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß als Vorform ein rotationssymmetrisches Blechwerkstück verwendet wird, welches an das Drückfutter mittels der ringartig angeordneten Wälzkörper angedrückt wird. Das Blechwerkstück kann hierbei eine Ronde oder ein topfförmiges Teil sein. Auf diese Weise kann ein Blechkörper mit einer Innenkontur entsprechend dem Drückfutter geformt werden.
Dabei ist es besonders bevorzugt, daß die Vorform an einem zylindrischen Drückfutter eingespannt wird, welches an seinem Außenumfang mit einer Profilierung, insbesondere einer Verzahnung, versehen ist, und daß beim Umformen die Wälzkörper ringartig um das Drückfutter herum angeordnet sind, wobei die Vorform durch die Wälzkörper gegen den Außenumfang gedrückt und ein Innenprofil eingeformt wird. Hierdurch können innenprofilierte Teile, beispielsweise mit einer Innenverzahnung oder einem Keilnutprofil, erstellt werden.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Vorform eine Mittenöffnung aufweist und an einem ringförmigen Drückfutter mittig eingespannt wird, dessen Ringinnenseite mit einer Profilierung, insbesondere einer Innenverzahnung, versehen ist, und daß zum Umformen in die Mittenöffnung der Vorform ein Umformdorn axial zugestellt wird, an dem die Wälzkörper ringartig angeordnet sind, wobei die Vorform durch die Wälzkörper gegen die Ringinnenseite des Drückfutters gedrückt und ein Außenprofil eingeformt wird. Es können so z.B. außenverzahnte Hohlräder effizient hergestellt werden.
Eine besonders einfache Verfahrensdurchführung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß beim Umformen die Wälzkörper in dem Käfig zumindest in einer radialen Richtung verschoben werden. Die Wälzkörper sind hierbei in dem Käfig in radialer Richtung verschiebbar gelagert und können beispielsweise mittels eines Keilschiebermechanismus beim Umformen radial nach innen oder radial nach außen gedrückt werden. Das radiale Verschieben der Wälzkörper erlaubt auch, bei Verwendung von profilierten Wälzkörpern ein entsprechendes Profil in die Vorform einzuformen. Das Profil an den Wälzkörpern können in Umfangsrichtung verlaufende Nuten und Vorsprünge oder eine Verzahnung sein.
Ausgehend von einer gattungsgemäßen Drückwalzvorrichtung wird die eingangs gestellte Aufgabe apparativ dadurch gelöst, daß die Umformeinrichtung einen Käfig aufweist, in welchem eine Vielzahl von kegeligen Wälzkörpern ringartig um eine Rotationsachse angeordnet ist, und daß die Wälzkörper in dem Käfig jeweils drehbar gelagert sind. Eine solche Drückwalzvorrichtung dient zur Durchführung des vorausgehend beschriebenen Verfahrens. Die Anzahl der Wälzkörper beträgt zumindest zwei, wobei jedoch abhängig von der Werkstückgröße eine möglichst hohe Anzahl bevorzugt ist.
Eine besonders gute Umformung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Wälzkörper kegelig als Umformrollen ausgebildet sind und jeweils drehbar um eine Wälzkörperachse gelagert sind und daß die Wälzkörperachsen zur Rotationsachse in einem schrägen Winkel, insbesondere in einem Winkel zwischen 10° und 60°, angeordnet sind. Durch die axiale Erstreckung der Wälzkörper sowie deren konische Anordnung zur Rotationsachse wird eine neuartige Umformtechnologie erreicht, welche Eigenschaften des Drückwalzens mit denen des Abstreckziehens kombiniert. Durch diese Kombination ist ein hoher Umformgrad bei einer relativ großen Umformgeschwindigkeit erzielbar.
Für ein Aufbringen hoher Umformkräfte ist es nach der Erfindung vorteilhaft, daß die Umformeinrichtung einen Laufring aufweist, an dem die Wälzkörper an einem Abrollbereich anliegen und beim Umformen abrollen.
Eine Erhöhung der Gestaltungsmöglichkeiten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird weiterhin dadurch erreicht, daß der Abrollbereich des Laufringes konusförmig ist, daß die Wälzkörper in dem Käfig in einer radialen Richtung verschiebbar gelagert sind und daß zum radialen Verschieben der Wälzkörper der Laufring in einer axialen Richtung verstellbar ist.
Erfindungsgemäß können dabei die Wälzkörper mit einem Außenprofil versehen sein. Dieses kann eine Verzahnung oder in Umfangsrichtung verlaufende Nuten und Vorsprünge sein, welche ein entsprechendes Profil in die Vorform einformen.
Zur Herstellung von Hohlkörpern ist es vorgesehen, daß das Drückfutter zylindrisch ist und daß die Umformeinrichtung ringförmig ausgebildet ist, an deren Innenseite die Wälzkörper vorstehen. Am Außenumfang des Drückfutters kann ein gewünschtes Profil vorgesehen sein, welches sich beim Aufdrükken der Vorform auf das Drückfutter abbildet.
Die Herstellung von Hohlkörpern mit einer Außenkontur ist erfindungsgemäß dadurch möglich, daß das Drückfutter ringförmig ist und daß die Umformeinrichtung als ein zylindrischer Umformdorn ausgebildet ist, an dessen Außenseite die Wälzkörper vorstehen. Der Umformdorn wird relativ zum Drückfutter axial verfahren und in eine Mittenöffnung des Werkstücks eingeschoben. Hierbei wird diese Mittenöffnung des Werkstücks aufgeweitet und das Material gegen die entsprechende Innenkontur des ringförmigen Drückfutters geformt.
