Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kugellaufbahn an einem Werkstück. Ferner betrifft die Erfindung eine Kugelgewindemutter mit einer derart her gestellten Kugellaufbahn.

Aus der DE 10 2014 225 104 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung einer Lenkzahn stange hervor, die einen Verzahnungsabschnitt mit einer Lenkverzahnung und einen Spindelabschnitt mit einer Kugelumlaufspindel aufweist. Zunächst wird ein stangenar tiger Rohling aus einem massiven Metallmaterial bereitgestellt. Der Spindelabschnitt wird durch einseitiges Tieflochbohren ausgehöhlt, wobei eine tiefe, den Spindelab schnitt axial hindurch ragende Sacklochbohrung erzeugt wird. Nachfolgend wird die Kugelumlaufspindel am hohlen Spindelabschnitt durch spanende Bearbeitung herge stellt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Kugellaufbahn für ein Werkstück, insbesondere für eine Kugelgewindemutter weiterzuentwickeln. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentan spruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Be schreibung und den Figuren zu entnehmen.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kugellaufbahn an einem Werkstück wird am Werkstück ein vorläufiges Gewindeprofil mit einer ersten Lauf bahngeometrie mittels eines spanenden Fertigungsverfahrens ausgebildet, wobei das vorläufige Gewindeprofil zur Nachbearbeitung und Ausbildung eines finalen Gewinde profils vorgesehen ist, wobei das Werkstück nach der spanenden Bearbeitung in ein Gewindewalzwerkzeug mit einem Werkzeugschaft eingespannt wird, wobei an einem freien Ende des Werkzeugschaftes ein Werkzeugkopf mit einem Walzprofil ausgebil det ist, wobei das Werkstück um eine Rotationsachse in eine Drehbewegung versetzt und der Werkzeugschaft entlang des Werkstücks longitudinal verlagert wird, wobei das Walzprofil des Werkzeugkopfes zur Erzeugung des finalen Gewindeprofils am Werkstück mit einer zweiten Laufbahngeometrie am vorläufigen Gewindeprofil ab wälzt. Mit anderen Worten wird aus dem vorläufigen Gewindeprofil das finale Gewin- deprofil ausgebildet, indem das Walzprofil einfach oder mehrfach entlang des vorläufi gen Gewindeprofils geführt wird. Durch das Abrollen bzw. Abwälzen des Walzprofils entlang des vorläufigen Gewindeprofils kommt es zu plastischer Verformung an der Oberfläche des vorläufigen Gewindeprofils, wobei insbesondere Rauigkeitsspitzen an der Oberfläche des vorläufigen Gewindeprofils eingeglättet werden. Durch das Nach bearbeiten bzw. Einglätten von Rauigkeitsspitzen wird somit die Oberfläche des vor läufigen Gewindeprofils nachbearbeitet, um dadurch das finale Gewindeprofil auszu bilden. Das finale Gewindeprofil entspricht dann einer Endkontur der Kugellaufbahn des Werkstücks.

Das vorläufige Gewindeprofil weist eine vorläufige Laufbahnqualität der Kugellaufbahn auf, die neben dem spanenden Fertigungsverfahren auch mittels anderer alternativer Verfahren hergestellt werden kann. Vorteilhaft ist dabei, dass zur Herstellung des vor läufigen Gewindeprofils größere Toleranzen einzuhalten sind, womit das vorläufige Gewindeprofil insbesondere kostengünstig herstellbar ist. Durch das Gewindewalzen mittels des Walzprofils wird nachfolgend die Endkontur der Kugellaufbahn am Werk stück hergestellt. Da zu diesem Zeitpunkt bereits ein Großteil des Materials des Werk stücks durch das spanende Fertigungsverfahren entfernt wurde, hat lediglich eine Nachbearbeitung bzw. finale Bearbeitung zur Erstellung der Endqualität der Kugel laufbahn zu erfolgen.

