Verfahren zur Herstellung metallischer nicht-rotationssymmetrischer Ringe mit über den Umfang konstanter Wanddicke
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallischer nicht-rotationssymmetrischer Ringe mit über den Umfang konstanter Wanddicke, insbesondere Nockenringe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Im Zuge des Bestrebens, den spezifischen Spritverbrauch bei Automobilen und Nutz- fahrzeugen zu senken, wird auf mögliche Gewichtsreduzierungen des Fahrzeuges besonderer Wert gelegt. Eines der möglichen Einsparungspotentiale wird in der Nockenwelle gesehen. Ein erster Schritt war, die volle gegossene oder geschmiedete Nockenwelle durch eine Hohlwelle zu ersetzen, wobei die einzelnen Nockenringe auf die Hohlwelle geschoben und diese mit der Hohlwelle verbunden werden. Als Verbin- dungstechnik werden Aufschrumpfen, Löten oder Schweißen gewählt. In neuerer Zeit wurde versucht, das Innen-Hochdruck-Umformen (IHU) als Verbindungstechnik zu nutzen. Um neben dem Reibschluss auch einen Formschluss als Sicherung nutzen zu können, müssen die Ringe eine nicht-rotationssymmetrische Form aufweisen.
Nach dem Stand der Technik sind folgende bekannte Technologien zur Herstellung nicht-rotationssymmetrischer Ringe einsetzbar. Bei einem ersten Verfahren wird ein warmgewalztes dickwandiges Rohr als Ausgangsmaterial eingesetzt. Das dickwandige Rohr wird als Stange in einen Mehrspindler mit Stangenlader eingesetzt, wo aus der dicken Wand durch CNC-Drehen und -Fräsen die gewünschte nicht-rotationssymmetri- sehe Form herausgearbeitet wird. Die fertig gedrehten bzw. gefrästen nicht-rotationssymmetrischen Ringe werden abschließend gehärtet und angelassen. Nachteil dieser Verfahrensweise ist der hohe Materialeinsatz (< 30% Ausbringen) und der hohe Aufwand bei der CNC-Dreh- und -Fräsbearbeitung.
Bei einem anderen Verfahren wird ein Profilrohr eingesetzt, dessen Querschnittsform der gewünschten Endform sehr nahe kommt. Von diesem Profilrohr werden Abschnitte abgetrennt und die Fasen an den Stirnseiten entweder durch einen separaten Drehvorgang oder durch Trommeln angebracht. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die hohen Material-Einsatzkosten für das gezogene Profilrohr und die geringe Taktzeit beim Abtrennen der Abschnitte sowie der Zusatzaufwand für das Anarbeiten der Fasen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung nicht-rotationssymmetri- scher Ringe mit über den Umfang konstanter Wanddicke, insbesondere Nockenringe anzugeben, das mit geringerem Materialeinsatz und kürzeren Taktzeiten im Vergleich zum bekannten Stand der Technik auskommt.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnen- den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung werden vom Rohr gleich breite Rohringe abgetrennt und diese allseits mechanisch bearbeitet. Anschließend wird durch eine ein- oder zweistu- fige Kaltumformung die von der Rotationssymmetrie abweichende Form hergestellt. Dabei muss sichergestellt werden, dass das Rohr bzw. der abgetrennte Rohring ein Gefüge aufweist, das eine Kaltumformung ohne Anrisse zulässt. Unter Beachtung der Flächenkonstanz auf der Basis der Querschnittsfläche des fertigen nicht-rotationssymmetrischen Ringes wird ein Optimum bezüglich des Außen- und Innendurchmessers des bearbeiteten Kreisringes angestrebt.
