Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer

Verzahnung an einem Bauteil, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, und ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an einem Bauteil sowie Werkzeuge zur Durchführung derartiger Verfahren bekannt. Der Begriff der „Verzahnungen“ umfasst hierbei eine Formgebung eines Teils einer Oberfläche des Bauteils mit gegenüber der Oberfläche des Bauteils herausragenden oder in die

Oberfläche des Bauteils hineinragenden Formen, insbesondere spitze Geometrien, welche vorzugsweise zur Herstellung einer Verbindung, zur Erhöhung von Reibung oder zur Übertragung von Kräften und/oder Drehmomenten dienen können. Ein besonderes Beispiel ist eine Einbringung von Verzahnungen an eine seitliche Oberfläche eines Bauteils, welches in Form einer Scheibe vorliegt.

Verzahnungen an einem Bauteil werden häufig spannend hergestellt. Hierbei wird das für die Herstellung der Verzahnung vorgesehene Material oftmals mittels Warmumformung oder Halbwarmumformung vorverteilt. Bei der Warmumformung, welche auch als „Schmieden“ bezeichnet wird, wird das Bauteil über eine Rekristallisationstemperatur des betreffenden Materials erwärmt, während bei der Halbwarmumformung die Bauteile vor dem Einlegen in das Werkzeug auf eine gewisse Temperatur unterhalb der

Rekristallisationstemperatur erwärmt werden. Ein Kaltumformprozess, bei welchem das Bauteil vor dem Einlegen nicht erwärmt wird, führt zumeist nur zu unzureichend ausgeprägten Verzahnungen sowie zu einer hohen Belastung einer dafür eingesetzten Matrize. In dem Kaltumformprozess kann häufig keine ausreichende Formfüllung erzielt werden, obwohl, um die Formfüllung zu erhöhen, oftmals hohe Umformkräfte mittels einer Presse ausgeübt werden, so dass ein dafür eingesetztes Werkzeug einer sehr hohen Beanspruchung ausgesetzt wird. Ein Warmumformprozess resultiert in der Regel zwar in höheren erzielbaren Formfüllungen und damit etwas besser ausgeprägten Verzahnungen; ist häufig jedoch ebenfalls nicht wirtschaftlich, da an der Presse eine aufwändige und kostenintensive Anlage zur Bauteilerwärmung erforderlich ist, wodurch insbesondere ein flexibler Einsatz des Werkzeugs erschwert werden kann. Weiterhin kann durch die hierbei auftretende Wärmeeinbringung in das Material ein Verzug auftreten, so dass sich oftmals der Toleranzbereich für Abmessungen der Endkonturen des Bauteils vergrößert. Eine spanende Nacharbeitung ist insbesondere aus wirtschaftlicher Sicht nicht erwünscht. http://www.lft.uni-erlanqen.de/?option=com sfbpaqes&view=proiekt&id=234 (abgerufen am 17.10.2018) beschreibt das so genannte„Samanta“-Verfahren, welches der

Kaltmassivumformung zuzuordnen ist. Insbesondere wird hierbei ein fließpress- technisches Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern vorgeschlagen. Bei dem auch als „Fließpressen im Paket“ bezeichneten Verfahren werden mehrere gestapelte Bauteile gleichzeitig durch eine Matrize gepresst. Aufgrund einer hohen Mengenleistung bei einer gleichzeitig ressourcenschonenden Fertigung von Zahnrädern bietet dieses Verfahren neben einer materialeffizienten Herstellung auch verbesserte Eigenschaften der gefertigten Bauteile. Weiterhin wird jedoch beschrieben, dass eine kostenintensive spanende Nachbearbeitung in einem zusätzlichen Prozessschritt unvermeidbar ist. Ein Forschungsvorhaben zielt daher auf ein grundlegendes Verständnis über Einflussgrößen hinsichtlich der Genauigkeit der hergestellten Bauteile, insbesondere in Bezug auf Stofffluss und Formfüllung der Zahnkavität.

WO 99/08820 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltzahnrades mit koaxial angeordneten und axial vorstehenden Schaltzähnen, die einen axialen

Hinterschnitt haben. Dazu werden eine Schaltzahnrad-Vorform mit vorgeformten

Schaltzähnen und ein Umformwerkzeug mit entsprechenden Zahnausnehmungen in Eingriff gebracht und zueinander in eine taumelnde Kreisbewegung versetzt. Beschrieben werden ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein mit dem

Verfahren herstellbares Schaltzahnrad. Letzteres zeichnet sich dadurch aus, dass die Flanken der Schaltzähne nach Beendigung des Herstellungsverfahrens konkav ausgebildet sind, wodurch sich ein Hinterschnitt ergibt.

WO 2007/009476 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung auf einem Bauteil einer Welle-Nabe-Verbindung, wobei das Bauteil permanent in einer Rufspannung gehaltert wird, während es in dieser Aufspannung eine zumindest zweistufige Verzahnung erhält. Auch wird eine spezielle Ziehmatrize zur Durchführung des Verfahrens

vorgeschlagen, wobei zwischen einer ersten und einer zweiten Stirnseite ein erster verzahnungsbildender Bereich mit einer ersten Höhe und zumindest ein nachfolgender zweiter verzahnungsbildender Bereich mit zumindest einer zweiten Höhe angeordnet sind und die erste Höhe geringer ausgebildet ist als die zweite Höhe.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil und ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens wird in der JP 5 070 516 B2 offenbart.

Trotz zahlreicher Vorteile beinhalten diese Verfahren und Werkzeuge noch

Verbesserungspotenzial. Insbesondere vor dem Hintergrund des oben beschriebenen „Samanta“-Verfahrens besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein

Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an einem Bauteil, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, sowie ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, welche die Herstellung von möglichst exakten Verzahnungen an wellen- bzw. rohrförmigen Bauteilen in hoher Qualität mittels Kaltmassivumformung ermöglichen. Hiermit soll insbesondere eine Verringerung der Umformkraft und damit der Belastung des formgebenden Werkzeugs einhergehen.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer

Verzahnung an einem Bauteil, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, sowie ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche in Form eines formgebenden Werkzeugs. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.