Vorzugsweise weist das Walzprofil eine korrespondierend zur zweiten Laufbahngeo metrie ausgebildete Walzprofilgeometrie auf. Mit anderen Worten ist das Walzprofil als Negativprofil der fertigen Kugellaufbahn zu verstehen, mit dessen Hilfe das finale Ge windeprofil erzeugt wird. Vorteilhaft ist dabei, dass das Gewindewalzwerkzeug keine hohen Drehmomente zur Erzeugung des finalen Gewindeprofils aufbringen muss, da das vorläufige Gewindeprofil bereits erstellt wurde und das Walzprofil lediglich entlang dieser vorbearbeiteten Kugellaufbahn abrollt, um das finale Gewindeprofil herzustel len.

Ferner bevorzugt wird das vorläufige Gewindeprofil mit einer Gewindesteigung aus gebildet, wobei das Walzprofil bezogen auf die Rotationsachse des Werkstücks ana log zur Gewindesteigung geneigt ausgerichtet wird. Mit anderen Worten weist das Walzprofil eine Längsachse auf, die bezogen auf die Rotationsachse des Werkstücks derart geneigt angeordnet ist, dass das Walzprofil entlang des vorläufigen Gewinde profils abrollen kann. Somit entspricht der Winkel, mit dem das Walzprofil mit dessen Längsachse relativ zur Rotationsachse des Werkstücks geneigt ist, der Gewindestei gung des Gewindeprofils.

Bevorzugt wird das Werkstück nach der Entnahme aus dem Gewindewalzwerkzeug gehärtet. Damit wird insbesondere die Widerstandsfähigkeit der Kugellaufbahn durch gezielte Änderung und Umwandlung des Gefüges des Werkstücks erhöht. Eine weite re formgebende Bearbeitung ist dabei nicht vorgesehen. Es ist denkbar, dass durch manuelles Anpassen der Gewindesteigung des Gewindeprofils ein geometrischer Verzug des Werkstücks infolge des Härtens vorgehalten werden kann. Mit anderen Worten ist der Werkzeugschaft mit einem Längsausgleich ausgestattet, mittels dessen ein Verzug des Werkstücks durch Anpassen der Gewindesteigung ausgeglichen wer den kann.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird der Werkzeugschaft parallel zur Rota tionsachse des Werkstücks ausgerichtet. Anders gesagt ist die Längsachse des Walzprofils auch bezogen auf eine Längsachse des Werkzeugschafts geneigt ange ordnet.

Alternativ wird nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Werkzeugschaft bezogen auf die Rotationsachse des Werkstücks geneigt ausgerichtet. In diesem Fall ist vor teilhaft die Längsachse des Werkzeugschafts sowie die Längsachse des Walzprofils im Wesentlichen koaxial zueinander anzuordnen, wobei somit der Werkzeugschaft und das Walzprofil gemeinsam um den gleichen Winkel bezogen auf die Rotations achse des Werkstücks geneigt sind. Dies vereinfacht insbesondere die Herstellung des Werkzeugschafts.

Ferner alternativ können sowohl das Wälzprofil als auch der Werkzeugschaft mit ihren Längsachsen koaxial sowie parallel zur Rotationsachse des Werkstücks ausgerichtet sein. In diesem Fall weist das Walzprofil eine verzerrte Walzgeometrie auf. Mit ande ren Worten ist das Walzprofil derart ausgebildet, dass das Walzprofil bei der Rotation des Werkstücks und gleichzeitiger axialer Verlagerung des Werkzeugschafts am vor läufigen Gewindeprofil sowohl abrollt als auch abgleitet, um das finale Gewindeprofil auszubilden. Die Oberfläche des vorläufigen Gewindeprofils wird somit durch das Walzprofil sozusagen teilweise durch Abschleifen und teilweise durch Abwälzen ein geglättet, bis das finale Gewindeprofil mit der zweiten Laufbahngeometrie ausgebildet ist.

In allen drei Fällen wird der Werkzeugschaft zur Ausbildung des finalen Gewindepro fils parallel zur Rotationsachse des Werkstücks verlagert, während das Werkstück um die Rotationsachse dreht.

