Umformverfahren und ein nach diesem Umformverfahren hergestelltes Verzahnungsbauteil

Die Erfindung betrifft ein Umformverfahren, bei dem ein Werkstück bei Raumtemperatur oder einer bestimmten Temperatur mittels eines Umformwerkzeugs umgeformt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit diesem Umformverfahren hergestelltes Formteil.

Die DE 10 2005 027 259 A1 beschreibt ein Schmiedeverfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen durch Halbwarm-Umformung von Rohlingen aus Legierungen mit superplastischem Gefüge. Dadurch wird der Umformdruck im Umformwerkzeug deutlich unterhalb des zum Schmieden benötigten Umformdrucks der entsprechenden Legierung gehalten.

Die DE 10 2007 023 087 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nocken aus einem härtbaren Stahlwerkstoff für eine Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor eines

Kraftfahrzeugs. Das Herstellungsverfahren umfasst eine Umformung eines Halbzeugs zur Erzeugung eines Nockenrohlings und eine anschließende Wärmebehandlung des

Nockenrohlings. Um die Umformung zu erleichtern, kann das Stangenmaterial bzw. die Nockenscheibe vor der Umformung gegebenenfalls je nach Werkstoff auf eine Temperatur von bis zu 400 °C - 500 °C erwärmt werden, sodass die Umformung als Halbwarmumformung erfolgt. Eine solche Temperaturerhöhung erhöht naturgemäß die Verformbarkeit. Die

Temperatur wird in einer solchen Weise gewählt, dass die Umformung ohne

Gefügebeeinträchtigung erfolgt und keine Verzunderung auftritt.

Durch die WO 2005/021 177 A1 ist ein Verfahren zum Umformen von Blechen, insbesondere zum Halbwarm- oder Warmumformen von Platinen, in einem Umformwerkzeug bekannt. Vorteilhaft erweist sich dabei ein hoher Umformgrad bedingt durch die Verwendung eines Halbwarm- oder Warmumformens im Gegensatz beispielsweise zu einem Kaltumformen wie dem Tiefziehen. Hierdurch können insbesondere die verwendeten Presswerkzeuge geschont werden.

Die DE 10 2009 025 023 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, bei dem ein Halbwarmpressen eingesetzt wird. Beim Halbwarmumformen werden niedrigere Temperaturen verwendet als beim Warmumformen, wodurch im Allgemeinen keine Materialhärtung erfolgt. Es können

beispielsweise jedoch Hochfestmaterialien verwendet werden, die bereits hochfeste

Eigenschaften aufweisen. In diesem Falle braucht lediglich eine Temperaturerhöhung in Bereiche zu erfolgen, die das Umformen erleichtern - insbesondere auf Temperaturen unterhalb 850 °C, bevorzugt zwischen 500 °C und 700 °C.

Grundsätzlich gilt, dass hohe Umformgrade eine hohe Umformtemperatur erfordern. So wird beispielsweise bei einer Warmumformung im Temperaturbereich zwischen 1.000 °C und 1.200 °C ein hohes Umformvermögen von φ > 4 erreicht. Hiermit verbunden ist jedoch ein hoher Energieverbrauch bei der Erwärmung des Werkstücks auf die hohe Temperatur. Ein weiterer wesentlicher Nachteil, der mit der Warmumformung verbunden ist, ist der hohe Aufwand für die spanende Nachbearbeitung, insbesondere durch die erforderliche Entfernung des bei den hohen Temperaturen entstehenden Zunders, beispielsweise mittels Strahlen. Weiterhin erweist sich der Materialverlust als nachteilig, weil zum Ausgleich der auftretenden Abweichungen und Ungenauigkeiten erhebliche Aufmaße vorgesehen werden müssen. Aufgrund der

Zunderschichten ist es in der Praxis zudem ausgeschlossen, mehrere Verfahrensschritte in ein Werkzeug zu integrieren, da störender Zunder die Funktion beeinträchtigen könnte.