In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil. Der Begriff der„Verzahnungen“ umfasst, wie eingangs bereits erwähnt, hierbei eine Formgebung eines Teils einer Oberfläche des Bauteils mit gegenüber einer mittleren Oberfläche des Bauteils herausragenden oder in die Oberfläche des Bauteils hineinragenden Formen, insbesondere in Form mindestens einer Zacke, Zinke oder eines Keils, welche vorzugsweise zur Herstellung einer

Verbindung mit einem weiteren Bauteil, zur Erhöhung von Reibung zu einer Oberfläche oder zur Übertragung von Kräften und/oder Drehmomenten auf ein weiteres Bauteil oder eine Oberfläche dienen können. Ein besonders bevorzugtes Beispiel ist eine Einbringung von Verzahnungen an eine seitliche Oberfläche (Außenseite) eines Bauteils, welches beispielsweise in Form einer Scheibe vorliegt. Andere Arten von Verzahnungen sind jedoch möglich.

Das hier vorgeschlagene Verfahren gehört zur Familie der Umformverfahren und kann aufgrund der dabei auftretenden geringen Kräfte als Verfahren zur Kaltumformung wirken. Alternativ kann das vorgeschlagene Verfahren jedoch auch im Warmumformbereich verwendet werden. Hierbei kann insbesondere eine Massivumformung erfolgen, wobei der Begriff der„Massivumformung“ ein Verfahren bezeichnet, welches die Herstellung eines Bauteils in einem einstufigen oder mehrstufigen Fertigungsvorgang ermöglicht. Während des Fertigungsvorgangs kann zudem ein so genanntes„Fließpressen“ auftreten, wobei eine Erzeugung einer Endkontur des umzuformenden Bauteils überwiegend mittels Druckbeanspruchung erfolgt.

Der Begriff des„Bauteils“ bezieht sich auf ein Werkstück, das in Form eines Vollkörpers oder auch eines Hohlkörpers vorliegen kann. In einer besonders bevorzugten

Ausgestaltung kann das Bauteil hierbei als Scheibe bereitgestellt werden und einen runden, ovalen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen. Andere Formen des Bauteils sind jedoch möglich. Das Bauteil umfasst hierbei wenigstens an seiner Oberfläche, bevorzugt jedoch in seinem vollständigen Volumen, einen Werkstoff, welcher durch Fließpressen umformbar ist. Hierzu gehören insbesondere metallische Werkstoff, welche wenigstens ein Metall oder eine Legierung aus mindestens zwei Metallen umfassen. Besonders bevorzugt zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens sind Bauteile aus Werkstoffen mit hohem Formänderungsvermögen, insbesondere unlegierte und niedriglegierte Stähle sowie Nichteisenmetalle und -legierungen. Andere Materialien als Werkstoff für das Bauteil sind jedoch möglich.

Zur Durchführung des Umformverfahrens können formgebende Werkzeuge, insbesondere so genannte„Fließpresswerkzeuge“ verwendet werden, welche zumeist eine Matrize und einen Stempel umfassen können. Andere Arten von formgebenden Werkzeugen, insbesondere ein Dorn, sind jedoch möglich. Der Begriff des„Doms“ bezieht sich hierbei auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Innenkonturen. Der Begriff des„Stempels“ bezeichnet hierbei eine Vorrichtung, welche zusammen mit einer Führung in der Matrize dazu eingerichtet ist, um derart eine Kraft auf das Bauteil oder eines Teils davon auszuüben, dass sich das Bauteil oder der Teil davon entlang eines vorgegebenen Weges oder Pfades bewegen kann, welcher auch als„Stempelweg“ bezeichnet wird. Im Falle der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, wenn der Stempel zur

Ausübung einer Bewegung des Bauteils eingerichtet ist, während die Matrize ortsfest gelagert ist. In dieser Ausgestaltung kann ein so genanntes„Fließpressen im Paket“ erfolgen, während dessen mehrere aufeinander gestapelte Bauteile nacheinander durch die Matrize gepresst werden. Hierbei kann ein weiteres Bauteil, das auf einem

betreffenden Bauteil aufliegt, als Stempel eingesetzt werden. Für diesen Zweck können insbesondere Bauteile, welche, wie oben beschrieben, bevorzugt als Scheibe vorliegen, dienen. Andere Arten der Ausgestaltung der Matrize und/oder des Stempels sind jedoch denkbar. Alternativ kann die für die Kraftbeaufschlagung des Bauteils erforderliche Kraft auch über das Bauteil selbst eingebracht werden, insbesondere beim so genannten „Abstreckgleitziehen“, welches für einen Einsatz zur Wanddickenreduktion von napfförmigen Bauteilen bekannt ist, wobei die Kraftbeaufschlagung über einen Napfboden erfolgt und die umzuformende Napfwand durch das formgebende Werkzeug geführt werden kann. Hierbei lassen sich sowohl Innenkonturen als auch Außenkonturen in das Bauteil einbringen.

Das vorliegende Verfahren umfasst hierbei die im Folgenden beschriebenen Schritte a) bis c):

a) Bereitstellen eines Werkzeugs, welches eine Aussparung zur Führung des Bauteils entlang eines vorgegebenen Weges aufweist, wobei die Aussparung entlang des Weges zumindest eine Vorformzone und eine Prägezone umfasst, wobei zumindest die Vorformzone mindestens einen in die Aussparung eingebrachten Hinterschnitt aufweist, und wobei die Prägezone eine Kontur zur Erzeugung einer Verzahnung an dem Bauteil aufweist;

b) Einbringen des Bauteils in das Werkzeug und Kraftbeaufschlagung des Bauteils zur Führung des Bauteils derart entlang des Weges, dass das Bauteil hierbei zunächst die Vorformzone und hieran anschließend die Prägezone passiert, wobei das Bauteil in der Vorformzone zunächst in eine Vorform gebracht wird und wobei das Bauteil in der Prägezone anschließend mit einer Endkontur versehen wird, wobei die Endkontur die herzustellende Verzahnung umfasst; und

c) Entnehmen des Bauteils, welches die Endkontur aufweist.