Grundsätzlich können die Wälzkörper mittels Zapfen oder Bohrungen gelagert sein, die sich an oder in einem Wälzkörper der Umformrolle befinden. Nach der Erfindung wird eine besonders robuste Lagerung jedoch dadurch erreicht, daß die Wälzkörper zur drehbaren Lagerung in taschenförmige Ausnehmungen in den Käfig eingelegt sind. Dies erlaubt auch eine besonders enge Anordnung der einzelnen Wälzkörper nebeneinander. Zudem können als Wälzkörper einfache massive Elemente eingesetzt werden, beispielsweise Rollen oder Walzen aus herkömmlichen Wälzlagern. Die Lagerung der Wälzkörper besteht aus einem ringförmigen Käfiggrundkörper mit radialen Nuten zum tangentialen Lagern sowie einem konischen Laufring, auf welchem die Wälzkörper zum radialen Lagern abrollen. Ein Verschlußring am Käfiggrundkörper hält die Wälzkörper in ihrer axialen Lage.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1
in einer Schnittansicht eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer darin angeordneten Vorform;
Fig. 2
in einer schematischen Darstellung ein zylindrisches Werkstück, das in aus dem Stand der Technik bekannter Art mit drei Drückwalzen bearbeitet wird, und die dabei auftretenden Verformungen des Werkstückes;
Fig. 3
in einer schematischen Darstellung ein zylindrisches Werkstück, das mit einer Vielzahl von Drückwalzen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wird, und die dabei auftretenden Verformungen des Werkstückes;
Fig. 4
in einer Schnittansicht eine Vorform, an der eine Innenverzahnung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden soll;
Fig. 5
in einer Schnittansicht ein Werkstück mit einer Innenverzahnung, die durch Bearbeitung der in Fig. 4 dargestellten Vorform hergestellt worden ist;
Fig. 6
in einer Schnittansicht eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 7
in einer Schnittansicht quer zur Rotationsachse die Vorrichtung der Fig. 6;
Fig. 8
in einer teilweise geschnittenen Teildarstellung einen Gesamtaufbau einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 9
in vier Darstellungen (9.1 - 9.4) den Verfahrensablauf;
Fig. 10
eine Variante des Aufbaus und der Anordnung der Vorrichtung bzw. des Umformwerkzeugs;
Fig. 11
in einer Schnittansicht eine Vorrichtung mit Kugelförmigen Wälzkörpern;
Fig. 12
in einer Schnittansicht senkrecht zu seiner Rotationsachse die Vorrichtung der Fig. 11;
Fig. 13
in einer Schnittansicht eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 14
in einer Schnittansicht eine Drückwalzvorrichtung zum Formen eines Außenprofiles;
Fig. 15
in einer Schnittansicht eine Drückwalzvorrichtung mit radialer Verstellung der Wälzkörper; und
Fig. 16
in einer Schnittansicht eine Drückwalzvorrichtung zum Einformen eines Außenprofils durch radial verstellbare Wälzkörper.
Eine Vorrichtung 10 oder ein Werkzeug zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe insbesondere die Fig. 1, 6 und 7) weist eine Vielzahl von Walzen als Wälzkörper 11 auf (im dargestellten Ausführungsbeispiel 14 Walzen), die in Ausnehmungen 12, die in einem ringförmigen Tragkörper oder Käfig 13 der Vorrichtung 10 ausgebildet sind, aufgenommen und axial und radial geführt sind. Ein feststehender äußerer Laufring oder Außenring 14 ist in einem Gehäuse 15 der Vorrichtung 10 eingesetzt und bildet eine äußere, gehärtete Laufbahn 16 für die Walzen, während eine innere Laufbahn 17 durch eine umzuformende Vorform 18 gebildet wird. Der ringförmige Käfig 13 ist über ein Kugellager 19 radial und drehbar in dem Gehäuse 15 der Vorrichtung 10 gelagert. Ein Axiallager 20, beispielsweise ein Nadellager, stützt den Käfig 13 axial über eine Federeinrichtung, z. B. in Form von mehreren Schraubenfedern 21, an einem mit dem Gehäuse 15 z. B. durch Verschraubung verbundenen Gehäuseabschlußteil 22 ab.
Der Käfig 13 ist derart ausgebildet, daß die Wälzkörper 11 bei fehlender innerer Lauffläche, d. h. wenn die Vorform 18 noch nicht oder nicht mehr in dem Werkzeug bzw. der Vorrichtung 10 aufgenommen ist, in ihrer Position gehalten werden. Diese Haltefunktion kann beispielsweise dadurch bereitgestellt sein, daß Halteelemente wie stirnseitige Zapfen 23 an den Walzen angeformt oder angebracht sind, die in Bohrungen 24 in einem mit dem Käfig 13 verbundenen Haltering 25 drehbar aufgenommen sind. Als Halteelemente können auch Profile oder Bohrungen an den Wälzkörper 11 angebracht sein. Zweckmäßig ist es, die Walzen an ihrem Außendurchmesser auf einen lichten Innendurchmesser zueinander zu halten, indem der Außenmantel des Wälzkörpers 11 sich in einer Ausnehmung eines Ringes abstützt, so daß Walzensegmente 59 aus dem Innendurchmesser der Bohrung des Ringes (siehe Fig. 7) definiert hervorragen.
Die Geometrien der Laufflächen sind so ausgebildet, daß sie sowohl dem Anforderungsprofil der Umformung als auch der geometrischen Anforderung des Aufeinanderabwälzens gerecht werden.
Werden gemäß der Darstellung in Fig. 1 kegelige Wälzkörper 11 innerhalb eines kegeligen äußeren Laufringes 14 eingesetzt, so ergibt sich im Inneren eines durch die innere Laufbahn 17 definierten Hüllkreises dieser Wälzkörper 11 eine gedachte Hüllkörperform mit einem kleinen Öffnungsdurchmesser (mit Bezugszeichen 30 versehen) und einem großen Öffnungsdurchmesser (mit Bezugszeichen 31 versehen). Wird die Vorform 18 mit einer Schräge 32 an der Eintauchseite, d. h. der Seite der ersten Berührung mit den Wälzkörpern 11, versehen, deren Winkel dem Winkel der kegeligen Hüllkörperform bzw. der inneren Lauffläche 17 entspricht, tritt bei Kontakt dieser Schräge 32 mit den kegeligen Walzen 11 automatisch eine verbesserte Zentrierung der Wälzkörper 11 zur Vorform 18 ein.
Die Wälzkörper 11 können relativ zum äußeren Laufring 14 in axialer Richtung justiert werden. Wenn über die Vorform 18 eine Druckkraft in axialer Richtung auf die Vorrichtung 10 aufgebracht wird, stellt sich in Abhängigkeit zum äußeren Laufring 14 der kleine Öffnungsdurchmesser 30 des Hüllkreises so ein, wie er durch die Justierung eingestellt worden ist. Durch diese Funktion kann der Hüllkreis der Walzen 11 zu einem größeren Durchmesser geöffnet werden, um beim Rückzug der Vorform 18 keine zusätzliche Drückwalzoperation am abgestreckten Werkstück vornehmen zu müssen. Für diese Einstellung wird der die Walzen haltende Tragkörper oder Käfig 13 zusammen mit dem Haltering 25 in axialer Richtung mit einem Spiel in der Weise versehen, daß die Federn 21 hinter dem Axiallager 20 den Käfig 13 aus dem konischen äußeren Laufring 14 herausdrücken. Sobald nun die Walzen Kontakt zur Vorform 18 erhalten, federn sie auf den vorgesehenen Anschlag zurück und stellen sich wieder auf den justierten Öffnungsdurchmesser ein.
Die Art und die Anzahl der Walzen kann der Umformung angepaßt werden. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, Wälzkörper aus üblichen Kegelrollenlagern zu verwenden, die in großer Stückzahl und damit als Massenteile preiswert hergestellt werden. Dabei kann der äußere Laufring 14 komplett vom entsprechenden Rollenlager übernommen werden. Die Anzahl der Wälzkörper 11 kann entsprechend der erforderlichen Umformkräfte pro Walze je nach Walzenteilung gegenüber dem ursprünglichen Rollenlager reduziert werden.