Das vorgeschlagene Verfahren hat den Vorteil, dass der Materialeinsatz gering und das Ausbringen hoch ist. Noch durchschlagender ist der Effekt, dass für die mechanische Bearbeitung der Ringe einschließlich des Anarbeitens der Fasen nur kurze Takt- zeiten benötigt werden. Auch die abschließende Kaltumformung ist in kurzer Taktfolge möglich. Das Trennen ist dann besonders produktiv, wenn das Rohr kontinuierlich warm abgetrennt wird. Bezüglich des Warmabtrennens als auch der mechanischen Bearbeitung der abgetrennten Ringe wird am Beispiel der Herstellung von Wälzlagerringen auf die WO 99/07495 verwiesen. Die für die Kreisringe erforderlichen Drehope- rationen reduzieren sich auf wenige Schritte, da die Herstellung der aufwendigen Ril-
lenkontur der Wälzlagerringe entfällt. Für die Kaltumformung wird vorzugsweise ein Prägen mittels zweier Formbacken in waagerechter Anordnung vorgeschlagen. Dieses Verfahren ist leicht automatisierbar und mit geringen Taktzeiten ausführbar bei nur geringen Werkzeugkosten.
Alternativ ist die Kaltumformung vom Kreisring zum nicht-rotationssymmetrischen Ring auch mittels einer Formmatrize oder eines Prägedorns möglich. Im ersteren Fall werden die Kreisringe durch die Matrize gedrückt, im zweiten Fall über den Prägedom geschoben. Die erforderlichen Umformkräfte sind höher, da die beim Drücken bzw. Schieben zu überwindenden Reibungskräfte nicht unerheblich sind.
Im Regelfall ist eine einstufige Kaltumformung für viele Anwendungen ausreichend. Bei sehr eingeengten Toleranzforderungen, d.h. geringes Schleifaufmaß ist eventuell eine zweistufige Kaltumformung erforderlich. Beispielsweise würde dem bereits beschriebe- nen Prägen als erste Kaltumformstufe ein Nachkalibrieren als zweite Stufe nachgeschaltet. Dabei ist das Werkzeug um 90° versetzt geteilt und das Kalibrieren auf die Radien gerichtet.
Auch das bekannte Innenhochdruckumformverfahren (IHU) kann für die gewünschte Kaltumformung genutzt werden. Dazu werden in einem schließbaren Gesenk mehrere Kreisringe nebeneinander angeordnet und über einen Hochdruckanschluss in die gewünschte Form von innen her gepresst.
Der bekannte Wälzlagerstahl, insbesondere 100Cr6 hat sich in der Wälzlagerindustrie bestens bewährt. Da der Abrollvorgang Nocke-Kipphebel mit Rolle beim Verbrennungsmotor etwa der Beanspruchung eines Wälzlagers entspricht, bietet sich der Einsatz des bekannten Wälzlagerstahles auch für diesen Verwendungszweck an. In bekannter vorteilhafter Weise wird ein geregelt endgewalztes Rohr eingesetzt, das ein Gefüge aufweist, welches dem auf kugeligen Zementit geglühten Gefüge (GKZ) ähn- lieh ist (DE 19513314 A1). Der Einsatz eines solchen geregelt endgewalzten Rohres hat den Vorteil, dass auf die aufwendige GKZ-Glühung und auf eine Adjustieren verzichtet werden kann, da das anschließende Warmabtrennen ein Adjustieren und Richten des warmgewalzten Rohres nicht erfordert. Die geringe Härte im Bereich von 230 - 250 HB nach dem Warmabtrennen ermöglicht eine Kaltumformung mit geringem Druck, so dass der Auffederungseffekt klein ist.
Bei besonderen Anforderungen kann es zweckmäßig sein, zur Vermeidung kleinster Mikroanrisse im Zuge der Kaltverformung nach dem Warmabtrennen die Rohringe einer Glühung auf kugeligem Zementit (GKZ) zu unterwerfen. Alternativ kann vorab das Rohr einer solchen Glühung unterzogen werden, bevor es abgetrennt wird.
Als weitere Maßnahme zur Vermeidung von Mikroanrissen wird vorgeschlagen, nach der Kaltumformung und vor dem Härten die nichtrotationssymmetrischen Ringe einer Rekristallisationsglühung zu unterwerfen.