Vorzugsweise wird der Werkzeugschaft mit einer Anpresskraft in Richtung des vorläu figen Gewindeprofils gedrückt. Mithin ist das Werkstück in dessen Lage fixiert und le diglich um die eigene Rotationsachse drehbar. Dadurch wird das finale Gewindeprofil gleichmäßig am Werkstück ausgebildet. Die Anpresskraft ist alternativ oder ergänzend über eine Federkraft einstellbar.

Bevorzugt ist die Walzprofilgeometrie halbkreisförmig oder zumindest teilweise in Form eines gotischen Profils ausgebildet, mit dem das finale Gewindeprofil am Werk stück erzeugt wird. Damit ist das finale Gewindeprofil an die Anforderungen des Werkstücks, wie beispielsweise an die auftretenden Lasten oder Kontaktbereiche an passbar. Kontaktbereiche sind die Bereiche der Kugellaufbahn, die im Betrieb in Kon takt mit darüber abrollenden Wälzkörpern treten.

Eine derart hergestellte Kugellaufbahn kann beispielsweise in einer Kugelgewinde mutter für einen Kugelgewindetrieb vorgesehen werden, wobei die Kugellaufbahn an einer Innenumfangsfläche der Kugelgewindemutter ausgebildet ist. Die Kugellaufbahn weist dabei das finale Gewindeprofil mit einer Gewindesteigung auf.

Während der Ausbildung des finalen Gewindeprofils wird das Werkstück im Bereich des vorläufigen Gewindeprofils eingeglättet. Dabei wird die erste Laufbahngeometrie des vorläufigen Gewindeprofils bis zur zweiten Laufbahngeometrie des finalen Gewin deprofils radial aufgeweitet bzw. vergrößert. Das radiale Aufweiten bzw. Vergrößern des Gewindeprofils erfolgt lediglich geringfügig, vorzugsweise im Mikrometerbereich. Anders gesagt weist das Walzprofil des Werkzeugkopfes einen größeren Außen durchmesser auf als der Innendurchmesser des vorläufigen Gewindeprofils. Die Diffe- renz zwischen dem halben Außendurchmesser, also dem Radius des Walzprofils und dem halben Innendurchmesser, also dem Radius des vorläufigen Gewindeprofils wird als Einglätttiefe bezeichnet. Die Dicke der Einglätttiefe hängt davon ab, mit welcher Geometrie das vorläufige Gewindeprofil und mit welcher Geometrie demgegenüber das nachträglich aus dem vorläufigen Gewindeprofil erzeugte finale Gewindeprofil ausgebildet wird. Ferner hängt die Dicke der Einglätttiefe davon ab, mit welcher Ober flächenqualität das vorläufige Gewindeprofil hergestellt wurde und wie demnach die Rauigkeitsspitzen vor ihrer plastischen Verformung ausgebildet sind. Demnach ist denkbar, dass die Einglätttiefe konstant oder variabel ausgebildet ist. Bei einer variab len Einglätttiefe können Anforderungen des Kugelgewindetriebs, wie beispielsweise die Hertz’sche Pressung berücksichtigt werden. Je höher die Einglätttiefe ist, desto größer ist die plastische Verformung während der Ausbildung des finalen Gewindepro fils und desto größer ist die Verfestigung des Werkstücks in diesem Bereich. Alternativ ist auch eine teilweise konstante und teilweise variable Einglätttiefe denkbar. In die sem Fall ist die Einglätttiefe kontaktwinkeloptimiert ausgeführt. Mithin weist die Kugel laufbahn in den Kontaktbereichen aufgrund der größeren plastischen Verformung eine höhere Festigkeit gegenüber mechanischer Beanspruchungen auf.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung an hand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt

Figur 1 eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Ku gelgewindemutter sowie eines Werkzeugschaftes eines Gewindewalz werkzeugs nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 2 eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Kugel gewindemutter mit dem Werkzeugschaft nach einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel,