Der Vorteil einer Umformung bei geringeren Temperaturen, beispielsweise im Bereich der Lauwarmumformung sowie der Kaltumformung, liegt demgegenüber in dem geringeren

Energieaufwand für die Erwärmung sowie in der so realisierbaren hohen Genauigkeit bei zugleich fehlender Verzunderung. Gegenüber einer Umformung bei hohen Temperaturen ergibt sich jedoch ein wesentlich geringeres Umform vermögen bei hohen Umformkräften.

Aus der DE 32 02 254 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Zahnstange durch

Kaltumformung bekannt, bei dem ein zylindrischer Rohling zwischen einem Ober- und

Unterwerkzeug umgeformt wird. Ein Gesenkteil führt während des Pressvorgangs eine

Taumelbewegung auf dem Rohling aus. Durch den partiellen Umformbereich im Vergleich zum Stauchen wird eine geringere Normalspannung erreicht, die zu einer Erhöhung der

Werkzeugstandzeit führt.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Rohlings für eine Zahnstange gemäß der DE 198 39 428 A1 wird unter Verwendung einer Prägevorrichtung mit wenigstens drei relativ zueinander beweglichen Formwerkzeugen in einem ersten Schritt ein Ausgangsmaterial mit im

Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt zwischen die Formwerkzeuge eingelegt. In einem zweiten Schritt wird dann auf wenigstens eines der Formwerkzeuge eine Kraft in einer Richtung ausgeübt, durch die sich die Formwerkzeuge relativ zueinander bewegen. Dadurch wird das Ausgangsmaterial in einen Rohling für die Zahnstange umgeformt, der im axialen Bereich der Zahnstangenverzahnung eine von einem Kreiszylinder abweichende Form erhält. Durch die Einleitung einer Kraft in die drei relativ zueinander beweglichen Formwerkzeuge kann das Ausgangsmaterial ohne größere Kaltverfestigung in diejenigen Bereiche des Rohlings geformt werden, die im weiteren Verlauf der Herstellung der Zahnstange größere Verformungen erfahren. Ein zusätzlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass auf einfache Weise eine Rohlingsform erreicht werden kann, mit der bei einem nachfolgenden Umformprozess, insbesondere bei einem Taumelverfahren, eine Gratbildung vermieden wird.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorteile eines

Umformverfahrens bei hohen Temperaturen mit den Vorteilen einer Umformung bei geringen Temperaturen in optimaler Weise zu verbinden. Insbesondere soll ein hoher Umformgrad bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen realisiert werden. Außerdem soll ein nach diesem Umformverfahren hergestelltes Verzahnungsbauteil geschaffen werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Umformverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also ein Umformverfahren vorgesehen, bei dem die durch das

Umformwerkzeug übertragene Umformkraft während der Umformung lediglich auf eine geringe Teilfläche als Partialfläche der umzuformenden Umformfläche des Werkstücks einwirkt, wobei die Teilfläche während der Einwirkung einer im Wesentlichen konstanten Umformkraft insbesondere stetig verändert wird, sodass nach Abschluss eines Zyklus die Gesamtfläche mit einer Umformkraft beaufschlagt ist. Die Erfindung geht dabei von der überraschenden