Zur Durchführung der Kaltumformung wird ein Formwerkzeug mit zwei Backen vorgeschlagen, wobei die Innenkontur der einen Backe etwa einem Halbkreis und die Innenkontur der damit zusammenwirkenden zweiten Backe in etwa einem Trapez entspricht. Die Höhe des Trapezes ist größer als der Radius des Halbkreises der ersten Backe. Diese vorgeschlagene Form der Backen hat den Zweck, dass in dem Bereich, in dem die von der Kreisform abweichende Kontur angeformt werden soll, an bestimmten Stellen in der Backenkontur Freiräume verbleiben und somit kein schädlicher Zwang auf das Werkstück ausgeübt wird. Diese Zwänge können zu inneren Spannungen führen, die beim Härten und Anlassen den Verzug negativ beeinflussen. Da die Spannungs- große bei jedem Ring anders ausfällt, können die Toleranzvorgaben nur schwer eingehalten werden.
Die Trapezkontur der zweiten Backe ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene kürzere Seite schwach konvex gekrümmt ist und die beiden Schenkel in einem Radiusabschnitt übergehen, dessen Radius etwas kleiner ist, als der Radius der Innenkontur der ersten Backe.
Um Spannungsspitzen im Kantenbereich der Backen abzubauen, sind beide Backen im Bereich der Trennstelle mit je einer abgerundeten Fase versehen.
Je nach Wanddicke kann es vorteilhaft sein, die Formbacken so zu konstruieren, dass die Höhe des Trapezes entweder senkrecht oder parallel zur Trenπstelle der Formbacken liegt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in einer Abfolge von wesentlichen Verfahrensschritten dargestellten Ausführungsbeispieles.
Es zeigen:
Figur 1 in schematischer Form die möglichen Fertigungswege zur Herstellung nichtrotationssymmetrischer Ringe, insbesondere Nockenringe
Figur 2 Darstellung des Ausgangsrohres Figur 3 schematisch das Warmabtrennen
Figur 4 die allseitige mechanische Bearbeitung
Figur 5 das Prägen zum Nockenring
Figur 6 a, b Vorderansicht und Draufsicht einer Backe eines Formwerkzeuges
Figur 7 a, b Vorderansicht und Draufsicht der zweiten Backe eines Formwerkzeuges Figur 8 das Detail X in Fig.7b
In Figur 1 sind die erfindungsgemäß möglichen Fertigungswege zur Herstellung nichtrotationssymmetrischer Ringe, insbesondere Nockenringe schematisch dargestellt.
Ausgangspunkt ist ein warmgefertigtes Rohr aus einem Wälzlagerstahl, insbesondere 100 Cr 6, das wahlweise geregelt endgewalzt (linke Seite) oder nach dem Walzen auf kugeligem Zementit geglüht (GKZ) worden ist. Das Abtrennen kann ein Warmabtrennen oder ein Kaltsägen sein. Die so gefertigten Rohringe werden allseitig mechanisch bearbeitet, wobei im Falle des Warmabtrennens vor der mechanischen Bearbeitung auch eine Glühung der abgetrennten Rohringe auf kugeligem Zementit (GKZ) als Option vorgesehen ist. Die so gefertigten Rohlinge bilden das Ausgangsprodukt für die nichtrotationssymmetrischen Ringe. Durch eine prägende Kaltumformung werden die Kreisringe in die gewünschte Form beispielsweise in die Form eines Nockenringes ge- presst. Die Nockenringe werden als Schlussbehandlung gehärtet und danach angelassen, um die gewünschte Endfestigkeit bzw. Härte zu erhalten. Optional ist vorgesehen, die Nockenringe nach der Kaltumformung und vor der Schlussbehandlung rekristallisierend zu glühen.
In den Figuren 2-5 sind für ein konkretes Beispiel die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Nockenringes dargestellt. Gemäß Figur 2 wird als Ausgangsmaterial ein geregelt endgewalztes warmfertiges Rohr 1 aus einem Wälzlagerstahl, insbesondere 100 Cr 6 ex Kühlbett, d. h. nicht adjustiert und ungerichtet einer Warm- trennanlage zugeführt. Der Außendurchmesser 2 des Rohres 1 beträgt für dieses Ausführungsbeispiel 39,6 mm mit einer Wanddicke 3 von 5,25 mm. Die Anlieferungslänge liegt bei sechs Meter.