Hierbei können, auf ein einzelnes Bauteil bezogen, die Schritte a) bis c) bevorzugt nacheinander ausgeführt werden. Allerdings kann auch besonders vorteilhaft sein, die Schritte b) und c) mehrfach zu wiederholen und insbesondere für mehrere aufeinander gelegte Bauteile auch zumindest teilweise gleichzeitig auszuführen, insbesondere während des hierein ebenfalls beschriebenen Fließpressens im Paket. Andere

Ausgestaltungen des Verfahrens sind jedoch möglich.

Gemäß Schritt a) wird ein formgebendes Werkzeug, vorzugsweise in Form einer Matrize, zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens bereitgestellt. Wie jedoch bereits erwähnt, ist alternativ auch ein Einsatz von anderen formgebenden Werkzeugen, wie insbesondere einem Dorn, möglich. Im Folgenden wird das vorliegenden Verfahren ohne Beschränkung der Allgemeinheit unter Verwendung einer Matrize als das formgebende Werkzeug dargestellt. Der Begriff der„Matrize“ bezeichnet hierbei eine Einrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens, welche mit einem Stempel derart zusammenwirkt, dass hierdurch Fließpresswerkzeuge bereitgestellt werden, die sich zur Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens aus dem Bereich des Fließpressens einsetzen lassen. Die Matrize kann hierbei einen Trägerkörper umfassen, der bevorzugt ein Material aufweist, welches hierbei auftretenden Umformkräften und Druckbeanspruchungen standhalten kann. Besonders bevorzugt zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens ist eine Matrize aus einem Hartmetall, einem Werkzeugstahl oder einer technischen Keramik. Andere Materialien für die Matrize sind jedoch möglich. Matrizen mit einfachen

geometrischen Formen können dabei spanend hergestellt werden, andere

Fertigungsverfahren sind jedoch möglich. Für Matrizen, die eine komplexe Ausführung unter Verwendung eines Hinterschnitts aufweisen, kann vorzugsweise eine additive Fertigung, insbesondere mittels eines 3D-Druckverfahren und einer anschließenden Nachbearbeitung, eingesetzt werden.

Die vorgeschlagene Matrize weist eine Aussparung auf, welche vorzugsweise in den Trägerkörper eingebracht ist. Die Aussparung verfügt hierbei über eine Form, durch welche sie dazu eingerichtet sein kann, um sowohl das Bauteil aufzunehmen als auch das so aufgenommene Bauteil entlang eines vorgegebenen Weges zu führen. Der Begriff der „Aussparung“ beschreibt hierbei eine Vertiefung in einem Teil des Trägerkörpers, welche von dem Material des Trägerkörpers freibleibt. Der Begriff der„Aufnahme“ oder „Aufnahmezone“ kann hierbei eine bevorzugte Einrichtung in dem Trägerkörper bezeichnen, welche dazu eingerichtet sein kann, um mindestens einen zur Einbringung einer Verzahnung vorgesehenen Teil des Bauteils aufzunehmen. In einer alternativen Ausgestaltung kann jedoch auf die Aufnahmezone verzichtet werden, insbesondere bei weiteren denkbaren Verfahren wie dem Abstreckgleitziehen. Der Begriff der„Führung“ bezeichnet eine weitere Einrichtung in dem Trägerkörper, welche dazu ausgestaltet ist, um bei der Kraftbeaufschlagung des Bauteils mit dem Stempel eine Bewegung mindestens des zur Einbringung der Verzahnung vorgesehenen Teil des Bauteils entlang des vorgegebenen Weges zu ermöglichen.

Die vorgeschlagene Matrize weist in der Aussparung entlang des Weges eine Prägezone auf. Der Begriff der„Prägezone“ bezeichnet hierbei eine Umformzone in dem

Trägerkörper, welche eine Kontur zur Erzeugung der gewünschten Verzahnung an dem dafür vorgesehenen Bereich des Bauteils, insbesondere an einer Außenseite des

Bauteils, umfasst. Die Prägezone kann hierzu insbesondere eine Oberfläche aufweisen, welche einer Negativform der gewünschten Verzahnungen an den Bauteilen entspricht. Hierzu kann die Prägezone an Stellen, an welchen die Oberfläche des Bauteils

gegenüber einer mittleren Oberfläche des Bauteils herausragende Formen aufweisen soll, eine Vertiefung aufweisen, während sie an Stellen, an denen in die Oberfläche des Bauteils gegenüber der mittleren Oberfläche des Bauteils hineinragende Formen aufweisen soll, über entsprechende Vorsprünge verfügen kann.

