Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanlosen Erzeugung im Wesentlichen rotationssymmetrischer, hinterschnittener Konturen an einem Werkstück, sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Werkstück. Derartige hinterschnittene Konturen können insbesondere an Teilbereichen von durch Schmieden, Gießen oder spanende Erzeugung hergestellten Werkstücken geformt werden.

Stand der Technik

Mit bisherigen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren werden rotationssymmetrische, hinterschnittene Konturen, wie z.B. Kühlkanäle an Kolben für NKW-Dieselmotoren, durch spanende Bearbeitung hergestellt. Das heißt, dass ein z.B. durch Schmieden oder Gießen hergestelltes Ausgangswerkstück zur Erstellung einer hinterschnittenen Kontur unter Entfernung von Material bearbeitet wird, wie z.B. durch Drehen, Fräsen oder Schneiden.

Nachteile der bekannten Verfahren sind einerseits der hohe Grad an mechanischer Zerspanung, insbesondere bei komplett zu bearbeitenden Innenkonturen von Großserienteilen wie z.B. Kolben, und andererseits die damit verbundene Unterbrechung des Faserverlaufs im konventionell gefertigten Produkt. Eine derartige Unterbrechung führt zu strukturell schwächeren Werkstücken und wirkt sich somit ungünstig auf Verschleißfestigkeit, Lebensdauer und Kosten des Endprodukts aus .

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung im Wesentlichen rotationssymmetrischer, hinterschnittener Konturen zu entwickeln, welches eine einfachere, und damit schnellere und kostengünstigere Bearbeitung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen folgen aus den Unteransprüchen.

Ein mit dem Verfahren zu bearbeitendes Werkstück weist mindestens einen umzuformenden, Teilbereich mit im Wesentlichen symmetrischer, vorzugsweise rotationssymmetrischer Ausgangskontur, z.B. einen polygonalen, zylindrischen oder kreiskegelförmigen Schaft, und eine Rotationsachse auf, um welche das Werkstück bei der Bearbeitung gedreht werden kann. Hierbei kann der umzuformende Teilbereich des Werkstücks entweder massiv oder hohl ausgeführt sein. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Werkstück zunächst an einem nicht umzuformenden, ersten Endteil in einer Aufnahme eingespannt, z.B. durch Form- und/oder Kraftschluss . Mit der Aufnahme kann dann das Werkstück auf ein Werkzeug hin- und relativ dazu bewegt werden. Daraufhin wird an einem umzuformenden, im Wesentlichen symmetrischen, vorzugsweise rotationssymmetrischen zweiten Endteil des Werkstücks das Werkzeug angelegt, das mit konstanter oder veränderlicher Drehzahl um eine Mittelachse gegenüber dem Werkstück rotiert . Unter axialem Druck des Werkzeugs auf den zweiten Endteil können so im Umformschritt hinterschnittene Konturen spanlos erzeugt werden.

Des weiteren können hinterschnittene Konturen durch das erfindungsgemäße Verfahren einfacher auf Bearbeitungsausmaß gebracht werden, so dass zur Erlangung des Endprodukts

lediglich eine abschließende mechanische Feinbearbeitung erforderlich ist. Dies ermöglicht eine schnellere und somit kostengünstigere Herstellung.

Vorzugsweise ist die mit dem Umformschritt verbundene Aufeinander-zu-Bewegung von Werkstück und Werkzeug eine Zustellbewegung, welche den zur Umformung nötigen axialen Druck aufbringt. Diese Zustellbewegung kann vom Werkstück mit Aufnahme, vom Werkzeug , oder durch eine gegenläufige Bewegung ausgeführt werden.

