TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen oder Bearbeiten von Werkstücken aus einer Vorform, insbesondere zum Anformen von Innenprofilen oder Innenverzahnungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren.

STAND DER TECHNIK

Eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in EP 1 004 373 Bl beschrieben. Entsprechende Vorrichtungen werden eingesetzt, um an ein Werkstück, insbesondere Ringe für Planetengetriebe, eine Innenverzahnung anzuformen. Dabei wird durch Ansetzen von Drückwalzen an der Vorform Material aus derselben gegen die Negativform des Drückfutters verdrängt . Die dabei wirkenden Kräfte wirken auf die Außenverzahnungen des Drückfutters, so dass diese brechen können. Im Stand der Technik wird daher vorgeschlagen, einen Distanzring aus verformbarem Material beabstandet vom freien Ende des Drückfutters vorzusehen. Der verformbare Distanzring passt sich beim Umformprozess an das Außenprofil des Drückfutters an. Der Distanzring nimmt also die beim Umformen der Vorform entstehenden Kräfte wenigstens teilweise auf. Nachteilig ist hier, dass immer ein Distanzring und eine Passfeder erforderlich sind, was die Anordnung verkompliziert. Zudem entstehen hohe Umformtemperaturen, die die zum Umformen und Herstellen eines Werkstücks benötigte Zeit deutlich anheben.

DIE ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass die erwähnten Nachteile nicht auftreten.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß ist das Futter nicht nur zusammen mit dem Dorn verschieblich, sondern auch radial, d.h. parallel zur oder identisch mit der Längsachse der erfindungsgemäßen Vorrichtung, drehbar gelagert. Durch den Materialfluss des durch Drücken aus der Vorform fließenden Materials fließt dies aufgrund der Rotation des Dornes nicht nur axial, son- dern der Materialfluss erhält auch eine Radial- bzw. Tan- gentialkomponente . Durch die Drehbarkeit des Futters führen die radial auf das Futter wirkenden, durch verdrängtes Material hervorgerufenen Kräfte nicht zu einer Überbeanspruchung des Futters (und ggf. darauf angebrachter Zähne), sondern dazu, dass sich das Futter in Richtung der ausgeüb- ten Kräfte bewegt . So kann das Futter bei zu hohem Druck immer nachgeben, so dass Beschädigungen, wie etwa das Abbrechen von Zähnen, vermieden werden. Zudem hat sich gezeigt, dass aufgrund der Erfindung die Reibung in radialer Richtung des Dornes wesentlich reduziert wird und so wesentlich geringere Umformtemperaturen entstehen als bei herkömmlichen Verfahren, so dass die Umformung wesentlich schneller durchgeführt und mehr Werkstücke pro Zeit fertig gestellt werden können.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSABBILDUNG

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen der Figuren 1 bis 13B schematisch näher erläutert.

Figur 1 - zeigt eine Ansicht durch die erfindungsgemäße Vorrichtung im Längsschnitt beim Aufspannen der Vorform, Figur 2 - zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung mit eingespannter Vorform,

Figur 3 - zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung unmittelbar vor dem Umformen,

Figur 4 - zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung mit teilweise bearbeiteter Vorform,

Figur 5 - zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung am

Ende des Umformvorganges,

Figur 6 - zeigt die erfindungsgemäße Vorform bei der Entnahme des fertigen, aus der Vorform her- gestellten Werkstücks, Figur 7 - zeigt eine Vorform,

Figur 8 - zeigt eine teilweise umgeformte Vorform, Figur 9 - zeigt das Werkstück nach dem Umformvorgang, Figur 10 - zeigt einen Querschnitt parallel zur Ma- schinenquerachse z (links) durch einen Teil der Vorform und der Umformeinrichtung entlang einer Schnittlinie B-B und einen Schnitt längs der Maschinenlängsachse x (rechts) , Figur 11 - zeigt einen Querschnitt parallel zur Maschinenquerachse z (links) durch einen Teil der Vorform und der Umformeinrichtung entlang einer Schnittlinie A-A und einen Schnitt längs der Maschinenlängsachse x (rechts) ,

Figuren 12 (A) und (B) - zeigen schematisch die radiale bzw. axiale Bewegung/Verformung eines Materialvolumens im in Figur 10 gezeigten Bereich, Figuren 13 (A) und (B) - zeigen schematisch die radiale bzw. axiale Bewegung/Verformung eines Materialvolumens im in Figur 11 gezeigten Bereich.

BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die in den Figuren 1 bis 6 dargestellte erfindungsgemäße

Vorrichtung weist einen Hauptspindelkasten 1 mit einem Spindelantrieb auf. An der Hauptspindel ist eine Werkzeug- einrichtung Ic angeflanscht, die aus einem stirnverzahnten Mitnehmerelement Id mit einer Aufnahmebohrung für Futter Ib und Dorn Ia ausgestattet ist.

Mit der Hauptspindel verbunden ist ein verschiebbarer Dorn Ia, der in Richtung der Maschinen- bzw. Längsachse x (axial) verschieblich gelagert ist. Relativ hierzu wird die Richtung senkrecht zur Zeichenebene und senkrecht zur Maschinenlängsachse x auch als Maschinenquerachse z bezeichnet. Der verschiebbare Dorn Ia wird im Regelfall axial durch einen (nicht dargestellten) Hydraulikzylinder betätigt. Am Ende des Dorns Ia, welches einer an einem Reitstock 2 vorgesehenen Pinole 2a zugewandt ist, befindet sich ein Profil Ia ^λ , in dem die Werkzeugspanneinrichtung 2a ^x der Pinole 2a einrasten kann. Dadurch wird die Vorform 4.1 im Verbund aus Pinole 2a und Dorn Ia axial und radial fixiert und gespannt, so dass eine Einheit entsteht, die axial verschoben und radial um die Maschinenlängsachse x gedreht werden kann.

Relativ zur Vorform 4.1 kann sich in dieser Situation das Futter Ib drehen, sofern es durch eine von außen wirkende Kraft beaufschlagt wird, wie es u.a. der Fall ist, wenn das Futter Ib Schrägverzahnungen Ie (vgl, Figuren 10 und 11) aufweist .

Das am Außendurchmesser mit einem Negativprofil Ib des zu formenden Innenprofils 4a ausgestattete Futter Ib ist auf dem verschiebbaren Dorn Ia axial fixiert und drehbar angebracht. An der der Vorform 4.1 zugewandten Seite des Fut- ters Ib kann, sofern es erforderlich ist, stirnseitig eine Verzahnung angebracht werden, die dann durch den axialen Druck über den Dorn Ib (etwa durch einen Hydraulikzylinder) gegen die Wandung 4b (vgl. Figuren 7, 8 und 9) der Vorfortn 4.1 gepresst wird.

Die Umformeinheit 3 ist axial verfahrbar im Zentrum der Maschinenlängsachse x angeordnet, die von den Wälzkörpern 3a und einem Käfig 3c umlaufen wird. Dabei umlaufen die Wälz- körper 3a, in ihrem Käfig 3c geführt, bei Kontakt mit der Vorform 4.1 diese planetenförmig, d.h., die Wälzkörper 3a umkreisen während des Umformvorganges mit dem Käfig 3c die Vorform 4.1, 4.2, welche sich um die bzw. parallel zur Maschinenlängsachse x dreht .

Die Wälzkörper bzw. Umformwalzen 3a sind bevorzugt als Wälzkörper mit kegliger Oberfläche 3a' ausgebildet, deren kleinerer Durchmesser mit einem dem Umformprozess angepass- ten Radius und einer Auslaufschräge 3a" versehen ist. Alle Wälzkörper 3a sind in dem umlaufenden Käfig 3c gehalten. Der Käfig 3c ist zentriert in einem Gehäuse 3b gelagert, welches über eine axiale Stellvorrichtung 3d, in dem gezeigten Beispiel in Form eines Hydraulikzylinders, axial in einer vorgegebenen Position gehalten ist. Mit dieser axialen Positionierung können zu formende Außendurchmesser der Vorform durch die umlaufenden Wälzkörper 3a in einem festgelegten Durchmesserbereich eingestellt werden, so dass verschiedene Durchmesser in einer Vorform 4.1 geformt werden können . Nach erfolgter Umformung wird der Käfig 3c entgegen der Umformrichtung durch die Stellvorrichtung 3d verschoben, so dass die Wälzkörper 3a auf einen größeren Umformdurchmesser eingestellt werden, damit sie, beim Zurückfahren der Um- formeinheit 3 in die Ausgangsposition (Figur 1 und Figur 6), das geformte Werkstück 4.2 im Durchmesser nicht beeinträchtigen. Zur Wärmeabfuhr und Schmierung der Umformeinheit 3 sind im Bereich zwischen Gehäuse 3b der Wälzkörper 3a und dem Käfig 3c bevorzugt Kühlmitteleinlässe angeord- net, damit während der Umformung die Umformeinheit 3 mit einem Kühl- und Schmiermittel durchspült werden kann.