Figur 3 eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Kugel gewindemutter mit dem Werkzeugschaft nach einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel, Figur 4a eine schematische Schnittansicht eines teilweise dargestellten Walzpro fils des Werkzeugschaftes gemäß Figur 2,

Figur 4b eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform des teilweise dargestellten Walzprofils,

Figur 5a eine schematische Teilschnittansicht eines Werkstücks vor einer Ausbil dung eines finalen Gewindeprofils gemäß der ersten Ausführungsform,

Figur 5b eine schematische Teilschnittansicht einer ersten Alternative des Werk stücks vor der Ausbildung des finalen Gewindeprofils, und

Figur 5c eine schematische Teilschnittansicht einer zweiten Alternative des

Werkstücks vor einer Ausbildung eines finalen Gewindeprofils.

Gemäß den Figuren 1 bis 3 sind drei Ausführungsbeispiele eines - hier nicht darge stellten - Gewindewalzwerkzeugs dargestellt. Das Gewindewalzwerkzeug weist einen Werkzeugschaft 7 auf, an dessen freiem Ende ein Werkzeugkopf 8 mit einem

Walzprofil 9 ausgebildet ist. Mittels des Walzprofils 9 wird durch ein Verfahren zur Fierstellung einer Kugellaufbahn 4 an einem Werkstück 2 vorliegend eine Kugellauf bahn 4 an einer hülsenförmigen Kugelgewindemutter 1 hergestellt. In einem ersten Verfahrensschritt wird zunächst am Werkstück 2 mittels eines spanenden Fertigungs verfahrens ein vorläufiges Gewindeprofil 5a ausgebildet, wobei das vorläufige Gewin deprofil 5a, welches in Figuren 1 bis 3 an einer Innenumfangsfläche 3 der Kugelge windemutter 1 angeordnet und zur Nachbearbeitung und Ausbildung eines finalen Gewindeprofils 5b vorgesehen ist. Das vorläufige Gewindeprofil 5a weist eine Gewin desteigung W auf. Die Ausbildung des finalen Gewindeprofils 5b wird nachfolgend insbesondere anhand der Figuren 5a bis 5c näher beschrieben.

Nach der spanenden Bearbeitung wird das Werkstück 2 in das Gewindewalzwerkzeug mit dem Werkzeugschaft 7 eingespannt, wobei das Werkstück 2 in einem zweiten Verfahrensschritt um eine Rotationsachse A in eine Drehbewegung versetzt und der Werkzeugschaft 7 entlang des Werkstücks 2 in einer ersten Verlagerungsrichtung 11 longitudinal verlagert und durch die Kugelgewindemutter 1 hindurch geführt wird. Da bei wird aus dem vorläufigen Gewindeprofil 5a das finale Gewindeprofil 5b erzeugt, indem das Walzprofil 9 des Werkzeugkopfes 8 am vorläufigen Gewindeprofil 5a ein fach oder mehrfach abwälzt. Nach der Ausbildung des finalen Gewindeprofils 5b wird das Werkstück 2 aus dem Gewindewalzwerkzeug entnommen und kann anschließend optional gehärtet werden.

Vorzugsweise wird der Werkzeugschaft 7 mit einer Anpresskraft in Richtung des vor läufigen Gewindeprofils 5a gedrückt. Damit werden eine gleichmäßige Krafteinleitung zur gleichmäßigen und maßgenauen Ausbildung des finalen Gewindeprofils 5b ge währleistet.

Nach den Figuren 1 und 2 ist das Walzprofil 9 bezogen auf die Rotationsachse A des Werkstücks 2 analog zur Gewindesteigung W geneigt ausgerichtet. Mithin weist das Walzprofil 9 eine Längsachse L1 auf, die um einen Winkel W1 , der dem Winkel der Gewindesteigung W der Kugellaufbahn 4 entspricht, geneigt ist.