Vorteile gegenüber den oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren ergeben sich daraus, dass bei dem erfindungsgemäßen Umformschritt kein Material weggefräst, weggeschnitten oder anderweitig entfernt wird, wodurch durchgängige und ununterbrochene, im Wesentlichen parallel zur angeformten Hinterschnittkontur verlaufende Fasern im Material erzeugt werden. Dies erhöht maßgeblich die Werkstofffestigkeit und Lebensdauer des fertigen Produkts. Ebenso werden mögliche Fehler im Endprodukt durch die komplette Umformung des bearbeiteten Werkstückbereichs weiter reduziert.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann die im Umformschritt anzuformende hinterschnittene Kontur bezogen auf die Ausgangskontur des umzuformenden Werkstückteilbereichs rotationssymmetrisch nach innen oder außen orientiert sein. Als konkrete Beispiele für nach innen beziehungsweise außen orientierte Konturen sind hier innere beziehungsweise äußere Kühlkanäle von Dieselmotorkolben zu nennen, die bisher durch spanendes Fräsen erzeugt wurden. Nach außen orientierte Hinterschnittkonturen finden sich zum Beispiel auch an Vorderachsgehäusen, die ebenso bisher durch spanendes Bearbeiten hergestellt wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, beide Arten von Kontur strukturell stabiler herzustellen.

Das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Werkzeug kann je nach zu bearbeitendem Werkstück eine symmetrische oder asymmetrische Werkzeugkontur aufweisen. Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass sich das Werkzeug mit einer ersten Drehzahl dreht, und das Werkstück sich mit einer von der ersten Drehzahl verschieden wählbaren, zweiten Drehzahl dreht. Hierbei kann die Drehzahl des Werkzeugs bis zu 30% von der des Werkstücks abweichen. Wenn zudem der Antrieb des Werkzeugs und/oder der Aufnahme mit einem Freilauf ausgestattet ist, kann die erste und/oder die zweite Drehzahl verändert werden. Dies führt zu einem außergewöhnlich gleichmäßigen Werkstofffluss mit folglich verbesserten Eigenschaften des Endprodukts .

Für Anwendungen, in denen es erwünscht ist die zwischen dem umzuformenden, im Wesentlichen symmetrischen Teilbereich des Werkstücks und dem Werkzeug befindliche Reibfläche hoch zu halten, können sich die Rotationsachse des umzuformenden Teilbereichs und die Mittelachse des Werkzeugs in Flucht befinden. Wenn jedoch eine niedrigere Reibung, das heißt geringere Reibfläche gewünscht wird, wie zum Beispiel bei Werkstücken mit massiv ausgeführtem umzuformenden Teilbereich, können entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Rotationsachse des umzuformenden Teilbereichs und die Mittelachse des Werkzeugs um einen Exzentrizitätsbetrag e voneinander abweichen. Der Exzentrizitätsbetrag kann dadurch eingestellt werden, dass sich das rotierende Werkzeug axial oszillierend um die Mittelachse des umzuformenden Werkstückbereichs dreht . Diese axiale Oszillation wird zum Beispiel durch eine radiale Zustellbewegung des Werkzeugs erzielt. Die Verminderung der Reibfläche hat zudem den Vorteil, dass aufgrund des nur partiellen Kontakts weniger Kraft und damit Energie zur Umformung benötigt wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das gesamte Werkstück dem Verfahren mit einer aus Vorprozessen bestimmten Temperaturverteilung zugeführt, oder in einem dem

Verfahren vorgeschalteten Schritt erwärmt, zum Beispiel auf eine dem Werkstoff entsprechende Schmiedetemperatur. Dadurch wird die Fließspannung (Umformfestigkeit) des Werkstoffs gesenkt und die Umformung des rotationssymmetrischen Werkstückteilbereichs erleichtert.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner die exakte Form der hinterschnittenen Außenkontur bestimmt werden. Hierzu wird die beim Umformschritt zu erzeugende hinterschnittene Außenkontur durch das Andrücken eines oder mehrer loser oder angetriebener Werkzeuge definiert . Ebenso dient das Anbringen eines zusätzlichen Werkzeugs, zum Beispiel eines einschwenkbaren Werkzeugs, der Definition eines von der anzuformenden Hinterschnittkontur gebildeten Spalts. Auf diese Weise können komplizierte Hinterschnittkonturen präzise maßgeformt werden.

Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Werkstück ist demnach durch einen zur angeformten Hinterschnittkontur im Wesentlichen parallelen, durchgängigen und nicht unterbrochenen Faserverlauf gekennzeichnet. Ein solcher Faserverlauf erhöht die Materialbelastbarkeit, Lebensdauer und Fehlerfreiheit und somit insgesamt die Qualität des Werkstücks. Zudem wird das fertige Werkstück in einer wesentlich kürzeren Zeit hergestellt, was sich positiv auf das Kosten-Nutzen-Verhältnis auswirkt .