Erfindungsgemäß weist die vorgeschlagene Matrize in der Aussparung entlang des Weges zusätzlich zu der Prägezone eine Vorformzone auf. Der Begriff der„Vorformzone“ bezeichnet hierbei eine weitere Umformzone in dem Trägerkörper, welche eine Kontur zur Erzeugung einer vorläufigen Form (Vorform) an dem Bereich des Bauteils erzeugt, welcher für die spätere Verzahnung vorgesehen ist. Die Vorformzone kann hierzu insbesondere eine Oberfläche aufweisen, welche einer Negativform der Vorform des betreffenden Teils des Bauteils entspricht. Die Vorform des Teils des Bauteils weist hierbei jedoch nicht bereits die gewünschte Endkontur des betreffenden Teils des Bauteils auf, sondern unterscheidet sich noch von der Endkontur, welche erst in der Prägezone erzeugt wird. Wie in den Ausführungsbeispielen beispielhaft dargestellt, verfügt die Vorform über Ähnlichkeiten in Bezug auf die Endkontur, zeigt jedoch insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen Abweichungen von einer Geometrie der Endkontur. Die mit dem vorliegenden Verfahren erzielbaren fertigungstechnische Vorteile beziehen sich insbesondere auf die Herstellung des gewünschten Bauteils. Andererseits sind die Übergänge zwischen der Aufnahmezone, der Vorformzone und der Prägezone derart ausgestaltet, dass möglichst tangentenstetige Übergänge zwischen den Konturen der einzelnen Zonen auftreten. Dieses Merkmal kann beispielhaft den unten stehenden Ausführungsbeispielen entnommen werden.

Die Oberfläche der Vorformzone, welche einer Negativform der Vorform des Teils des Bauteils entspricht, weist zusätzlich mindestens einen in die Aussparung eingebrachten Hinterschnitt auf. Der Begriff des„Hinterschnitts“ oder der„Hinterschneidung“ bezeichnet hierbei zumindest eine Stelle mindestens in der Vorformzone, an welcher die Oberfläche der Aussparung in dem Trägerkörper der Matrize derart ausgestaltet ist, dass das nicht umgeformte Teil des Bauteils nicht an diese Stelle gelangen kann. Zusätzlich kann sich der Hinterschnitt auch zumindest teilweise über die Prägezone und/oder über die

Aufnahmezone erstrecken. Die Ausgestaltung des Hinterschnitts kann insbesondere abhängig von der Endkontur und der Vorformkontur des Bauteils sein. Hierbei kann die Geometrie des Hinterschnitts vorzugsweise individuell durch Ergebnisse aus Simulationen iterativ ausgearbeitet werden. In Folge dieser Ausgestaltung verbleibt an diesen Stellen ein nicht von dem Trägerkörper ausgefülltes Volumen zwischen dem Trägerkörper und dem nicht umgeformten Teil des Bauteils. Dieses Volumen kann jedoch besonders vorteilhaft bei der Durchführung der Massivumformung des Bauteils eingesetzt werden, insbesondere um ein Volumen für eine einfachere Lenkung und/oder Vorverteilung des Werkstoffs aus dem Bauteil bereitzustellen. Da überschüssiges Material aus dem Bauteil in den Hinterschnitt ausweichen kann, können hierdurch der Druck und Belastung der Matrize verringert werden. Darüber hinaus kann ein Vorhandensein des Hinterschnitts zudem die Reibung verringern.

Gemäß Schritt b) erfolgt ein Einbringen des zu formenden Bauteils in die Aufnahme der Matrize und eine Kraftbeaufschlagung des Bauteils, insbesondere ein Beaufschlagen des Bauteils mit einem Stempel, zur Führung des Bauteils entlang des Weges, insbesondere entlang des Stempelwegs. Hierbei passiert das Bauteil, insbesondere eine Außenseite des Bauteils, zunächst die Vorformzone, wobei das Bauteil, insbesondere die Außenseite des Bauteils, in der Vorformzone zunächst in mindestens eine Vorform gebracht wird, vorzugsweise ohne dass eine sich in radiale Richtung nach außen ausbildende

Materialanhäufung des Bauteils mit der Matrize in Kontakt treten kann, und hieran anschließend die Prägezone, wobei das Bauteil, insbesondere die Außenseite des Bauteils, in der Prägezone mit einer Endkontur versehen wird, wobei die Endkontur die herzustellende Verzahnung umfasst. Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die vorgesehene Verzahnung, welche vorzugsweise einzelne Zähne eines Zahnrads umfassen kann, in der Vorformzone zunächst mit einer weiteren geometrischen Ausdehnung, insbesondere mit einer höheren Breite, Dicke und/oder Höhe, als ein Sollmaß für die die vorgesehene Verzahnung vorgeformt werden und über die Vorformzone schrittweise verjüngt werden. Hieran anschließend kann in der

Prägezone der Hinterschnitt kontinuierlich auf das gewünschte Sollmaß verringert werden. Damit lässt sich zum Beispiel ein Zahnkopf vor dem Zahnfuß formen. Auf diese Weise kann entlang des Weges, d.h. von einem Beginn der Vorformzone an bis zu einem Ende der Prägezone hin, eine sehr lange Umformzone geschaffen werden. Ausgehend vom Stand der Technik würde aufgrund einer dadurch erhöhten Reibung davon ausgegangen werden können, dass auf diese Weise höhere Umformkräfte auftreten und den Vorteilen der beschriebenen sukzessiven Formgebung entgegenwirken würden. Da jedoch insbesondere im Unterschied zur WO 2007/009476 A1 der in der Vorformzone erfindungsgemäß in die Matrize eingebrachte Hinterschnitt somit in der aktiven Umformzone angeordnet ist, können die Gesamtreibungsverluste zwischen der Matrize und dem zu formenden Bauteil erheblich verringert werden. Hierdurch kann sowohl das Material der Matrize oder des Stempels als auch der Werkstoff des zu formenden Bauteils entlastet werden. Auf diese Weise lassen sich somit die Vorteile der sukzessiven Formgebung über eine lange Umformzone nutzen, ohne dass hierdurch die oben erwähnten zusätzlichen Nachteile auftreten würden.

Gemäß Schritt c) erfolgt schließlich ein Entnehmen des Bauteils, welches die Endkontur aufweist, aus der entsprechenden Aussparung der Matrize.