Durch geeignete Wahl einzelner Umformparameter und deren Abstimmung zueinander können die Formgebungsbedingungen des Werkstückes in Relation zu einem außenverzahnten Werkzeugfutter angepaßt werden. Parameter sind der Vorschub der Umformeinrichtung, die Drehzahl von Werkstück bzw. Umformeinrichtung sowie die Zahl und die Form der einzelnen Umformkörper.
Soll ein größerer Durchmesserbereich bei gleichbleibender Konizität der Walzen abgedeckt werden, so kann jede zweite Walze in einer entsprechenden Vorrichtung axial versetzt angeordnet werden. Hierdurch wird die Breite der Überdeckung von Walze zu Walze reduziert und der Durchmesserbereich vom maximalen Durchmesser zum minimalen Durchmesser eines Umlaufes erweitert.
Für größere Durchmesserbereiche ist es zweckmäßig, Umformeinrichtungen anzufertigen, die dann innerhalb eines Umformzentrums nacheinander, auch zur Anformung von Absätzen, eingewechselt werden können.
Für Innen- und Außenverzahnungen bietet sich die Kombination zwischen dem Drückwalzen mit dem hier vorgeschlagenen Werkzeug und einer Zieheinrichtung mit einem Ziehring an. Hierbei kann der Ziehring als Werkzeug in das Umformzentrum eingewechselt werden, so daß nach dem Drückwalzen mit einem Hohlkörperwerkzeug ein Ziehring mit einem entsprechenden Innenprofil über das zuvor gewalzte Werkstück gezogen wird. Beim Ziehen der Außenverzahnung ist es zweckmäßig, in axialer Richtung das Werkstück durch einen Anschlag so abzugrenzen, daß das Material im wesentlichen in das Zahnprofil des Ziehringes fließt und daß keine Längung des Werkstückes erfolgt. Die so entstandenen Zahnprofile können anschließend über eine in einer Drückwalzmaschine befindliche Synchroeinheit gemäß der DE 196 01 020 A1 mit einem Formrad fertig profiliert, kalibriert sowie in den Zahnflanken verfestigt werden.
Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber einem herkömmlichen Drückwalzvorgang mit maximal drei Walzen. Fig. 2 stellt als Prinzipskizze dar, wie drei Wälzkörper 11a, 11b und 11c eine Vorform oder ein Werkstück 35 auf ein Werkzeug 36 in herkömmlicher Weise walzen. Fig. 3 zeigt im Vergleich dazu die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird mit beispielsweise 14 Wälzkörper 11.1 bis 11.14 ein Werkstück 37 auf einem zylindrischen Werkzeug 38 umgeformt.
Aus den schematischen Darstellungen der Fig. 2 und 3 werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich:
1.) Minimierung der Auswölbung der Vorform durch den Einsatz mehrerer Umformrollen.
Der Kraftangriff von drei Wälzkörpern 11a, 11b und 11c in herkömmlicher Art gemäß Fig. 2 am Umfang der Vorform 35 führt zu einer deutlichen Ausbeulung 39 der Vorform 35 zwischen den Kraftangriffspunkten 40 aufgrund der eingeleiteten Tangentialspannungen. Bedingt durch den relativ großen Abstand der Walzen zueinander ist der unabgestützte Umfang 41, in der sich die Vorform 35 ausbeulen kann, sehr groß. Die zur Ausbeulung erforderliche Tangentialspannung ist deshalb relativ gering und die Abweichung 39 von der kreisförmigen Idealform relativ groß. Die Folge ist eine hochfrequente Wechselbelastung des Profils im Werkzeugfutter, die eine sehr große Profilbruchgefahr bewirkt. Durch die separate Lagerung und die Größe der Umformrollen oder -walzen findet eine selbständige Zentrierung des Verzahnungswerkzeuges nicht statt. Hingegen findet dadurch, daß immer eine Walze auf die Bewegung der anderen reagieren muß, eine ständige Ausbiegung des Werkzeuges statt.
Fig. 3 zeigt, wie gemäß dem Verfahren nach der Erfindung durch die Verwendung von wesentlich mehr und deutlich kleineren Wälzkörpern 11.1 - 11.14, die auf einem gemeinsamen Außenring (nicht dargestellt) laufen, die jeweilige Ausbiegung 44 mit zunehmender Anzahl von Wälzkörpern 11 geringer wird und sich gegen Null bewegt, da der jeweilige unabgestützte Umfang 42 zwischen zwei Kraftangriffspunkten 43 wesentlich verkleinert ist.
Ferner wird sichtbar, daß die Ausbiegung bei gleichen Tangentialspannungen, aufgrund des kürzeren Abstandes zwischen den Walzen, gar nicht so groß werden kann, um vergleichbare Werte, wie sie bei drei Walzen auftreten können, zu erreichen. In der Praxis ist die Ausbeulung 44 vernachlässigbar gering im Vergleich zur Umformung mit den drei Wälzkörpern 11a - 11c.
2.) Gleichmäßigere Kraftverteilung.
Die Krafteinleitung bei der Umformung mit nur drei Walzen ist relativ ungleichmäßig. Die Ursache ist der unsymmetrische Kraftangriff der unterschiedlich gelagerten Umformwerkzeuge. Bedingt dadurch werden die Zähne nicht gleichmäßig abgestützt. Beim Fließen des Materials in die Zahnlücken des verzahnten Werkzeugs kommt es zunächst zu einer einseitigen Abstützung der Werkzeugzähne. Dadurch wird der Zahn einseitig belastet und er biegt sich aus.
Bei der Verwendung des zuvor beschriebenen Umformwerkzeugs mit beispielsweise 14 Walzen, die in einem gemeinsamen Außenring laufen, ist der Materialfluß in die Zahnlücken gleichmäßiger, wobei die Wechselbelastung aufgrund der Ausbeulung auf ein Minimum reduziert wird. Das Werkstück stützt sowohl die Vorder- als auch die Rückseite der Zähne ab und reduziert damit die einseitige Belastung erheblich.
Fig. 4 zeigt eine Vorform 18, an der eine Innenverzahnung hergestellt werden soll. Die Vorform 18 ist topfförmig ausgebildet und kann beispielsweise durch einen Drückwalzprozeß gefertigt werden. Aber auch andere, z. B. spanend gefertigte Vorformen, können durch das hier beschriebene Verfahren umgeformt werden. Der zylindrische Körper der Vorform 18 erhält an der Einlaufseite der Umformeinrichtungen eine Fase 32, deren Winkel 45 identisch ist mit dem Winkel der inneren Walzenlauffläche 17 zum Zentrum bzw. der Rotationsachse 46 des Umformeinrichtung 10 (siehe Fig. 1). Durch die Konizität der Anordnung der Wälzkörper 11 in der Umformeinrichtung 10 wird eine Zentrierung der Vorform 18 und eine gleichmäßige Materialfüllung der Verzahnung erreicht und eine tangentiale Druckund axiale Zugspannung in der Oberfläche des Werkstückes erzeugt. Eine Aussparung 47 am Innenradius verhindert die Ausbildung von Rissen durch die Herabsetzung der Kerbwirkung und die unnötige Verdrängung überschüssigen Materials.