Die vom vorgestellten Verfahren bearbeitbaren Werkstücke können aus einer Vielzahl von Materialen bestehen. Im Falle von Dieselmotorkolben wird zum Beispiel Stahl für

Hochleistungsmotoren von Nutzfahrzeugen verwendet, während für niedriger verdichtende PKW-Motoren Aluminium-Silizium Legierungen zum Einsatz kommen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 1 bis 3 erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung der verfahrensbedingten Komponenten, wobei als Werkstück ein Stahlkolben gewählt ist.

Figur 2 zeigt eine Umformsequenz gemäß Anspruch 1 am Beispiel eines geschmiedeten Stahlkolbens als Ausgangswerkstück.

Figur 3 zeigt das optionale Maßformen der Außenkontur durch ein angetriebenes oder frei gelagertes Werkzeug sowie des Spaltabstandes durch ein einschwenkbares Werkzeug.

Figur 4 zeigt als weiteres Beispiel einen Schnitt durch ein Vorderachsgehäuse, an dem die umzuformende Außenkontur vor und nach dem Umformprozess dargestellt ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Mit dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Verfahren wird an einem geschmiedeten Stahlkolben, wie er in Hochleistungsdieselmotoren verwendet wird, eine rotationssymmetrische, hinterschnittene Außenkontur angeformt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels einer in Figur 1 dargestelltem Vorrichtung durchgeführt, die eine Aufnahme 11 zum Einspannen eines Werkstücks 13, ein Werkzeug 12 zur Umformung des Werkstücks sowie eine nicht gezeigte Einrichtung zum Zustellen der Aufnahme mit dem Werkstück 13 an das Werkzeug 12 aufweist. Das Werkzeug 12 weist hier eine umlaufende Randaufkantung auf, die dazu dient, den bei der Umformung entstehenden Materialfluss radial zu begrenzen. Der im Ausführungsbeispiel als Werkstück 13 verwendete Stahlkolben weist einen hohl ausgebildeten, rotationssymmetrischen Teilbereich 14 auf, der das umzuformende Ende des Stahlkolbens bildet . An diesen Teilbereich wird das Umformwerkzeug 12

angelegt, wobei der zur Umformung nötige axiale Druck durch die Zustellbewegung aufgebracht wird.

Die Aufnahme 11 kann um eine Rotationsachse 15 zusammen mit dem eingespannten Werkstück 13 gedreht werden, während das Werkzeug 12 um seine Mittelachse 16 drehbar ist. Sowohl Aufnahme als auch Werkzeug umfassen einen nicht gezeigten Drehantrieb, die jeweils einen Freilauf aufweisen können und deren Drehzahl jeweils über eine Drehzahlsteuerung getrennt eingestellt werden kann.

Die Mittelachse 16 des Werkzeugs kann einerseits mit Rotationsachse 15 der Aufnahme zusammenfallen, oder ihr gegenüber parallel versetzt sein (Exzentrizitätsbetrag e > 0) . Im ersten Fall entsteht die zwischen dem Werkzeug 12 und dem umzuformenden Teilbereich 14 des Werkstücks auftretende Reibung allein durch eine Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten von Werkzeug 12 und Aufnahme 11, und wird also von der DrehzahlSteuerung bestimmt. Insbesondere bei sehr weichen Werkstückmaterialien, wie z.B. Aluminium kann diese Reibung demzufolge auf ein geringes Maß begrenzt werden, um eventuellen Materialverlust, der bei zu starker Reibung entstehen könnte, zu vermeiden. Werden jedoch härtere Materialien, wie z.B. Stahl verwendet, ist häufig eine reduzierte Reibung zwischen Werkzeug 12 und umzuformendem Werkstückteilbereich 14 wünschenswert, um eine Begrenzung der resultierenden Kräfte und Momente zu erreichen. Zu diesem Zweck ist es möglich die Versetzung der Drehachsen von Werkstück und Werkzeug, das heißt den Exzentrizitätsbetrag, einzustellen.