Erkenntnis aus, dass sich bei einer vergleichsweise geringen Temperatur, die im Bereich der Kaltumformung oder nur geringfügig darüber und damit weit unterhalb der Temperatur einer Halbwarmumformung liegt, ein wesentlich verbessertes Umformvermögen erzielen lässt, wenn die Umformkraft nicht zugleich auf die gesamte Umformfläche übertragen wird, sondern sukzessive auf eine sich schrittweise oder stetig verändernde Teilfläche einwirkt, bis die gesamte Umformfläche zumindest einmal mit der Umformkraft belastet wird. Insbesondere wird die Umformkraft also partiell bzw. inkrementell auf die Teilfläche übertragen, wobei die ausgewählte Teilfläche in Bezug auf die Umformfläche nach einem vorbestimmten Zyklus insbesondere kontinuierlich verändert wird. Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens lässt sich in dem Temperaturbereich der Lauwarmumformung ein überraschend hohes Umformvermögen von φ > 4 erreichen, was dem Umformvermögen einer Warmumformung entspricht und dabei sogar das Umformvermögen der Halbwarmumformung deutlich übertrifft. Obwohl der diesem hervorragenden Umformvermögen zugrunde liegende physikalische Effekt noch nicht vollständig verstanden worden ist, wird derzeit davon ausgegangen, dass aufgrund der veränderlichen Teilflächen eine schwellende Krafteinleitung in Verbindung mit Scherkräften erfolgt, die der nach dem Stand der Technik üblichen rein axialen Krafteinleitung ein reduziertes Verformungsmoment entgegensetzt. Im Ergebnis werden durch das erfindungsgemäße Umformverfahren bei Temperaturen der Lauwarmumformung die Vorteile der Warm- und der Kaltumformung kombiniert. Gegenüber der Warmumformung reduziert sich der

Energieaufwand, der anderenfalls für die Erwärmung des Werkstücks erforderlich ist. Weiterhin entfällt das aufwendige Entfernen von Zunder, wobei zugleich eine hohe Genauigkeit erreicht wird. Somit sind geringe Aufmaße erforderlich, die zu einer deutlich verminderten spanenden Nacharbeit und zugleich zu Materialeinsparungen führen. Gegenüber der Halbwarmumformung ergeben sich ein ebenfalls noch deutlich reduzierter Energieaufwand für die Erwärmung sowie das erhöhte Umformvermögen bei geringeren Umform kräften. Ferner kann auch der

Anschaffungsaufwand für die zur Umformung eingesetzten Vorrichtungen gesenkt werden. Darüber hinaus wird auch der Werkzeugverschleiß minimiert. Aber auch gegenüber der Kaltumformung ergeben sich wesentliche Vorteile hinsichtlich des beschriebenen hohen Umformvermögens bei zugleich reduzierten Umform kräften. Zur Umformung eignen sich beispielsweise an sich bekannte Taumelumformverfahren ebenso wie Drehschmiedeverfahren. Das Umformverfahren ist dabei vorzugsweise ohne Zwischenglühen durchführbar. Außerdem kann die Wirkrichtung der Umformkraft sowohl eine horizontale als auch eine vertikale

Orientierung aufweisen.

Das Umformverfahren ist vorteilhaft einsetzbar in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 450 °C. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird auch dadurch realisiert, dass das Werkstück auf eine Temperatur zwischen 100 °C bis 300 °C, insbesondere zwischen 150 °C und 250 °C erwärmt wird und dass die Temperatur während der Umformung im Wesentlichen konstant gehalten wird. Dieser Temperaturbereich bildet nach derzeitigen Erkenntnissen ein Optimum hinsichtlich des Umformvermögens sowie des erforderlichen Nachbearbeitungsaufwands. Es ist denkbar, dass die Umformkraft nach der Einwirkung auf eine erste Teilfläche zunächst unterbrochen oder reduziert wird, um anschließend auf eine von der ersten Teilfläche abweichende zweite Teilfläche einzuwirken. Im Gegensatz hierzu hat es sich als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die Umformkraft während eines Zyklus im Wesentlichen konstant gehalten wird. Hierdurch wird aufgrund der Reibung, bedingt durch das Umformwerkzeug, welches entlang der Oberfläche des Werkstücks bewegt wird und dadurch eine sich stetig verändernde Teilfläche belastet, die gewünschte sprunghafte Verbesserung des

Umformvermögens erreicht. Zugleich wird der Steuerungsaufwand reduziert, welcher anderenfalls bei einer Trennung des Werkzeugs von der jeweiligen Teilfläche des Werkstücks einen zusätzlichen Aufwand für die erneute relative Positionierung erfordert.