Die Herstellung von möglichst exakten Verzahnungen an wellenförmigen und/oder rohrförmigen Bauteilen in hoher Qualität vorzugsweise mittels Kaltmassivumformung kann somit durch ein ausgewogenes Zusammenspiel verschiedener Wirkmechanismen erfüllt werden, wobei die Wirkmechanismen insbesondere eine sukzessive Formgebung der Verzahnung und die Verringerung der Reibungsverhältnisse sowie eine

Materialentlastung durch den Hinterschnitt in de formgebenden Werkzeug umfassen. Mit dem vorliegenden Verfahren lassen sich somit Verzahnungen an einem Bauteil mittels eines Kaltumformverfahrens, d.h. ohne zusätzliche Erwärmung, hersteilen. Eine

Herstellung mittels Warmumformen ist jedoch ebenfalls denkbar. Durch die vorliegende Massivumformung kann eine sehr hohe Oberflächengüte erzielt werden; eine spanende Nacharbeit kann zumindest entfallen, gegebenenfalls verbleibt nur noch eine

Nacharbeitung von Stirnseiten des Bauteils. Damit ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren eine sehr wirtschaftliche Fertigung von Zahnrädern und anderen Bauteilen.

Durch den Hinterschnitt und die sukzessive Formgebung des Bauteils können die auftretenden Prozesskräfte erheblich verringert werden. Eine Belastung der Matrize kann erheblich verringert werden, wodurch einerseits die Standzeit der Matrize gesteigert und andererseits die Bauteilqualität der damit hergestellten Bauteile erhöht werden kann. Im Unterschied zum dem eingangs beschriebenen Samanta-Verfahren wird die Verzahnung hierbei sukzessiv bei gleichzeitiger graduell-transversaler Matrizenentlastung erzeugt.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens zur Herstellung einer Verzahnung an einem Bauteil durchzuführen. Das Computerprogramm kann hierbei insbesondere in einem elektronischen Speicher vorgehalten werden. Der elektronische Speicher kann hierbei insbesondere in einen Computer, einen

Mikrocomputer oder einen programmierbaren Chip, z.B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (engl application-specific integrated Circuit ; ASIC) oder ein FPGA (engl field-programmable gate Array) eingebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Computerprogramm extern, insbesondere auf einem Server oder in einer Cloud, gespeichert und online zur Verfügung gestellt werden.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein formgebendes Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil, wobei das Werkzeug vorzugsweise in Form einer Matrize ausgestaltet sein kann. Andere Arten der Ausgestaltung des formgebenden Werkzeugs, insbesondere in Form eines Doms, sind jedoch möglich. Das Werkzeug umfasst eine Aussparung, welche sowohl zur Aufnahme des Bauteils als auch zur Führung des Bauteils entlang eines vorgegebenen Weges, insbesondere eines vorgegebenen Stempelwegs, eingerichtet sein kann. Das Werkzeug umfasst ferner eine Prägezone entlang des Weges, welche eine Kontur zur Erzeugung einer Verzahnung an dem Bauteil aufweist. Das vorgeschlagene Werkzeug umfasst ferner entlang des Weges eine Vorformzone, welche mindestens einen in die Aussparung eingebrachten Hinterschnitt aufweist. Zusätzlich kann sich der Hinterschnitt auch zumindest teilweise über die Prägezone und/oder über die

Aufnahmezone erstrecken. Die Vorformzone kann hierbei derart entlang des Weges angeordnet sein, dass das Bauteil zuerst durch die Vorformzone und anschließend durch die Prägezone führbar ist. Die Vorformzone kann hierbei insbesondere dazu eingerichtet sein, um eine vorläufige Verzahnung in das Bauteil einzubringen, wobei jeder einzelne Zahn in der vorläufigen Verzahnung eine weitere geometrische Ausdehnung,

insbesondere eine höhere Breite, Dicke und/oder Höhe, im Vergleich zu der

vorgesehenen geometrischen Ausdehnung jedes einzelnen Zahns in der Endkontur aufweist. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das Computerprogramm und auf das Werkzeug wird auf die vorstehende Beschreibung des Verfahrens sowie auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele verwiesen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines

Teils eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in Form einer Matrize in Ansicht von unten (Figur 1A), in isometrischer Ansicht (Figuren 1 B und 1 C) sowie in Seitenansicht (Figur 1 D);

Figur 2: eine schematische Darstellung von beispielhaften Konturen der

Matrize zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Aufsicht (Figur 2A) und in Seitenansicht (Figur 2B);

Figur 3: ein Vergleich von Kontaktflächen eines Bauteils mit einer

herkömmlichen Matrize in einem bekannten Verfahren zur

Herstellung von Zahnrädern (Figur 3A; Stand der Technik) und mit der erfindungsgemäßen Matrize gemäß Figur 1 und 2 (Figur 3B); Figur 4: ein Vergleich von ausgeübten Stempelkräften in einem

herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern

(durchgezogene Linie; Stand der Technik) sowie in dem

erfindungsgemäßen Verfahren (gestrichelte Linie); und

Figur 5 eine schematische Darstellung der Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in Form einer Matrize 110, welches zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil (nicht dargestellt) eingerichtet ist. Anstelle der Matrize kann jedoch auch ein anderes formgebendes Werkzeug eingesetzt werden, insbesondere ein Dorn. Figur 1A zeigt eine Ansicht eines Teils 1 12 der Matrize 1 10 von unten, Figur 1 B einen Abschnitt 114 der Matrize 1 10 in isometrischer Ansicht, wobei der Abschnitt 114 aus der Matrize 110 mehrere Zahnsegmente 116 umfasst, Figur 1 C ein einzelnes Zahnsegment 1 16 der Matrize 1 10 ebenfalls in isometrischer Ansicht und Figur 1 D eines der Zahnsegmente 1 16 in Seitenansicht.