In der Warmtrennanlage wird das Rohr 1 auf 720°C vorgewärmt und mittels dreier achsparallef um 120° versetzt angeordneter Schneidwalzen 7 vom Rohr 1 kontinuierlich Rohringe 4 warm abgetrennt (Fig. 3). Der Außendurchmesser 6 des Rohringes 4 beträgt 39,55 mm und die Breite 5 ca. 9,5 mm. Die Härte liegt bei etwa HB 240. Die mechanische Bearbeitung des Rohringes 4 erfolgt in einer mehrstufigen Bearbeitungsstation, bei der das zu bearbeitende Werkstück taktweise im Kreis transportiert wird (Fig.4). In diesem Ausführungsbeispiel ist die mechanische Bearbeitung ein CNC-Dre- hen in zwei Einspannungen. Mit zwei Werkzeugen 8.1, 8.2 werden die beiden Stirnflächen und mit einem weiteren Werkzeug 9 die Innenkontur bearbeitet und die Fasen angearbeitet. Nach dem Umspannen auf einen Spanndorn wird mit einem weiteren Werkzeug 10 die Mantelfläche bearbeitet. Nach dieser mechanischen Bearbeitung weist der Kreisring 11 einen Außendurchmesser 12 von 38,45 mm und eine Wanddicke 13 von 4,07 mm auf. Die Breite 14 beträgt 8,2 mm.
Die hier angewendete Kaltumformung, um aus dem Kreisring 11 einen Nockenring 17 zu formen, ist ein Prägen mittels zweier Formbacken 15.1, 15.2 bzw. 15.1', 15.2' (Fig. 5). Wahlweise liegt die Teilungsebene senkrecht (linke Hälfte) oder parallel
(rechte Hälfte) zur Mitte der höchsten Abmessung des herzustellenden Nockenringes 17. Die Innenkontur 16 bzw. 16' der Formbacken 15.1, 15.2 bzw. 15.1', 15.2' ist so gewählt, dass unter Berücksichtigung der elastischen Auffederung als auch der Maßänderung nach dem Härten und Anlassen die angestrebte Endform möglichst genau er- reicht wird.
Nach dem Prägen weist der Nockenring 17 eine Höhe 18 von 40,8 mm, eine Wanddicke 19 von 4,07 mm und eine Breite 20 von 8.2 mm auf. Der obere kleinere Radius 21 beträgt 14,06 mm und der untere große Radius 22 beträgt 18,24 mm.
In den Figuren 6 a, b und 7 a, b sind in einer Vorder- und Draufsicht die Formbacken 15.1 , 15.2 des Formwerkzeuges dargestellt. Die Teilungsebene liegt senkrecht zur Höhe 18 des Nockenringes 16 (Fig. 5). Charakteristisch ist, dass die hier unten dargestellte erste Formbacke 15.1 eine Innenkontur 16.1 aufweist, die einem Halbkreis ent- spricht. Die zweite damit zusammenwirkende Formbacke 15.2 zeigt dagegen eine Innenkontur 16.2, die einem Trapez ähnelt, wobei die offene lange Seite 24 des Trapezes der offenen Seite 25 der ersten Formbacke 15.1 zugewandt ist. Die kürzere Seite 26 des Trapezes ist vorzugsweise schwach konvex gekrümmt mit einem Radius 1 ,5 x kleinem Radius 21. An diese kurze Seite 26 schließen sich zwei kurze gerade Abschnitte 23, 23' an, die dann abgerundet übergehen in einen Radiusabschnitt 27, 27'. Wesentlich ist, dass der Radius dieses Radiusabschnittes 27, 27' größer ist, als der Radius des Halbkreises der ersten Formbacke 15.1. Zum Abbau der Spannungsspitzen im Kantenbereich 28, 28' sind diese besonders ausgestaltet wie das Detail X in Fig. 8 zeigt. An den gekrümmten Abschnitten des Halbkreises mit dem Radius R, schließt sich der abgerundete Kantenbereich 28, 28' an, der dann übergeht in die Stirnseite 30 der Formbacke 15.1. Die Übergänge sind durch ineinander übergehende Abrundungen mit den Radien r-j; X2 gekennzeichnet.
Bezugszeichenliste