In Fig. 5 ist ein Werkstück 48 nach der Verformung der Vorform 18 dargestellt. Durch den Umformvorgang kann beispielsweise eine schräge Innenverzahnung 53 hergestellt werden. Durch die Umformung wird das Werkstück 48 axial verlängert (vgl. die mit Bezugszeichen 49 bzw. 50 gekennzeichneten axialen Längen in den Fig. 4 und 5) und die Wanddicke (vgl. die mit Bezugszeichen 51 bzw. 52 gekennzeichneten axialen Wanddicken in den Fig. 4 und 5) verringert.
In den Fig. 6 und 7 ist die Vorrichtung 10 dargestellt, welches vorzugsweise für die Umformung verwendet wird und das sich nur geringfügig von demjenigen von Fig. 1 unterscheidet. Diese Einrichtung ist auf Basis eines Kegelrollenlagers aufgebaut. Ein solches Kegelrollenlager wird in der Weise verändert, daß zunächst sein Innenring entfernt wird. Die nun freiliegenden Wälzkörper 11 des Kegelrollenlagers werden anstatt durch einen üblichen Käfig des Kegelrollenlagers durch einen speziellen Käfig 13 gesichert, welcher einen ringförmigen Käfiggrundkörper 13a und einen Verschlußring 13b aufweist. In radiale, sich zum Werkstück hin verjüngende Nuten im Käfiggrundkörper 13a sind die Wälzkörper 11 eingesetzt. Während der Umformung werden die Wälzkörper 11 radial durch einen Laufring 14 und axial durch den Verschlußring 13b gehalten. Des weiteren wird dadurch die Position der Walzen fixiert und deren Verschiebung zueinander ausgeschlossen. Die Walzen selbst können in Abwandlung der Darstellung stirnseitige Zapfen (siehe Fig. 1), Profile oder Bohrungen aufweisen.
Der Verschlußring 13b wird während der Verformung durch die Federn 21 und das Nadellager 20 axial abgestützt. Die Federn 21 drücken dabei den Verschlußring 13b mit den Wälzkörpern 11 aus dem äußeren konischen Laufring 14 heraus und stellen dabei einen relativ großen Innendurchmesser 30 ein, wie er zum Herausfahren der Teile benötigt wird. Drückt bei der Umformung eine Vorform 18 in axialer Richtung auf die Wälzkörper 11 in dem Käfig 13, werden die Federn 21 zusammengedrückt und der Innendurchmesser 30 auf den wirksamen Innendurchmesser verkleinert, der zuvor durch eine Justierung in axialer Richtung eingestellt worden ist. Radial ist der Verschlußring 13b durch das Kugellager 19 abgestützt. Während der Umformung bewegen sich die Walzen in bzw. auf dem Außenring 14, wobei die Wälzkörper 11 planetenförmig umlaufen und dabei den Käfiggrundkörper 13a mit den daran angeschraubten Verschlußring 13b drehen. Für die Einformung einer Innenverzahnung finden vorzugsweise profilierte Walzen Anwendung.
Bei Abwandlung des Käfigs 13 ist auch die Verwendung von Kugeln, auch in Kombination mit Walzen, als Wälzkörper möglich. Hierbei können die eingesetzten Kugeln, die stirnseitig aus der Einlaufseite des Tragkörpers hervorragen, dazu benutzt werden, eine Ronde zu einer zylindrischen Vorform umzuformen, wobei die nachgeschalteten Walzen den zylindrischen Bereich der Vorform in derselben Aufspannung im Außendurchmesser reduzieren und auf ein Werkzeug mit Verzahnung aufwalzen.
In den Fig. 11 und 12 ist eine Vorrichtung 10 mit Kugeln 61 dargestellt, die in Form eines Schrägkugellagers in dem Käfig 13 angeordnet sind und sich an dem an die Kugeln 61 angepaßten Außenring 14 axial und radial abstützen.
Die Zahl der Walzen oder Kugeln, generell der Wälzkörper 11, hängt von den jeweiligen Verzahnungsgeometrien und von den zur Verformung notwendigen Kräften ab. Im vorliegenden Beispiel werden 14 Walzen verwendet. Damit wird einerseits das Ausbeulen des Werkstückes während der Fertigung weitestgehend vermieden, zum anderen wird eine ausreichende Zentrierung des Umformwerkzeuges 10 gewährleistet.
Während der Umformung drehen sich die Walzen in dem Tragkörper oder Käfig 13 um ihre eigene Achse und laufen planetenförmig um die Vorform 18. Als Alternative ist es möglich, das Umformwerkzeug 10 über den Außenring 14 bzw. das Gehäuse 15 mit den planetenförmig umlaufenden Wälzkörper 11 zu drehen, d.h. anzutreiben, um das Werkzeugfutter mit der Vorform 18 stillzusetzen.
Fig. 8 zeigt den Aufbau der Vorrichtung zum Einwalzen einer Verzahnung. Eine Vorform 18 wird beispielsweise in eine Drückwalzmaschine eingespannt und dabei über ein verzahntes Drückfutter 62 geschoben. Der Innendurchmesser der Vorform 18 entspricht dabei dem Außendurchmesser des Drückfutters 62. Die Vorform 18 wird an ihrem Boden zwischen den beiden Antriebsspindeln 63 und 64 der Drückwalzmaschine eingespannt. Eine Umformeinrichtung ist im hier dargestellten Fall auf einem Zylinder 65 der einen Antriebsspindel 63 (Reitstock) der Maschine befestigt. Ein Kolben 66 stützt sich auf der einen Seite 67 gegen eine Ölfüllung in einer Zylinderkammer 68 ab und spannt auf der anderen, gegenüberliegenden Seite 69 kraftschlüssig die Vorform 18.
Beim Einwalzen der Verzahnung dreht sich entweder nur das Werkstück bzw. die Vorform 18 mit einer vorgegebenen Drehzahl und die Umformeinrichtung steht still, oder die Vorrichtung 10 dreht sich und das Werkstück 18 steht still. In jedem Fall kommt es dadurch zu einer Eigendrehung und einem planetenförmigen Umlaufen der Wälzkörper 11. Die Drehzahl der Walzen 11 kann entsprechend der zu fertigenden Zähnezahl bzw. Außendurchmesser des Werkstückes durch Variation der Drehzahl von Werkstück oder Umformeinrichtung angepaßt werden.