Der einzige Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 besteht darin, dass gemäß Figur 1 der Werkzeugschaft 7 parallel zur Rotations achse A des Werkstücks 2 ausgerichtet ist. Somit ist das Walzprofil 9 auch gegenüber einer Längsachse L2 des Werkzeugschaftes 7 um den Winkel W1 bzw. den Winkel der Gewindesteigung W geneigt. Demgegenüber ist nach Figur 2 der Werkzeugschaft 7 mit dessen Längsachse L2 koaxial zur Längsachse L1 des Walzprofils 9 ausgerich tet, sodass der Werkzeugschaft 7 gemeinsam mit dem Werkzeugkopf 8 und dem Walzprofil 9 bezogen auf die Rotationsachse A um einen Winkel W2, welcher eben falls dem Winkel der Gewindesteigung W der Kugellaufbahn 4 entspricht, geneigt ist.

Gemäß Figur 3 sind sowohl der Werkzeugschaft 7 als auch das Walzprofil 9 mit ihren Längsachsen L1 und L2 koaxial und parallel zur Rotationsachse A des Werkstücks 2 ausgerichtet. Das Walzprofil 9 ist dabei derart verzerrt ausgebildet, dass das Walzpro fil 9 zur Ausbildung des finalen Gewindeprofils 5b über das vorläufige Gewindepro fil 5a sowohl abwälzt als auch abgleitet. ln den Figuren 4a und 4b sind zwei mögliche Ausgestaltungsformen des Walzprofils 9 dargestellt. Das Walzprofil 9 ist als Negativprofil für das finale Gewindeprofil 5b zu verstehen. Somit weist das Walzprofil 9 eine umlaufende Walzprofilgeometrie 10 auf, die korrespondierend zu einer in den Figuren 5a bis 5b gezeigten zweiten Laufbahn geometrie 6b des finalen Gewindeprofils 5b ausgebildet ist.

Gemäß Figur 4a ist die Walzprofilgeometrie 10 halbkreisförmig ausgebildet. Dies be deutet, dass die zweite Laufbahngeometrie 6b des finalen Gewindeprofils 5b während des Abwälzens des Walzprofils 9 entlang des vorläufigen Gewindeprofils 5a ebenfalls halbkreisförmig ausgebildet wird. Mithin weist die Walzprofilgeometrie 10 des

Wälzprofils 9 einen Mittelpunkt 13a auf, der mit einem radialen Abstand 14 beab- standet zur Längsachse L1 des Walzprofils 9 angeordnet ist, wobei die Walzprofilge ometrie 10 ausgehend von dem Mittelpunkt 13a mit einem Radius R1 halbkreisförmig ausgebildet ist.

Alternativ dazu ist die Walzprofilgeometrie 10 gemäß Figur 4b teilweise in Form eines gotischen Profils ausgebildet. Dies bedeutet wiederum, dass die zweite Laufbahnge ometrie 6b des finalen Gewindeprofils 5b während des Abwälzens des Walzprofils 9 entlang des vorläufigen Gewindeprofils 5a analog dazu ebenfalls in Form eines goti schen Profils ausgebildet wird. Dabei weist die Walzprofilgeometrie 10 des Wälzpro fils 9 einen ersten Mittelpunkt 13a und einen zweiten Mittelpunkt 13b auf, die jeweils mit einem gleichen radialen Abstand 14 beabstandet zur Längsachse L1 des Walzpro fils 9 angeordnet sind und in axialer Richtung des Walzprofils 9 beabstandet zueinan der ausgebildet sind. Ausgehend vom jeweiligen Mittelpunkt 13a, 13b ist die Walzpro filgeometrie 10 mit einem jeweiligen Radius R1 , R2 ausgebildet. Über die Radien R1 , R2 sowie den axialen Abstand 15 zwischen den Mittelpunkten 13a, 13b wird die Walzprofilgeometrie 10 eingestellt.