In Figur 2 ist eine beispielhafte Umformsequenz gezeigt, bei der an einem geschmiedeten Stahlkolben 21 ein Kühlkanal 22 als hinterschnittene Außenkontur angebracht wird. Der in der Aufnahme eingespannte Kolben wird dazu mit seiner durch das Schmiedeverfahren bestimmten Temperaturverteilung, das heißt im Wesentlichen mit seiner Schmiedetemperatur, mit einer Drehzahl von beispielsweise n^ = 1000 min" ¹ angetrieben. Das Werkzeug

wird ebenfalls in Drehung versetzt, jedoch mit einer anfänglich geringeren Drehzahl 1x2 (0) < n, zum Beispiel 212(0) = 750 min ^" -'-. Zum Umformen wird der Kolben unter axialem Druck auf das Werkzeug zugestellt . In diesem Ausführungsbeispiel wird der Freilauf des Werkzeugdrehantriebs ausgenutzt, so dass sich die Drehzahl des Werkzeugs, n _u , der Drehgeschwindigkeit des sich an der Kontaktfläche von Werkzeug und Werkstück bildenden Formstücks automatisch anpasst . Durch den sich ergebenden gleichmäßigen Materialfluss entsteht so zunächst eine flanschartige Aufweitung 23 des umzuformenden

Kolbenteilbereichs. Unter weiterem axialen Zustelldruck führt fortschreitender Materialfluss zum Umstülpen/Umbördeln der Kontur und kann dann durch die Randaufkantung 17 des Werkzeugs 12radial begrenzt werden, um so die zu erzielende hinterschnittene Außenkontur des Kolbens zu bilden.

In Figur 3 sind zwei weitere Umformmaßnahmen gezeigt, die der besseren Definition der anzuformenden Hinterschnittkontur dienen. Um eine möglichst maßgenaue Kontur der Kolbenaußenwand zu erzielen, wird ein zusätzliches, hier zylindrisch ausgebildetes Werkzeug 31 unter radialem Druck von einem Zustellmechanismus 32 auf die Mantelfläche der neu entstandenen Außenkontur zugestellt und beschränkt so den radial nach außen gerichteten Materialfluss, der bei der Umformung entsteht. Dadurch wird der Außendurchmesser 33 der neu entstandenen Außenkontur auf den erforderlichen Wert gebracht. Zur Steuerung der Reibung zwischen Werkzeug und Außenkontur des Kolbens kann das zusätzliche Werkzeug entweder frei gelagert oder mit einer Drehzahl 133 von z.B. 750 min ^~ l angetrieben sein.

Die Maßformung des Spaltabstands 34 des Kühlkanals kann des Weiteren durch ein einschwenkbares Werkzeug 35 erfolgen. Dieses ist L-förmig ausgebildet, wobei der lange Arm 36 an der axial gegen die Zustellrichtung gewandten Oberfläche der umgestülpten, hinterschnittenen Kontur anliegt. Der kurze Arm 37 hingegen greift von außen in den Spalt ein und liegt an der

radial nach innen gewandten Oberfläche der umgestülpten, hinterschnittenen Kontur. Auf diese Weise beschränkt das einschwenkbare Werkzeug 35 bei Bedarf den Materialfluss sowohl radial nach innen als auch axial gegen die Zustellrichtung der Aufnahme der Kolbens. Durch eine Kombination der Werkzeuge 31 und 35 kann somit ein Kühlkanal an einen Kolben maßgenau mit oder ohne Bearbeitungszugabe angeformt werden.

Als weiteres Beispiel ist in Figur 4 ein Vorderachsgehäuse (38) im Schnitt gezeigt, an dem der umzuformende Teilbereich vor (39) und nach (40) dem Umformschritt veranschaulicht ist. Die vor der Umformung zylindrische Außenkontur wurde durch das erfindungsgemäße Verfahren zur gewünschten, nach außen orientierten Außenkontur mit Hinterschnittbereich (41) umgeformt .

Das in den folgenden Patentansprüchen offenbarte Verfahren ermöglicht es, durch spanloses Umformen rotationssymmetrische hinterschnittene Konturen an geschmiedeten, gegossenen oder anderweitig hergestellten Werkstücken herzustellen. Der Fachmann wird zweifelsfrei weitere vorteilhafte Ausführungsformen anhand des hier dargestellten Beispiels erkennen können, die ebenso im Umfang dieser Erfindung liegen.