Die Formgebung läuft wie in Fig. 9 dargestellt ab, wobei die Fig. 9.1 bis 9.4 die einzelnen Bearbeitungsschritte darstellen. Die Vorform 18 wird durch die Vorwärtsbewegung der einen Antriebsspindel (Hauptspindel) 64 in Richtung zur Umformeinrichtung 10 gefahren (Fig. 9.1). Dabei wird der Kolben 66 in den Zylinder 68 hineingedrückt. Am maximalen Innendurchmesser der Umformeinrichtung 10 berühren die Wälzkörper 11 zunächst den äußeren Radius der Vorform 18. Anschließend wird die Vorform 18 weiter in Richtung zur Umformeinrichtung 10 und in dieses hinein bewegt. Wie vorangehend beschrieben worden ist, drücken sich die Federn 21 in der Umformeinrichtung 10 zusammen und stellen so den wirksamen Innendurchmesser ein. Die rotierenden Wälzkörper 11 walzen dabei die Vorform 18 auf das außenverzahnte Drückfutter 62 auf (Fig. 9.2 und 9.3). Bedingt durch die Kegelform wird der wirksame Innendurchmesser der Umformeinrichtung 10 immer kleiner und das Material wird immer mehr in die Verzahnung gewalzt. Dabei bildet sich eine Innenverzahnung heraus, die im Negativ der Verzahnung des Drückfutters 62 entspricht. Die Vorform 18 wird dabei gelängt und die Wanddicke reduziert. Während des Einwalzens der Verzahnung kann die Drehrichtung des Werkstückes alternierend gewechselt werden. Der Zeitpunkt einer Richtungsumkehr ist abhängig von der jeweiligen Verzahnungsgeometrie und dem gewählten Vorschub. Mit der Richtungsumkehr wird die Richtung der tangentialen Verdrehung des Werkstückes 18 auf dem Drückfutter 62, wie sie bei konventionellen Drückwalzvorgängen auftritt, geändert. Nach der Verformung fährt die Spindel 64 wieder zurück und das jetzt innenverzahnte Werkstück 70 wird beispielsweise mit einem Abstreifer entfernt.
Nach der Formung der Innenverzahnung kann noch deren Kalibrierung notwendig sein, die auf verschiedene Arten ausgeführt werden kann:
  • 1. Durch einen konventionellen Drückwalzvorgang mit drei Drückwalzen wird das Material in die Verzahnung gewalzt und auf diese Weise maßlich kalibriert.
  • 2. Durch eine zweite Umformeinrichtung der beschriebenen Art mit einem geringeren Innendurchmesser wird das Material in die Verzahnung des Werkzeugfutters gewalzt. Dadurch wird die Verzahnung auf Endmaß geformt. Auf diese Weise können mit Stufenwerkzeugen in mehreren Schritten Verzahnungen gefertigt werden.
  • 3. Durch ein Nachstellen an der Umformeinrichtung selbst kann der bei der Umformung wirksame Innendurchmesser variiert werden. Über diese Einstellung wird der Innendurchmesser so eingestellt, daß lediglich ein zweiter Umformschritt mit der gleichen Umformeinrichtung notwendig ist, der dann zur Kalibrierung der Verzahnung dient.
    • Der Aufbau der Umformeinrichtung läßt sich grundsätzlich in drei Varianten unterscheiden:
  • 1. Die Umformeinrichtung 10 ist auf der einen Antriebsspindel 63 einer Drückwalzmaschine befestigt (Fig. 8). Die Vorform 18 wird zwischen die beiden Antriebsspindeln 63, 64 gespannt und anschließend durch die Umformeinrichtung 10 gefahren.
  • 2. Die Umformeinrichtung 10 ist an einer radial zustellbaren Vorschubeinrichtung 71 einer Drückwalzmaschine befestigt (Fig. 10). Zur Umformung bewegt diese die Umformeinrichtung 10 ins Zentrum der Drückwalzmaschine koaxial zu deren Rotationsachse 46. Die Reitstockspindel 64 fährt durch die Umformeinrichtung 10 und spannt die Vorform 18 auf dem Drückfutter 62. Als Einheit aus Hauptspindel 63 und Reitstock 64 fahren das Drückfutter 62, die Vorform 18 und eine Klemmplatte 73 drehend durch die Umformeinrichtung 10. Bei diesem Vorgang wird dann die Vorform 18 in das bearbeitete Werkstück umgeformt.
  • 3. Die Verzahnung wird durch eine Pressenoperation eingebracht (nicht dargestellt). Auf einem Pressentisch ist zentrisch zur Umformeinrichtung ein verzahntes, angetriebenes Werkzeugfutter befestigt, auf das eine Vorform geschoben wird. Eine auf dem Stößel der Presse befestigte Umformeinrichtung wird anschließend über die rotierende Vorform gefahren und die Innenverzahnung wird dabei geformt. Alternativ dazu kann ebenso die Umformeinrichtung angetrieben werden, so daß das Werkzeugfutter stillsteht. Durch den Einsatz von Folgewerkzeugen kann im gleichen Schritt die Vorform mit einer Verzahnung versehen werden.
    • Grundsätzlich kann vor oder nach dem Einwalzen einer Innenverzahnung noch ein konventioneller Drückwalzprozeß beispielsweise durch Anformung von Profilen oder Naben durchgeführt werden. Außerdem kann, wie in der DE 197 13 440 A1 beschrieben ist, eine Außenverzahnung hergestellt werden. Dazu wird ein Ziehring mit einer Innenverzahnung über das Werkstück hinweggezogen. Anschließend kann die auf diese Weise hergestellte Außenverzahnung mit einer Synchroeinheit gemäß DE 196 01 020 A1 kalibriert werden.
    Mit dem vorgestellten Verfahren können sehr effektiv Innengerad- oder Innenschrägverzahnungen reproduzierbar geformt werden, die über eine hohe Maßhaltigkeit verfügen. Die durch Einwalzen hergestellten Verzahnungen besitzen ein hohes Maß an Kaltverfestigung, wodurch ggfs. bei geeigneter Werkstoffwahl und Oberflächennachbehandlung eine nachfolgende Wärmebehandlung eingespart werden kann. Eine mechanische Nachbearbeitung der Oberfläche ist in der Regel nicht notwendig. Es lassen sich Werkstücke formen, die bisher spanlos nicht gefertigt werden konnten.
    Somit kann das Verfahren gemäß der Erfindung beispielsweise derart ausgeführt werden, daß
  • a) eine Vorform über ein außenverzahntes Werkzeug geschoben und gespannt wird,
  • b) ein um das Zentrum der Vorform mit planetenartig umlaufenden, sich um die eigene Achse drehenden Profilwalzen in kegeliger Anordnung aufgebautes Werkzeug verwendet wird,
  • c) das Material der Vorform bei gleichzeitiger Drehbewegung in die Verzahnung des Werkzeugfutters gewalzt und eine Innenverzahnung geformt wird,
  • d) mit selbstzentrierenden Walzen eine Lagerung der Walzen überflüssig wird, wobei die Walzen auf einem gemeinsamen Außenring abrollen,
  • e) der Außenring und die Kegelrollen eines standardgemäßen Kegelrollenlagers als Bestandteile des Umformwerkzeuges eingesetzt werden können,
  • f) in einem zweiten Arbeitsgang eine so hergestellte Verzahnung kalibriert werden kann,
  • g) sich innengerad- oder schrägverzahnte Werkstücke in einer Aufspannung spanlos fertigen lassen,
  • h) durch die Kombination mit anderen Umformvorgängen die Fertigung von Außenverzahnungen, zylindrischen Absätze und Naben in einer Aufspannung möglich sind, und
  • i) durch den Formgebungsprozeß der Werkstoff verfestigt und eine Biegebeanspruchung der Zähne des Werkzeuges weitestgehend vermieden wird.