Dadurch kann die Umformung von einem Ausgangszustand zu einer vorbestimmten

Sollgeometrie während eines einzigen Zyklus oder mehrerer vollständiger Zyklen durchgeführt werden. Der Herstellungsaufwand wird somit wesentlich verkürzt. Zugleich wird in einfacher Weise eine übereinstimmende Umformkraft in jeder Teilfläche sichergestellt.

Selbstverständlich könnte die Umformkraft während eines Zyklus auch verändert werden, um so unterschiedliche Umformgrade in verschiedenen Teilflächen zu realisieren. Weiterhin kann auch das Umformwerkzeug so beschaffen sein, dass unterschiedliche Positionen einstellbar sind und somit Teilflächen unterschiedlicher Größe beaufschlagt werden können, um so lokal den Druck zu erhöhen. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn die jeweils von der Umformkraft beaufschlagten Teilflächen während eines Zyklus im Wesentlichen gleich groß bemessen werden. Hierdurch wird eine konstante Krafteinleitung und somit eine homogene Umformung sichergestellt. Zugleich wird die Oberfläche geglättet und eine hohe Maßhaltigkeit gewährleistet.

Indem das Umformwerkzeug eine einstellbare Wirkfläche aufweist oder austauschbar an einer Werkzeugaufnahme angeordnet ist, lässt sich die Größe der Teilflächen problemlos

vorbestimmen.

Das Umformwerkzeug könnte während der Übertragung der Umformkraft vorübergehend in einer einzigen Teilfläche gehalten werden, sodass die relative Position inkrementell verändert wird. Als besonders Erfolg versprechend erweist sich eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformverfahrens, bei dem die Änderung der Teilfläche stetig erfolgt, sodass also die Relativbewegung zwischen dem Umformwerkzeug und der Oberfläche des Werkstücks parallel zur Oberfläche kontinuierlich durchgeführt wird. Auf diese Weise wird eine homogene Umformung erreicht, welche zu einer weiteren Verbesserung der Materialqualität führt.

Das erfindungsgemäße Umformverfahren ist nicht auf bestimmte Werkstückgeometrien beschränkt. Als besonders praxisgerecht hat es sich allerdings bereits erwiesen, wenn die umzuformende Fläche punktsymmetrisch oder im Wesentlichen rotationssymmetrisch ist, wobei die Teilfläche, auf die das Umformwerkzeug während der Übertragung der Umformkraft einwirkt, die Größe eines Sektors mit einem gegenüber der umzuformenden Fläche reduzierten Flächenanteil nicht überschreitet.

Beispielsweise eignen sich Werkstücke, bei denen ein insbesondere zumindest abschnittsweise zylindrischer Rohling aus Stahl verwendet wird. Dabei kann das Werkstück während der Umformung ortsfest fixiert oder relativ zu dem Umformwerkzeug bewegt werden. Die partielle Krafteinleitung der Umformkraft resultiert dabei im Wesentlichen aus einer Neigung des

Umformwerkzeugs, indem die Wirkfläche des Umformwerkzeugs nicht parallel zu der Teilfläche des Werkstücks ausgerichtet wird.

Bei der Durchführung des Umformverfahrens kann das Umformwerkzeug mit einem einzigen Werkzeug auf eine Teilfläche des Werkstücks einwirken, welches auf seiner dem Werkzeug abgewandten Auflagefläche in einem Gesenk flächig über seine gesamte Außenfläche aufliegt und dadurch fixiert ist. Besonders vorteilhaft hat sich bereits eine Variante erwiesen, bei welcher das Umformwerkzeug mit einem ersten Werkzeug auf eine Teilfläche der ersten Umformfläche des Werkstücks einwirkt und mit einem zweiten Werkzeug auf eine insbesondere zu der Teilfläche der ersten Umformfläche gleichförmige Teilfläche einer zweiten Umformfläche des Werkstücks einwirkt. Hierdurch wird eine doppelte partielle Umformung realisiert, bei der beide Werkzeuge gegenüber dem Werkstück gekippt sind. Hierdurch wird eine geringe Reibung sowohl an dem oberen als auch an dem unteren Werkzeug erreicht. Zudem lassen sich an beiden Außenflächen des Werkstücks hohe Umformgrade erreichen, wodurch sich

beispielsweise Stirnräder optimal herstellen lassen. Dadurch eignet sich das Verfahren beispielsweise auch für Stirnräder mit einem geringen Verzahnungs-Modul oder für

Hochverzahnungen, die dadurch erstmals auch bei Temperaturen unterhalb der

Verzunderungsgrenze durch Umformung herstellbar sind.