Die in Figur 1 dargestellte Matrize 1 10 umfasst einen Trägerkörper 118, weicher ein Material aufweist, das während des vorliegenden Verfahrens auftretenden Umformkräften und Druckbeanspruchungen standhalten kann. Besonders bevorzugt ist hierbei ein Hartmetall, ein Werkzeugstahl oder eine technische Keramik. Andere Materialien für die den Trägerkörper 118 sind jedoch möglich. In dieser Ausführung ist die Matrize 1 10 zur Herstellung von Verzahnungen an Bauteilen eingerichtet, welche Werkstoffe mit hohem Formänderungsvermögen, insbesondere unlegierte und niedriglegierte Stähle sowie Nichteisenmetalle und -legierungen, als Werkstoff aufweisen können. Andere Materialien als Werkstoff für das Bauteil sind jedoch möglich.

Der Trägerkörper 1 18 der Matrize 110 weist hierbei eine Aussparung 120 auf, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet ist, um sowohl das umzuformende Bauteil aufzunehmen als auch das so aufgenommene Bauteil entlang eines

vorgegebenen Weges, welcher insbesondere aufgrund der Verwendung eines Stempels hier als Stempelweg 122 bezeichnet wird, zu führen. Wie aus den Figuren 1 B bis 1 C hervorgeht, weist die Matrize 1 10 in der Aussparung 120 entlang des Stempelwegs 122 hierzu verschiedene Zonen 124, 126, 128 auf, die als Aufnahmezone 124, Vorformzone 126 und Prägezone 128 bezeichnet und im Folgenden näher beschrieben werden.

Die Aufnahmezone 124 ist dazu eingerichtet, um mindestens ein umzuformendes Bauteil aufzunehmen und kann für diesen Zweck eine insbesondere an eine seitliche Oberfläche (Außenseite) des Bauteils angepasste Oberfläche 130 aufweisen. Mittels eines Stempels (nicht dargestellt) kann derart eine Kraft auf das Bauteil oder ein Teil davon ausgeübt werden, um zusammen mit der Führung des Bauteils oder des Teils davon in der Aussparung 120 der Matrize 110 das Bauteil oder den Teil davon entlang des

vorgegebenen Stempelwegs 122 zu bewegen. Vorzugsweise ist der Stempel zur Ausübung der Bewegung des Bauteils eingerichtet ist, während die Matrize 110 ortsfest gelagert ist. Hierdurch kann ein sogenanntes„Fließpressen im Paket“ erfolgen, während dessen mehrere aufeinander gestapelte Bauteile nacheinander über die Aufnahme 120 durch die Matrize 110 gepresst werden. Hierbei kann ein weiteres Bauteil, das auf einem betreffenden Bauteil aufliegt, zur Kraftübertragung durch den Stempel eingesetzt werden. Für diesen Zweck lassen sich insbesondere Bauteile, welche bevorzugt als Scheibe vorliegen, einsetzen. Eine andere Ausgestaltung, wie beispielsweise als Stangen- oder Rohrabschnitte, ist jedoch möglich.

Das aus der Aufnahmezone 124 entlang des vorgegebenen Stempelwegs 122 bewegte Bauteil durchquert zunächst die Vorformzone 126, bevor es in die Prägezone 128 eintritt. Die Prägezone 128 bezeichnet hierbei eine Umformzone in der Aussparung 120 des Trägerkörpers 1 18, welche eine Kontur zur Erzeugung der gewünschten Verzahnung an dem dafür vorgesehenen Teil des Bauteils, insbesondere an einer Außenseite des Bauteils, aufweist. Die Prägezone 128 kann hierzu insbesondere eine Oberfläche 132 aufweisen, welche einer Negativform der gewünschten Verzahnungen an den Bauteilen entspricht, welche auch als„Endkontur“ bezeichnet wird. Hierzu kann die Prägezone 128 an Stellen, an welchen die Oberfläche des Bauteils gegenüber einer mittleren Oberfläche des Bauteils herausragende Formen aufweisen soll, eine Vertiefung 134 aufweisen, während sie an Stellen, an denen in die Oberfläche des Bauteils gegenüber der mittleren Oberfläche des Bauteils hineinragende Formen aufweisen soll, über entsprechende Vorsprünge 136 verfügen kann.

Wie oben bereits erwähnt, kann das bewegte Bauteil entlang des vorgegebenen

Stempelwegs 122 zunächst die Vorformzone 126 durchqueren, bevor es in die Prägezone 128 eintritt. Die Vorformzone 126 bezeichnet hierbei eine weitere Umformzone in der Aussparung 120 des Trägerkörpers 118, welche dazu eingerichtet ist, um eine Kontur zur Erzeugung einer vorläufigen Form (Vorform) an demjenigen Teil des Bauteils, das für die spätere Verzahnung vorgesehen ist, zu erzeugen. Die Vorformzone 126 kann hierzu insbesondere eine Oberfläche 138 aufweisen, die einer Negativform der Vorform des betreffenden Teils des Bauteils entspricht. Die Vorform des Teils des Bauteils weist hierbei jedoch nicht bereits die gewünschte Endkontur des betreffenden Teils des Bauteils auf, sondern unterscheidet sich noch von der Endkontur, welche erst anschließend in der Prägezone 128 erzeugt wird. Wie in Figur 2 beispielhaft dargestellt, verfügt die Vorform über Ähnlichkeiten zur Endkontur, zeigt jedoch insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen Abweichungen von der Geometrie der Endkontur.