    • In Fig. 13 ist eine weitere erfindungsgemäße Drückwalzvorrichtung 80 teilweise dargestellt. Eine topfförmige Vorform 18 ist zwischen einem Drückfutter 82 mit einer Außenverzahnung 81 und einem Reitstock 84 fest eingespannt. Zum Anformen der Vorform 18 an die Außenverzahnung 81 wird ein Umformeinrichtung 10 mit Wälzkörpern 11 verwendet, welche im wesentlichen den zuvor beschriebenen Umformeinrichtungen entspricht. Der Käfig 13 zur Lagerung der Wälzkörper 11 umfaßt axiale und radiale Gleitflächen ohne zusätzliche Lager im Gehäuse 15.
    Das Drückfutter 82 ist drehfest auf einem Deckel 87 angebracht, welcher an einem im wesentlichen rohrförmigen Hauptspindelstutzen 83 angeflanscht ist. Der über einen nicht dargestellten Antrieb in Rotation versetzbare Hauptspindelstutzen 83 weist in seinem inneren Hohlraum eine Spanneinrichtung 88 auf. Die Spanneinrichtung 88, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Tellerfederpaket ist, kann auch eine hydraulische Feder sein. Das Tellerfederpaket ist zwischen einem ringförmigen Anschlag 91 und einer in dem Hauptspindelstutzen 83 verschiebbaren Druckplatte 89 angeordnet. An der Druckplatte 89 sind mehrere Druckbolzen 90 befestigt, welche durch entsprechend ausgebildete Öffnungen den Deckel 87 durchdringen. Die Druckbolzen 90 kontaktieren eine Stirnseite eines hülsenförmigen Gegenhalters 85, welcher axial verschiebbar auf dem Drückfutter 82 gelagert ist. Der Gegenhalter 85 liegt mit seinem dem Druckbolzen 90 abgewandten Ende an einer Stirnseite am freien Ende der Vorform 18 an, um einer unerwünschten Längung der Vorform 18 beim Einformen der Innenverzahnung entgegenzuwirken.
    Der Verschiebeweg des Gegenhalters 85 auf dem Drückfutter 82 wird durch einen radial nach innen vorspringenden Absatz 86 an dem Gegenhalter 85 begrenzt, welcher in eine entsprechend ausgebildete Nut am Drückfutter 82 eingreift.
    Von der Spanneinrichtung 88 wird über die Druckplatte 89 und die Druckbolzen 90 auf den Gegenhalter 85 eine axiale Spannkraft in Richtung auf die Vorform 18 ausgeübt. Durch den Vorschubdruck kann bei sehr hohen Vorschüben eine Längung der dünnwandigen Vorform 18 reduziert oder ganz vermieden werden, so daß das Material in die Außenverzahnung 81 des Drückfutters 82 und nicht in die Längung hineinfließt. Das Zahnprofil der auszuformenden Innenverzahnung an der Vorform 18 kann so besser ausgefüllt werden. Durch den verschiebbaren und axial vorgespannten Gegenhalter 85 wird sichergestellt, daß mit fortschreitender Zahnfüllung der Gegenhalter durch ein überschüssiges Restmaterial zurückgeschoben werden kann. Dies reduziert die Belastung der Außenverzahnung 81 an dem Drückfutter 82 und verhindert so einen frühzeitigen Zahnbruch. Die Größe der Kraft des Gegenhalters 85 richtet sich nach dem Widerstand der umzuformenden Vorform 18. Für eine gleichmäßige Zahnausfüllung ist es bevorzugt, daß die Spanneinrichtung 88 einen konstanten Druck ausübt, wie dies beispielsweise durch ein Tellerfederpaket oder eine hydraulische Feder in einfacher Weise erreichbar ist. Um eine Umformung der Vorform 18 bis nahe an den Gegenhalter 85 zu erzielen, weist der hülsenförmige Gegenhalter 85 an seinem Ende eine Schräge 92 auf, deren Schrägungs- oder Kegelwinkel an den Winkel der konisch angeordneten Wälzkörper 11 angepaßt ist.
    In Fig. 14 ist eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, bei der ein ringförmiges Drückfutter 82a mit einer Innenverzahnung 94 vorgesehen ist. An dem Drückfutter 82a ist als Werkstück eine Vorform 18 mit einer Mittenöffnung eingespannt. Über einen nicht dargestellten Antrieb ist das Drückfutter 82a relativ zu einer Spindel 93 um eine Rotationsachse 46 drehbar. Mit einer axialen Relativbewegung zwischen dem Drückfutter 82a und der Spindel 93 wird die Umformung erreicht. Ein Ausstoßer 78 kann zur nicht dargestellten axialen Einspannung entsprechend der Art zu Fig. 13 und/oder zum Ausstoßen des fertigen Werkstücks benutzt werden. Der Ausstoßer 78 kann feststehend oder mitdrehend angeordnet sein.
    Zum Bilden eines Umformdorns ist eine Umformeinrichtung 95 an einer Spindel 93 mittels einer Spannplatte 96 angebracht. Die Umformeinrichtung 95 umfaßt einen Käfig 13 und einen radial innen liegenden konischen Laufring 14. Der Käfig 13 besteht aus einem Laufringgrundkörper 13a und einem Verschlußring 13b. In dem Käfiggrundkörper 13a sind taschenförmige Ausnehmungen vorgesehen, in welche kegelförmige Wälzkörper 11 eingelegt und durch den aufgeschraubten Verschlußring 13b axial gehalten sind. Die taschenförmigen Ausnehmungen verjüngen sich radial nach außen zum Werkstück hin. Die Wälzkörper 11 weisen jeweils eine Wälzkörperachse 9 auf, die zu der Rotationsachse 46 in einem spitzen Winkel steht. Mit dieser konischen Anordnung einer Vielzahl von Wälzkörpern 11 an dem Umformdorn ist es möglich, durch axiales Verfahren des Umformdornes in die Mittenöffnung der Vorform 18 diese radial nach außen gegen die Innenverzahnung 94 an dem Drückfutter 82a zu drücken. Hierdurch wird an dem Werkstück eine entsprechende Außenverzahnung ausgebildet.
    Eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Fig. 15 dargestellt, bei welcher die obere Hälfte einen Zustand zu Beginn des Umformens und die untere Hälfte einen Zustand gegen Ende des Umformens zeigt.