Dabei können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die beiden Werkzeuge synchron zueinander bewegt werden, insbesondere also gleichförmige Rotationsbewegungen durchführen. Vorzugsweise weisen die beiden Werkzeuge jeweils eine Werkzeugachse auf, die mit der Mittelachse des Werkstücks einen beispielsweise auch übereinstimmenden Winkel zwischen 0° und 7° einschließen. Selbstverständlich können die Werkzeuge auch unterschiedliche Winkel gegenüber dem Werkstück aufweisen. Weiterhin können beide Werkzeuge oder lediglich ein Werkzeug eine Vorschubbewegung durchführen.

Weiterhin hat es sich als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn das Werkstück mit seiner Mittelachse gegenüber den Werkzeugachsen der beiden Werkzeuge jeweils relativ geneigt angeordnet ist, wobei sowohl das Werkstück als auch zumindest ein Werkzeug bewegt werden. Insbesondere wird also zumindest ein Werkzeug zur Übertragung einer Umformkraft auf das Werkstück in eine Taumelbewegung oder beide Werkzeuge in eine Drehbewegung um die Werkzeugachsen, von denen zumindest eine gegenüber der Mittelachse gekippt ist, versetzt.

Eine wesentliche Steigerung der erzielbaren Umformgrade lässt sich dabei erreichen, indem das Werkstück oder das Umformwerkzeug vor der Umformung mit einem flüssigen oder festen Schmierstoff beaufschlagt werden.

Die zweitgenannte Aufgabe, ein mit dem Umformverfahren hergestelltes Verzahnungsbauteil zu schaffen, wird erfindungsgemäß aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen mit einem Verzahnungsbauteil, insbesondere einem Kegel-, Kronen- oder Stirnrad gelöst. Vorzugsweise betrifft dies auch solche Bauteile, bei denen während der Umformung mit einem Hub ohne Zwischenglühen ein Umformgrad von partiell φ > 4 notwendig ist, wie beispielsweise bei Flanschwellen.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in

Fig. 1 eine Seitenansicht auf ein Umformwerkzeug und ein Werkstück während

der Durchführung des Umformverfahrens;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Umformfläche des Werkstücks;

Fig. 3 eine Seitenansicht auf ein weiteres Umformwerkzeug mit zwei Werkzeugen

während der Durchführung des Umformverfahrens; Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines mit dem Umformverfahren hergestellten

Kegelrades;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines mit dem Umformverfahren hergestellten

Stirnrades.

Das erfindungsgemäße Umformverfahren wird nachstehend zur Verdeutlichung des

Grundprinzips anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben. Figur 1 zeigt in einer

Seitenansicht ein Umformwerkzeug 1 zur Herstellung eines als Verzahnungsbauteil ausgeführten Werkstücks 2 in einem an sich bekannten Taumel- oder Drehschmiedeverfahren. Hierzu hat das Umformwerkzeug 1 ein rotationssymmetrisches Werkzeug 3, welches zur Übertragung einer Umformkraft auf das in einem Gesenk 4 gehaltene Werkstück 2 in eine Taumelbewegung gegenüber der Mittelachse 5 oder eine Drehbewegung um die gekippte Werkzeugachse 6 versetzt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird also keine reversierende, sondern eine umlaufende, rotierende Bewegung erzeugt. Dadurch wirkt im Bereich einer Teilfläche 7 entsprechend einer momentanen Kontaktfläche ausgehend von der Mittelachse 5 zum Umfang des Werkstücks 2 eine Umformkraft F des Werkzeugs 3 auf das in einem Gesenk 4 gehaltene Werkstück 2, wobei die Umformkraft F zwischen der Mittelachse 5 und einem Umfang des Formteils ihr Maximum F _max und in dem Randbereich ihr Minimum F _min hat. Indem das Werkstück 2 auf eine Temperatur von ca. 200 °C erwärmt wird und die