Der Reitstock 2 (in den Figuren 1 bis 6 nur durch einen die Pinole 2a umfassenden Endbereich angedeutet) mit der Pinole 2a und der Werkzeugspanneinrichtung 2a ^λ sind ebenso im Zentrum der Maschinenlängsachse x angeordnet . Der Spannvorgang des Werkstückes läuft dabei wie folgt ab:

Die Vorform 4.1 wird auf den vorgefahrenen Dorn Ia der Hauptspindelseite aufgeschoben. Die Pinole 2a des Reitstocks 2 fährt in Ladeposition, Figur 1. Dabei wird die Spannzange 2a' durch einen Hydraulikzylinder ausgefahren, so dass das Profil Ia', welches im verschiebbaren Dorn Ia eingearbeitet ist, sich im Bereich der Spannzange 2a ^λ be- findet. Mit der weiter vorfahrenden Pinole 2a schließt synchron die Spannzange 2a*, so dass die Vorform 4.1 über den Dorn Ia mit dem Futter Ib gegen die Kontaktfläche eines Anpressringes 2a" der Pinole 2a gedrückt wird. Es bildet sich eine geschlossene Einheit aus Pinole 2a, Dorn Ia, Vorform 4.1 und Futter Ib, Figur 2. Dabei ist die der Hauptspindelseite zugewandte Fläche der

Vorform frei, so dass diese Einheit durch die Pinole 2a so lange vorfährt, bis diese Fläche von der stirnverzahnten Mitnehmereinheit Id, Ic der Hauptspindel axial blockiert und somit durch einen hohen Druck gespannt wird. Dieser

Druck muss so groß sein, dass die Vorform 4.1 durch die

Mitnehmereinheit Id, Ic während der Rotation bei der durch die Umformung auf die Vorform 4.1 wirkende Belastung mit- gedreht wird.

Im Einzelnen erfolgt der Ablauf der Verformung wie folgt : Nachdem die Vorform 4.1 eingespannt ist, fährt die Einheit in Richtung Mitnehmer Id der Hauptspindel, so dass die Vor- form 4.1 bei Kontakt mit dem Mitnehmer Id gegen diesen ge- presst wird.

Nach Einschalten der Hauptspindel drehen sich Mitnehmer Id und die Einheit aus Pinole 2a, Dorn Ia, Vorform 4.1 und Futter Ib, so dass die Umformeinheit axial bis zum Kontakt der Wälzkörper 3a mit der Vorform 4.1 vorfahren kann, Figur 3. Durch den Kontakt zur Vorform 4.1 stellen sich die Wälzkörper 3a selbstätig in Position und umlaufen in ihrem Käfig 3c die Vorform 4.1 planetenförmig. Mit zunehmendem Vor- schubdruck wird durch die Wälzkörper 3a der Werkstoff der Vorform 4.1 im Kontaktbereich mit den Wälzkörpern 3a plas- tifiziert und drängt in die Freiräume zwischen Vorform 4.1, 4.2 und Futter Ib ein, Figur 4, Figur 10 und Figur 11. Dabei laufen zeitgleich mehrere Verformungsabläufe ab, welche nun anhand eines fiktiven Werkstoffpartikels erklärt werden.

Die angenommene Lage der Partikel ist jeweils in den Schnitten A-A und B-B sowie in zugehörigen Querschnitten der Figuren 12 bzw. 13 gezeigt.

Die einzelnen Zustände des Werkstoffpartikels, dessen VoIu- men im Ausgangszustand wx * wy * wz beträgt, wobei wx, wy, wz die Ausdehnung des Partikels in den drei kartesischen Raumrichtungen angeben, seien dabei wie folgt definiert:

1.0 angenommener Werkstoffpartikel wx * wz * wy 1.1 Verformung des Partikels in der Ebene x,y von wx * wy zu Wx ₁ * wyi in radialer und tangentialer Richtung bei Drehung des Wälzkörpers 3a um den Winkel Δα

1.1.2 Verformung des Partikels in der x, z-Ebene von wx * wz zu Wx ₂ * Wz ₂ in axialer Richtung im Bereich des Wälzkörpers 3a bei Axialvorschub Δz im Bereich der Schrägung des Wälzkörpers 3a.