    An einem Drückfutter 82 mit einer Außenverzahnung 81 ist eine topfförmige Vorform 18 eingespannt und drehbar um die Rotationsachse 46 angetrieben. Die Vorform 18 wird durch axiales Zustellen des Reitstockes 84 festgespannt, an dem eine Umformeinrichtung mit einem ringförmigen Käfig 13 und darin gelagerten Wälzkörpern 11 angebracht ist. Die Wälzkörper 11 sind in dem Käfig 13 drehbar und in einer radialen Richtung zur Rotationsachse 46 verschiebbar in Ausnehmungen gelagert und axial fixiert. Weiterhin ist ein Laufring 14 mit einer konischen Abrollfläche 98 in einem nicht drehbaren Stellelement 97 angebracht, welches zum Reitstock 84 axial verschiebbar ist. Nach dem Spannen der Vorform 18 wird das Stellelement 97 etwa mit einem hydraulischen Kolben um einen Hub h in Richtung auf das Drückfutter 82 verschoben. Durch den konischen Abrollbereich 98 im Zusammenwirken mit der konischen Anordnung der Wälzkörper 11 ergibt sich ein Keilschiebermechanismus, durch welchen die Wälzkörper 11 radial nach innen geschoben werden und dabei die zylindrische Wandung der Vorform 18 in die Außenverzahnung 81 gedrückt wird. Auch hier kann, je nach gewünschter Betriebsart, Stellelement 97 feststehend und Drückfutter 82, mit Reitstock 84 und Vorform 18 drehend um Rotationsachse 46 oder Stellelement 97 um Rotationsachse 46 drehend und Drückfutter 82, mit Reitstock 84 und Vorform 18, feststehend angeordnet werden. In beiden Fällen dreht der Käfig 13 relativ zu Stellelement 97 und Drückfutter 82, so daß die Wälzkörper 11 planetenförmig die Rotationsachse 46 umkreisen.
    Eine andere Ausführungsform des in Fig. 15 gezeigten Prinzips ist Fig. 16 entnehmbar. In einem Käfig 13 sind zwei Wälzkörper 11 drehbar und radial verschiebbar gelagert, welche ein Außenprofil mit in Umfangsrichtung umlaufenden Nuten und Vorsprüngen aufweisen. Die Wälzkörper 11 sind in einfacher Weise in taschenförmige Ausnehmungen an einem Käfiggrundkörper 13a eingelegt und in diesen Ausnehmungen drehbar und verschiebbar gehalten und durch einen Verschlußring 13b axial lagefixiert. Des weiteren ist ein Stellelement 97 vorgesehen, das neben einer Verschiebebewegung in axialer Richtung auch die Funktion des Laufringes übernimmt. Hierzu ist ein konischer Abrollbereich 98 vorgesehen, an dem die Wälzkörper 11 abrollen.
    Die feststehende, axial verschiebbare Vorform 18 wird auf einen Formbereich 82b des Drückfutters 82 an einen feststehenden Dorn 79 geschoben. Der Dorn 79 ist auch axial fixiert. Das angetriebene und mittels Lager 100 drehbar und axial gelagerte Stellelement 97 erhält durch die axiale Verschiebebewegung im Bereich der konischen Laufflächen 98 Kontakt mit den konischen Laufflächen 98a der Wälzkörper 11.
    Die Wälzkörper 11 sind nach dem zuvor schon beschriebenen Prinzip gelagert:
    tangential:
    durch den Käfig 13 mit den radialen Nuten, bei denen eine kleinere Öffnung innen liegt;
    radial:
    durch die konischen Laufflächen 98a, nach außen begrenzt durch Kontakt mit den Laufflächen 98 des Stellelementes 97; nach innen kann eine Begrenzung 99 durch den Dorn 79 zur Fixierung des gewünschte Fertigdurchmessers des Profils'auf der Vorform 18 vorgenommen werden;
    axial:
    durch den Käfig 13 mit Verschlußring 13b.
    Die Fig. 16 zeigt die Situation der Ausführungsform nach durchgeführter Umformung, d.h., die Wälzkörper 11 haben Kontakt mit der Begrenzung 99 des Dornes 79 und der axiale Hub H des Stellelementes 97 ist ausgefahren. Zur Beschickung des Umformwerkzeuges wird das Stellelement 97 zurückgefahren, die Wälzkörper 11 haben keinen Kontakt mit Begrenzung 99. Sie stehen in Distanz zu dieser Begrenzung 99. Das fertige Werkstück wird durch die Wälzkörper 11 freigegeben. In dieser Position der Wälzkörper 11 kann die Vorform 18, welche ein Rohr ist, ersetzt werden. Die Vorform 18 wird in Position durch Spanneinrichtung am Drückfutter 82 gespannt. Sobald das angetriebene, drehende Stellelement 97 Kontakt im Bereich der konischen Laufflächen mit den axial fixierten Wälzkörpern 11 im Käfig 13 erhält, wälzen sich die Wälzkörper 11 auf den konischen Laufflächen 98 ab. Dabei dreht der Käfig 13 um die Rotationsachse 46, so daß die Wälzkörper 11 die im Zentrum der Rotationsachse 46, auf dem Zapfen 18a befindliche Vorform 18 planetenartig umkreisen. Dabei dreht sich der Käfig 13 ebenfalls um die Rotationsachse 46. Mit zunehmendem axialen Hub H des Stellelementes 97 werden die Wälzkörper 11, durch die Konizität der Lauffläche 98 im Stellelement 97 radial in Richtung Vorform 18 verschoben. Dabei werden die Wälzkörper 11 axial durch den Käfig 13 in Position gehalten.
    Für größere Werkstücke besteht, je nach gewünschter Betriebsart, die Möglichkeit, das Stellelement 97 radial festzusetzen und Dorn 84 mit Vorform 18 zu drehen. Aus der Spanneinrichtung am Drückfutter 82 wird dann ein mitlaufender Reitstock.
    Die in Fig. 16 dargestellte Vorrichtung ist im Maßstab 1:1 gezeigt. Hierdurch wird verdeutlicht, daß nach der Erfindung eine besonders einfache und damit auch sehr kompakte Anordnung zum Drückwalzen selbst kleiner Teile möglich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorform 18 ein Rohrstück, an dessen freiem Ende eine Anschlußbuchse eingeformt wird.