Umformkraft F nicht zugleich auf die gesamte, in Figur 2 erkennbare Umformfläche 8 übertragen wird, sondern sukzessive auf eine sich schrittweise oder stetig verändernde Teilfläche 7 einwirkt, bis die gesamte Umformfläche 8 zumindest einmal mit der Umformkraft F belastet ist, können überraschend hohe Umformgrade bei vergleichsweise geringer

Krafteinwirkung realisiert werden.

Wie insbesondere in Figur 2 in einer Draufsicht auf die Umformfläche 8 erkennbar, wird die Umformkraft F partiell auf die jeweilige Teilfläche 7 übertragen, wobei die ausgewählte

Teilfläche 7 in Bezug auf die Umformfläche 8 nach einem vorbestimmten Zyklus kontinuierlich wechselt. Die so bestimmten, verschiedenen Teilflächen 7, 7', 7", 7"' weisen jeweils eine übereinstimmende Größe auf und sind in Figur 2 andeutungsweise dargestellt. Aufgrund der kontinuierlich fortschreitenden Krafteinwirkung F auf unterschiedliche Teilflächen 7, 7', 7", 7"' wird eine schwellende Krafteinleitung in Verbindung mit Scherkräften erzeugt, die der nach dem Stand der Technik üblichen rein axialen Krafteinleitung ein reduziertes Verformungsmoment entgegensetzt. Im Ergebnis werden durch das erfindungsgemäße Umformverfahren bei Temperaturen der Lauwarmumformung die Vorteile der Warm- und der Kaltumformung kombiniert.

In Figur 3 ist ergänzend noch eine Variante des bei dem erfindungsgemäßen Umformverfahren einsetzbaren Umformwerkzeugs 9 mit zwei Werkzeugen 3, 10 während der Durchführung des Umformverfahrens dargestellt. Dabei wirkt das Umformwerkzeug 9 mit einem ersten Werkzeug

3 auf eine in Figur 2 näher dargestellte Teilfläche 7 der ersten Umformfläche 8 des Werkstücks und mit einem zweiten Werkzeug 10 auf eine gegenüber der Teilfläche 7 der ersten

Umformfläche 8 gleich große Teilfläche einer zweiten Umformfläche 1 1 des Werkstücks 2 ein. Indem die beiden Werkzeuge 3, 10 jeweils nicht vollflächig belastet werden, wird eine geringe Reibung bei zugleich hohen Umformgraden an beiden Außenflächen des Werkstücks 2 erreicht Die beiden Werkzeuge 3, 10 weisen jeweils eine Werkzeugachse 6, 12 auf, die gegenüber dem Werkstück 2 einen übereinstimmenden Winkel einschließen, sodass also die Werkzeugachsen 6, 12 der beiden Werkzeuge 3, 10 jeweils gegenüber einer Werkstückmittelachse geneigt angeordnet sind.

Abschließend ist in den Figuren 4 und 5 noch jeweils ein mit dem erfindungsgemäßen

Umformverfahren hergestelltes Werkstück 2 als Verzahnungsbauteil dargestellt, wobei in Figur

4 ein Kegelrad und in Figur 5 ein Stirnrad gezeigt ist.

Bezugszeichenliste

1 Umformwerkzeug

2 Werkstück

3 Werkzeug

4 Gesenk

5 Mittelachse

6 Werkzeugachse

7 Teilfläche

8 Umformfläche

9 Umformwerkzeug

10 Werkzeug

1 1 Umformfläche

12 Werkzeugachse

F Umformkraft

F _max Max. Umformkraft

F _min Min. Umform kraft