1.1.3 Verformung des Partikels Wx ₁ *wz ₂ zu wx ₃ * wz ₃ in axialer Richtung im Bereich des Wälzkörpers 3a. 1.1.4 Verformung des Partikels wx ₃ * wz ₃ zu sx ₄ *sz ₄ in axialer Richtung nach Verlassen des Wälzkörperbereiches.

1.1.5 Verformung des Partikels sx ₄ *sy ₄ in radialer und tangentialer Richtung bei Drehung des Wälzkörpers 3a um den Winkel Δα. Bei dieser Umformung geschieht Folgendes: Die umlaufenden Wälzkörper 3a plastifizieren im Kontaktbereich mit der Vorform 4.1 den Werkstoff in tangentialer, radialer und axia- ler Richtung bei gleichzeitigem axialem Vorschub in Richtung Mitnehmer Id der Hauptspindel.

Der Kontaktbereich der Wälzkörper 3a mit der Vorform 4.1 bildet eine Umformzone U, vgl . Figuren 12 und 13. In dieser Umformzone U dringt der plastifizierte Werkstoff in den Freiraum zwischen Vorform 4.1 und Futter Ib ein, füllt das Profil Ie im Futter Ib aus, Figur 10. Der Werkstoff stützt sich dabei am axial blockierten Bereich der Vorform 4.2 zwischen Umformzone U und Mitnehmer Id ab. Dadurch ver- schiebt der überflüssige Werkstoff axial die freibewegliche, gekoppelte Einheit, die aus Dorn Ia, Futter Ib, Spanneinrichtung 2a ^λ , Pinole 2a und dem Bereich der Vorform 4.2, der außerhalb und hinter der Umformzone U liegt.

Die sich dabei bildende, axiale Länge Δs mit dem neugeformten Außendurchmesser bewegt sich in Richtung Reitstock 2. Sie ergibt sich aus dem Restvolumen mit dem neugeformten Querschnitt, welches vom verdrängten Volumen, abzüglich des in den Freiraum eingedrungenen Volumens übrig geblieben ist.

Im Bereich der Umformzone U verdrängen die Wälzkörper 3a den Werkstoff in radialer und tangentialer Richtung. Es kommt daher innerhalb der Vorform 4.2 im Bereich der Um- formzone U zu einer Verdrehung des Werkstoffes gegenüber dem durch die Mitnehmer Id gehaltenen Teil der Vorform 4.2 außerhalb der Umformzone U, weil durch die radiale Reduzierung des Außendurchmessers während der Umformung die Werkstoffmenge auf einem kleineren Außendurchmesser untergeb- rächt werden muss. Daraus resultiert eine überlagerte Relativdrehung des Werkstoffes zur eigentlichen Drehung der Vorform 4.2. Dabei ist die Größe des Verdrehwinkels der Relativdrehung abhängig von der Reduktion des Werkstückquerschnittes. Es muss sich somit der Bereich der Vorform 4.2 verdrehen, der zwischen der Pinole 2a und der Umformzone U in Vorform liegt.

Ist der Dorn Ia, auf dem die Vorform 4.2 abgestreckt wird, drehfest mit dem Mitnehmer Id der Hauptspindel verbunden, muss sich der Werkstoff relativ in tangentialer Richtung auf den sich drehenden Dorn Ia verdrehen. Befindet sich auf dem Dorn Ia eine radiale Profilierung (wie z.B. die Profilierung Ic auf dem Futter Ib) , so kommt es zu ansteigenden Verdrehspannungen innerhalb des Profils Ic bis zu dessen Bruch. Durch das auf dem Dorn Ia drehbar gelagerte Futter Ib werden die Verdrehspannungen durch Mitdrehen des Futters Ib kompensiert .

Nachdem die Umformeinheit die Vorform 4.1, 4.2 zu einem Werkstück 4.3 umgeformt hat, Figur 5, wird der Käfig 3c axial in eine Position verschoben, in der die Wälzkörper 3a radial ausweichen können. Mit dieser Einstellung kann die

Umformeinheit zurückfahren. Sobald die Hauptspindel stoppt, wird die verschiebbare Einheit aus Pinole 2a, Dorn Ia, Vor- form 4.1 und Futter Ib entkoppelt, und die Reitstockpinole 2a mit geöffneter Spanneinheit 2a ¹ zurückgefahren, Figur 6. Das geformte Werkstück, welches sich auf dem Futter Id befindet, wird durch den Mitnehmer Id, in dem der zurückfahrende Dorn Ia mit dem Futter Ib eintaucht, vom Futter Ib abgestreift.