    Claims (24)

    1. Verfahren zum Drückwalzen, bei dem eine Vorform (18) an einem Drückfutter (82) mit einer Profilierung eingespannt und mittels mindestens einem Wälzkörper (11) umgeformt wird, wobei die Vorform (18) relativ zu dem Wälzkörper (11) um eine Rotationsachse (46) rotiert, und in die Profilierung des Drückfutters (82) eingeformt wird,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform (18) durch eine Vielzahl von kegeligen Wälzkörpern (11) umgeformt wird, welche ringartig um die Rotationsachse (46) angeordnet und in einem ringförmigen Käfig (13) jeweils drehbar gelagert sind, wobei die kegeligen Wälzkörper (11) Material der Vorform (18) radial in die Profilierung des Drückfutters (82) einformen.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform (18) beim Umformen in einer relativen Axialbewegung zu den ringartig angeordneten Wälzkörpern (11) bewegt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform (18) durch kegelige Wälzkörper (11) umgeformt wird, die zur Rotationsachse (46) der Vorform (18) in geneigter Anordnung in einem konischen Laufring (14) abrollen.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform (18) durch zueinander axial versetzt angeordnete Wälzkörper (11) umgeformt wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform (18) durch Wälzkörper (11) umgeformt wird, die in einer Umformeinrichtung (10) in zwei parallelen, zur Rotationsachse senkrechten Ebenen verteilt angeordnet sind.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
      dadurch gekennzeichnet, daß Wälzkörper (11) unterschiedlicher Formen in einer Umformeinrichtung (10) verwendet werden.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
      dadurch gekennzeichnet, daß durch kugelige Wälzkörper in einer ersten Bearbeitungsebene oder -bereich eine erste Umformung einer Vorform, z. B. einer Ronde, vorgenommen wird und daß durch kegelige Wälzkörper in einer nachgeordneten zweiten Bearbeitungsebene oder -bereich eine zweite Umformung der Vorform vorgenommen wird.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
      dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Positionierung der Wälzkörper (11) gegen eine Federkraft eingestellt wird.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
      dadurch gekennzeichnet, daß die relative Drehrichtung zwischen der Vorform (18) bzw. dem Drückfutter (82) und den Wälzkörpern (11) alternierend gewechselt wird.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
      dadurch gekennzeichnet, daß die relative Bewegung zwischen den Wälzkörpern (11) und der Vorform (18) durch Rotation eines Außenringes, in dem die Wälzkörper (11) abrollen, bei stillstehender Vorform (18), durch Rotation der Vorform (18) bei stillstehendem Außenring, oder durch eine Rotation des Außenringes und der Vorform (18) erzeugt wird.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
      dadurch gekennzeichnet, daß als Vorform (18) ein rotationssymmetrisches Blechwerkstück verwendet wird, welches an das Drückfutter (82) mittels der ringartig angeordneten Wälzkörper (11) angedrückt wird.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform (18) an einem zylindrischen Drückfutter (82) eingespannt wird, welches an seinem Außenumfang mit der Profilierung, insbesondere einer Außenverzahnung (81), versehen ist, und
      daß beim Umformen die Wälzkörper (11) ringartig um das Drückfutter (82) herum angeordnet sind, wobei die Vorform (18) durch die Wälzkörper (11) gegen den Außenumfang gedrückt und ein Innenprofil eingeformt wird.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform (18) eine Mittenöffnung aufweist und an einem ringförmigen Drückfutter (82a) mittig eingespannt wird, dessen Ringinnenseite mit der Profilierung, insbesondere einer Innenverzahnung (94), versehen ist, und
      daß zum Umformen in die Mittenöffnung der Vorform (18) ein Umformdorn axial zugestellt wird, an dem die Wälzkörper (11) ringartig angeordnet sind, wobei die Vorform (18) durch die Wälzkörper (11) gegen die Ringinnenseite des Drückfutters (82a) gedrückt und ein Außenprofil eingeformt wird.
    14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
      dadurch gekennzeichnet, daß beim Umformen die Wälzkörper (11) in dem Käfig (13) zumindest in einer radialen Richtung verschoben werden.
    15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß über das nach dem Umformen der Vorform erhaltene Werkstück ein Ziehring mit einem Innenzahnprofil zum Herstellen einer Außenverzahnung gezogen wird.
    16. Drückwalzvorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, mit
      einer Umformeinrichtung, welche mindestens einen Wälzkörper (11) aufweist,
      einem Drückfutter (82), mit einer Profilierung, an welchem eine Vorform (18) gehalten ist und welches zum Einformen der Vorform (18) in die Profilierung relativ zur Umformeinrichtung axial verschiebbar ist, und
      einem Antrieb zum Erzeugen einer Rotation der Vorform (18) relativ zur Umformeinrichtung,
      dadurch gekennzeichnet,
      daß die Umformeinrichtung einen ringförmigen Käfig (13) aufweist, in welchem eine Vielzahl von kegeligen Wälzkörpern (11) ringartig um eine Rotationsachse (46) angeordnet sind und
      daß die Wälzkörper (11) in dem Käfig (13) jeweils drehbar gelagert sind.
    17. Drückwalzvorrichtung nach Anspruch 16,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörperachse (9) zur Rotationsachse (46) in einem schrägen Winkel, insbesondere einem Winkel zwischen 10° und 60°, angeordnet sind.
    18. Drückwalzvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Umformeinrichtung einen Laufring (14) aufweist, an dem Wälzkörper (11) in einem Abrollbereich (98) anliegen und beim Umformen abrollen.
    19. Drückwalzvorrichtung nach Anspruch 18,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Abrollbereich (98) des Laufringes (14) konusförmig ist,
      daß die Wälzkörper (11) in dem Käfig (13) in einer radialen Richtung verschiebbar gelagert sind und
      daß zum radialen Verschieben der Wälzkörper (11) der Laufring (14) in einer axialen Richtung verstellbar ist.
    20. Drückwalzvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Drückfutter (82) zylindrisch ausgebildet ist und
      daß die Umformeinrichtung ringförmig ausgebildet ist, an deren Innenseite die Wälzkörper (11) vorstehen.
    21. Drückwalzvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Drückfutter (82a) ringförmig ist und
      daß die Umformeinrichtung als ein zylindrischer oder konischer Umformdorn ausgebildet ist, an dessen Außenseite die Wälzkörper (11) vorstehen.
    22. Drückwalzvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper (11) zur drehbaren Lagerung in taschenförmige Ausnehmungen in dem Käfig (13) eingelegt sind.
    23. Drückwalzvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper (11) mit einem Außenprofil versehen sind.
    24. Drückwalzvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Drückfutter (82) ein Gegenhalter (85) zum Kontaktieren einer Stirnseite der Vorform (18) angeordnet ist und
      daß der Gegenhalter (85) in Richtung auf die Vorform (18) vorgespannt ist.
    EP99101494A 1998-05-07 1999-01-27 Verfahren zum Drückwalzen und Drückwalzvorrichtung Expired - Lifetime EP0955110B1 (de)

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    DE19820470 1998-05-07
    DE19820470 1998-05-07
    DE19830816A DE19830816C2 (de) 1998-05-07 1998-07-09 Verfahren zum Drückwalzen und Drückwalzvorrichtung
    DE19830816 1998-07-09

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    Publication Number Publication Date
    EP0955110A2 EP0955110A2 (de) 1999-11-10
    EP0955110A3 EP0955110A3 (de) 2000-05-24
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