Gemäß den Figuren 5a, 5b und 5c sind drei mögliche Ausführungsformen des Gewin deprofils der Kugellaufbahn 4 der Kugelgewindemutter 1 dargestellt. Die durchgezo genen Linien zeigen eine erste Laufbahngeometrie 6a des vorläufigen Gewindeprofils 5a und die gestrichelten Linien zeigen eine zweite Laufbahngeometrie 6b des finalen Gewindeprofils 5b, die durch Abwälzen des Walzprofils 9 entlang des vorläufigen Ge windeprofils 5a erzeugt wird. Durch das Abrollen des Walzprofils 9 entlang des vorläufigen Gewindeprofils 5a wer den insbesondere Rauhigkeitsspitzen der Kugellaufbahn 4 eingeglättet, wodurch plas tische Verformungen an der Oberfläche der Kugellaufbahn 4 erfolgen. Dabei wird die erste Laufbahngeometrie 6a bis hin zur zweiten Laufbahngeometrie 6b radial aufge weitet. Anders gesagt weist das Walzprofil 9 einen größeren Außendurchmesser auf als der Innendurchmesser des vorläufigen Gewindeprofils 5a. Ferner ist, wie vorlie gend anhand der Figuren 5a bis 5c dargestellt, denkbar, dass die erste und zweite Laufbahngeometrie 6a, 6b unterschiedliche Formen aufweisen. Mit anderen Worten ist zwischen den beiden Laufbahngeometrien 6a, 6b eine Querschnittsfläche, die wäh rend des Abrollens des Walzprofils 9 entlang des vorläufigen Gewindeprofils 5a plas tisch verformt wird, sodass es zu Verfestigungen an der Oberfläche der Kugellauf bahn 4 bzw. dem finalen Gewindeprofil 5b kommt.

Dieser radiale Abstand zwischen den Laufbahngeometrien 6a, 6b wird als Einglätttie fe 16 bezeichnet. Nach Figur 5a ist die Einglätttiefe 16 konstant ausgebildet. Mit ande ren Worten erstreckt sich die Einglätttiefe 16 mit einer konstanten Dicke über den halbkreisförmigen Umfang der Kugellaufbahn 4.

In Figur 5b ist die Einglätttiefe 16 variabel ausgeführt, wobei die Einglätttiefe 16 aus gehend vom Scheitel der Kugellaufbahn 4 zur Innenumfangsfläche 3 der Kugelgewin demutter 1 hin zunimmt. Mit anderen Worten wird bei der Ausbildung des finalen Ge windeprofils 5b an den Seiten der Kugellaufbahn 4 mehr Material verformt als am Scheitel, wodurch insbesondere im Randbereich der Kugellaufbahn 4 höhere Festig keiten der Kugellaufbahn 4 erreicht werden.

Nach Figur 5c ist die Einglätttiefe 16 teilweise konstant und teilweise variabel ausge führt, wobei die Einglätttiefe 16 in einem Kontaktbereich 17 der Kugellaufbahn 4 kon stant, also mit einer gleichmäßigen Einglätttiefei 6 versehen ist, und daran anschlie ßend zur Innenumfangsfläche 3 der Kugelgewindemutter 1 hin konstant abnimmt. Bezuqszeichenliste

1 Kugelgewindemutter

2 Werkstück

3 Innenumfangsfläche

4 Kugellaufbahn

5a vorläufiges Gewindeprofil

5b finales Gewindeprofil

6a erste Laufbahngeometrie

6b zweite Laufbahngeometrie

7 Werkzeugschaft

8 Werkzeugkopf

9 Walzprofil

10 Walzprofilgeometrie

11 erste Verlagerungsrichtung

12 zweite Verlagerungsrichtung

13a, 13b Mittelpunkt

14 Abstand zur Längsachse des Walzprofils

15 axialer Abstand

16 Einglätttiefe

A Rotationsachse

L1 Längsachse des Walzprofils

L2 Längsachse des Werkzeugschaftes R1 erster Radius der Walzprofilgeometrie R2 zweiter Radius der Walzprofilgeometrie W Gewindesteigung des Gewindeprofils W1 Winkel des Werkzeugkopfes

W2 Winkel des Werkzeugschaftes