Die Oberfläche 138 der Vorformzone 126, welche einer Negativform der Vorform des Teils des Bauteils entspricht, weist mindestens einen in die Aussparung 120 in dem Trägerkörper 1 18 eingebrachten Hinterschnitt 140 auf. Der Hinterschnitt 140 bezeichnet hierbei zumindest eine Stelle in der Vorformzone 126, an welcher die Oberfläche 138 der die Vorformzone 126 ausbildenden Aussparung 120 in dem Trägerkörper 118 der Matrize 1 10 derart ausgestaltet ist, dass das nicht umgeformte Teil des Bauteils, welches für die Erzeugung der Vorform vorgesehen ist, nicht an diese Stelle gelangen kann. Zusätzlich kann sich der Hinterschnitt 140 auch zumindest teilweise über die Aufnahmezone 124 und/oder über die Prägezone 128 erstrecken. Hierdurch verbleibt an den von dem Hinterschnitt 140 ausgebildeten Stellen ein nicht von dem Trägerkörper 118 ausgefülltes Volumen zwischen dem Trägerkörper 118 und dem nicht umgeformten Teil des Bauteils, das für die Erzeugung der Vorform vorgesehen ist. Dieses von dem Hinterschnitt 140 ausgebildete Volumen kann jedoch besonders vorteilhaft bei der Durchführung der Massivumformung des Bauteils eingesetzt werden, insbesondere um ein Volumen für eine einfachere Lenkung und/oder Vorverteilung des Werkstoffs aus dem Bauteil bereitzustellen.

Wie insbesondere aus der Seitenansicht in Figur 1 D hervorgeht, sind die Oberflächen 130, 132, 138 der verschiedenen Zonen 124, 126, 128 in der Aussparung 120 des Trägerkörpers 118 so geformt, dass möglichst tangentenstetige Übergänge zwischen den Konturen von benachbart angeordneten Zonen 124, 126, 128 auftreten. Hierbei ist die Kontur 142 der Aufnahmezone 124 parallel zur Richtung des Stempelwegs 122 angeordnet. Dies trifft ebenfalls auf den in Figur 1 D dargestellten Ausschnitt der Kontur 144 aus der Oberfläche 132 der Prägezone 128 zu, welcher sich auf einen Bereich der Kontur 144 beschränkt, der an ein benachbartes Zahnsegment 1 16 angrenzt.

Demgegenüber ist die Kontur 146 der Vorformzone 126 geneigt, wobei die beispielhaft in Figur 1 D gezeigte Ausführung eine erste Zwischenkontur 148 mit einer ersten Neigung um einem ersten Neigungswinkel cu sowie eine zweite Zwischenkontur 150 mit einer zweiten Neigung um einen zweiten Neigungswinkel a ₂ ^ cu, jeweils gegenüber der Richtung des Stempelwegs 122 aufweist, wobei auch hier jeweils tangentenstetige Übergänge zwischen den Konturen 142, 148, 150, 144 vorgesehen sind. Andere

Ausgestaltungen der Kontur 146 der Vorformzone 126, beispielsweise eine Kontur mit einem einheitlichen Neigungswinkel oder eine Kontur, welche in mehr als zwei Bereiche aufgeteilt ist, sind jedoch möglich.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung von verschiedenen Konturen der Matrize 1 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Verzahnung an einem Bauteil in Aufsicht (Figur 2A) und in Seitenansicht (Figur 2B). Wie bereits erwähnt, ist die Kontur 142 der Aufnahmezone 124 parallel zur Richtung des

Stempelwegs 122 angeordnet und ist daher im vorliegenden Fall in der Aufsicht auf die Matrize 1 10 als Kreissegment ausgeführt, um eine möglichst gute Anpassung an eine seitliche Oberfläche (Außenseite) eines runden Bauteils zu erzielen. Aus der Kontur 142 in der Aufnahmezone 124, die auch als„Ausgangskontur“ bezeichnet werden kann, kann durch Kaltmassivumformung gemäß dem vorliegenden Verfahren schließlich die Kontur 144 in der Prägezone 128, welche auch als„Endkontur“ bezeichnet werden kann, erzeugt werden.

Wie in Figur 1 D und 2B schematisch dargestellt, kann die Vorformzone 126 bevorzugt eine Ausführung mit verschiedenen Konturen aufweisen, welche jeweils tangentenstetig sowohl ineinander als auch zu der vorangehenden Aufnahmezone 124 und zu der nachfolgenden Prägezone 128 übergehen. In dieser Ausführung werden in der

Vorformzone 126 sukzessiv aus der zu Beginn der Vorformzone 126 anliegenden Ausgangskontur 142 die erste Zwischenkontur 148 und die zweite Zwischenkontur 150 erzeugt, bevor eine Vorform 152 erhalten wird. Die Vorform 152 unterscheidet sich dadurch von der zweiten Zwischenkontur 150 und insbesondere von der ersten

Zwischenkontur 148, dass deren Form der Endkontur 144 weit besser angenähert ist. Insbesondere weist jeder einzelne Zahn des umgeformten Bauteils in der vorläufigen Verzahnung gemäß der Vorform 152 eine höhere Breite im Vergleich zu der

vorgesehenen Breite jedes einzelnen Zahns in der Endkontur 144 auf. Erst in der Prägezone 128 wird das Bauteil so umgeformt, dass die Breite des einzelnen Zahns verringert wird, bis in der Endkontur 144 die vorgesehene Breite des einzelnen Zahns erreicht wird.

Hierbei zeigen die schraffierten Flächen zwischen einerseits der Ausgangskontur 142 und andererseits der ersten Zwischenkontur 148, der zweiten Zwischenkontur 150 und der Vorform 152 jeweils den Hinterschnitt 140, d.h. eine Stelle in der Vorformzone 126, an welche das nicht umgeformte Bauteil nicht gelangen kann. Hierdurch verbleibt an den, einen Hinterschnitt 140 aufweisenden Stellen in der Vorformzone 126 ein nicht ausgefülltes Volumen zwischen dem Trägerkörper 1 18 und dem nicht umgeformten Bauteil. Somit kann zunächst der Hinterschnitt 140 eingesetzt werden, um als Volumen für eine einfachere Lenkung und/oder Vorverteilung des Werkstoffs zu dienen, bevor die gewünschte Massivumformung des Bauteils durch Annäherung an die Form der

Endkontur 144 abgeschlossen werden kann.

Figur 3A zeigt eine schematische Darstellung einer Simulation von Kontaktflächen des Bauteils mit einer herkömmlichen Matrize 154 in einem bekannten Verfahren zur

Herstellung von Zahnrädern. Hieraus geht deutlich hervor, dass die aus dem Stand der Technik bekannte herkömmliche Matrize 154 eine im Wesentlichen ebene Kontaktfläche 156 aufweist, welche bei der Herstellung eines Zahnrads großflächig, d.h. über die gesamte Umformzone, mit der Außenseite des Bauteils in Berührung kommt.

Figur 3B zeigt demgegenüber, dass bei der Herstellung eines Zahnrads mit der erfindungsgemäßen Matrize 110 gemäß Figur 1 und 2 die Außenseite des Bauteils nur mit Teilflächen 158 in Berührung kommt, während mit den Flächen der Hinterschnitte 140 in der Matrize 1 10 kein Kontakt erfolgt. Während in der herkömmlichen Matrize 154 gemäß Figur 3A eine hohe Flächenpressung auftreten kann, ist die Flächenpressung bei Verwendung der erfindungsgemäßen Matrize 1 10 gemäß Figur 1 und 2 erheblich verringert.

Figur 4 zeigt jeweils einen Verlauf 160, 162 von numerisch ermittelten Stempelkräften F in kN über den Stempelweg s 122 in mm. Während die durchgezogene Linie den Verlauf 160 der Stempelkraft über den Stempelweg 122 gemäß den Stand der Technik in einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern illustriert, zeigt die gestrichelte Linie den Verlauf 162 der Stempelkraft über den Stempelweg 122 in dem hier

vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren. Aus dem in Figur 4 dargestellten Unterschied lässt sich eine erfindungsgemäß deutlich verringerte Stempelkraft erkennen, welche zudem nur sehr langsam über den Stempelweg 122 zunimmt. Hierbei wurde nur ein Bauteil durch die Matrize 110 gepresst, so dass die Kraft nach dem Maximum wieder abflacht. Wird jedoch das nächste Bauteil durch die Matrize geschoben, wird die Kraft wieder auf das Maximum ansteigen.

Da jedoch, insbesondere im Unterschied zur WO 2007/009476 A1 , bevorzugt über die gesamte Vorformzone 126 erfindungsgemäß ein Hinterschnitt 140 in die Matrize 1 10 eingebracht ist, lässt sich die Reibung zwischen der Matrize 1 10 und dem zu formenden Bauteil erheblich verringern und hierdurch sowohl das Material der Matrize 110 als auch der Werkstoff des zu formenden Bauteils entlasten. Durch den Hinterschnitt 140 und die sukzessive Formgebung des Bauteils können die auftretenden Umformkräfte erheblich verringert werden. Auf diese Weise lassen sich somit die Vorteile der sukzessiven Formgebung über eine vergleichsweise lange Umformzone, welche sowohl die

Vorformzone 126 als auch die Prägezone 128 umfasst, nutzen.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 164 zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil. ln einem Bereitstellungsschritt 166 erfolgt gemäß Schritt a) eine Bereitstellung der Matrize 110, welche die Aussparung 120 zur Aufnahme des Bauteils und zur Führung des Bauteils entlang des Stempelwegs 122 aufweist, wobei der Stempelweg 122 sukzessive die Aufnahmezone 124, die Vorformzone 126 und die Prägezone 128 umfasst, wobei die Vorformzone 126 den in die Aussparung 120 eingebrachten Hinterschnitt 140 aufweist, und wobei die Prägezone 128 über eine Kontur 144 zur Erzeugung der Verzahnung an dem Bauteil verfügt.

In einem Umformschritt 168 erfolgt gemäß Schritt b) eine Einbringung des Bauteils in die Aufnahmezone 124 der Matrize 110 und eine Kraftbeaufschlagung des Bauteils mit einem Stempel oder über ein zusätzliches, anschließend umzuformendes Bauteil gemäß des Samanta-Verfahrens, welches wiederum in Kontakt mit dem Stempel steht, zur Führung des Bauteils entlang des Stempelwegs 122, wobei das Bauteil zunächst die Vorformzone 126 und anschließend die Prägezone 128 passiert, wobei das Bauteil in der Vorformzone 126 zunächst in die Vorform 152 gebracht wird, und wobei das Bauteil in der Prägezone

128 anschließend mit der Endkontur 144 versehen wird, wobei die Endkontur 144 die herzustellende Verzahnung umfasst. Das Verfahren 164, insbesondere der Umformschritt 168, wird bei Raumtemperatur durchgeführt. In einem Entnahmeschritt 170 erfolgt schließlich gemäß Schritt c) eine Entnahme des

Bauteils, welches die gewünschte Endkontur 144 aufweist.

Liste der Bezugszeichen

110 Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens (Matrize)

112 Teil der Matrize

114 Abschnitt der Matrize

116 Zahnsegment

118 Trägerkörper

120 Aussparung

122 Stempelweg

124 Aufnahmezone

126 Vorformzone

128 Prägezone

130 Oberfläche der Aufnahmezone

132 Oberfläche der Prägezone

134 Vertiefung

136 Vorsprung

138 Oberfläche der Vorformzone

140 Hinterschnitt

142 Kontur der Aufnahmezone

144 Kontur der Prägezone

146 Kontur der Vorformzone

148 erste Zwischenkontur

150 zweite Zwischenkontur

152 Vorform

154 herkömmliche Matrize (Stand der Technik)

156 Kontaktfläche

158 Teilfläche

160 Kraft-Weg-Verlauf eines herkömmlichen Samanta-Verfahrens

162 Kraft-Weg-Verlauf eines Beispiels des vorliegenden Verfahrens

164 Verfahren zur Herstellung mindestens einer Verzahnung an einem Bauteil

166 Bereitstellungsschritt

168 Umformschritt

170 Entnahmeschritt