Verfahren zur Herstellung eines Schmiedeteils, Schmiedeteil und Schmiedegesenk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schmiedeteils mit zumindest einem einseitigen Fortsatz sowie auf das danach hergestellte Schmiedeteil in einer im Wesentlichen länglichen Gestalt mit mindestens einem einseitigen Fortsatz und das Schmiedegesenk zur Durchführung des Verfahrens.

Es sind Segmentwellen mit einem einseitig ausgebildetem Fortsatz mit drei oder mehr Zähnen bekannt. Diese Segmentwellen unterliegen einer hohen Belastung, insbesondere an den Flanken der Zähne. Sie werden bevorzugt im Bewegungsstrang einer Lenkung von Nutzfahrzeugen eingebaut. Bisherige Segmente sind aus vollem Material gefräst worden. Dies erfordert jedoch eine hohe Zykluszeit, hohen Materialverbrauch, sowie hohe Werkzeugkosten. Zudem weisen die Flanken nicht die erforderliche Festigkeit auf und müssen nachbearbeitet, z.B. gehärtet, werden. Der Faserverlauf entspricht nicht dem idealen Kraftverlauf.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfacheres Verfahren zur Herstellung eines Schmiedeteils, ein Schmiedeteil und ein Schmiedegesenk dafür zu schaffen, das den Festigkeitsanforderungen einer Segmentwelle genügt.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 ein Schmiedeteil mit den Merkmalen des Patentanspruches 8 sowie ein Schmiedegesenk mit den Merkmalen des Patentanspruches 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Es wird Rundmaterial zu einem Rohling mit einer einseitigen Materialansammlung durch seitliches Querfließpressen in einer ersten Form gepresst und anschließend in einem Schmiedegesenk geschmiedet. Die Kombination des Umformens von Querfließpressen und Schmieden führt zu einem Schmiedeteil mit minimalster Bearbeitungszugabe. Außerdem wird ein günstiger Faserverlauf am einseitigen Fortsatz quer zur Erstreckungsrichtung der Welle erzeugt, der zu einer hohen Festigkeit des Schmiedeteils führt. Ein gebrochener, umgelenkter oder durch Zerspanen geteilter Faserverlauf würde die Festigkeit des Bauteils erheblich senken.

In einer Presse wird Rundmaterial stirnseitig querfließgepresst, so dass das Material quer zur Pressrichtung in einen einseitigen Fortsatz fließt. Anschließend wird der querfließgepresste Rohling mit seitlichem Fortsatz aus dem Presswerkzeug entnommen und einem Schmiedegesenk zugeführt, in dem der Rohling zu einem Schmiedeteil auf nahezu Endform geschmiedet wird.

Um geringere Presskräfte aufbringen zu müssen, wird das Rundmaterial vor dem Querfließpressen erwärmt. Das Rundmaterial lässt sich leichter umformen, der Faserverlauf bleibt besser zusammenhängend. Beim Querfließpressen ist die Pressbewegung deutlich langsamer als beim hammerschlagartigen Schmieden.

Es ist überraschenderweise herausgefunden worden, dass, wenn der Rohling in ein Schmiedegesenk mit mindestens einem Gravurendfortsatz mit zumindest einer Dehnfuge gepresst wird, der Faserverlauf in einem Schmiedeteil sehr gut erhalten bleibt. Eine Umlenkung, Stauchung oder Bruch des Faserverlaufs im Bereich des einseitigen Fortsatzes am Schmiedeteil wird vermieden. Die Festigkeit des Schmiedeteils insbesondere an den Flanken des mit hohen Kräften beanspruchten Fortsatzes wird weiter erhöht. Aufgrund der mindestens einen Dehnfuge am Ende des Gravurfortsatzes kann überschüssiges Material, Zunder, Schmiermittel etc. ausweichen. Hat der Gravurfortsatz mehrere Enden, wie z.B. für Zähne, so ist an jedem Zahnende eine Dehnfuge ausgebildet.

Bevorzugt ist das Rohmaterial gewalzter Rundstahl, insbesondere koksgewalzter Rundstahl. Dieses Rohmaterial führt vorteilhafterweise zu einem Endprodukt mit der erforderlichen hohen Festigkeit.

Um ausreichende Schmiedekräfte aufzubringen, wird das Schmiedeteil bevorzugt stehend, d.h. in Achsrichtung des Rohlings, in der Gravitationsrichtung geschmiedet. Die Gewichtskraft des Schmiedehammers wird somit ausgenutzt.

Bevorzugt wird, um eine möglichste geringe Zykluszeit, sowie Maschinenzeit pro Schmiedteil zu haben, der Rohling in einem Hub warm geschmiedet.

Um das Schmiedeteil in ein Fertigprodukt überzuführen, wird das Schmiedeteil mit mindestens einem Fortsatz zumindest an dem Ende des mindestens einen Fortsatzes spanend bearbeitet. Der Materialüberschuss wird bevorzugt auf das Endmaß abgeschliffen. Der Faserverlauf im Fortsatz wird dadurch nicht gestört bzw. gebrochen und bleibt, wie erwünscht erhalten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schmiedeteil eine Segmentwelle mit drei Zähnen als asymmetrischer Fortsatz. Die Segmentwelle ist für den Einsatz in Nutzfahrzeugen, insbesondere in deren Lenksystemen, vorgesehen. Auf die Zahnflanken des mittleren Zahns wirken die höchsten Kräfte und Drehmomente. Deshalb ist es erforderlich, dass der Faserverlauf in den Flanken des Zahns besonders gut parallel zu den Flanken ausgebildet ist. Dies wird durch Querfließpressen von Rundmaterial und anschließendes Gesenkschmieden des Rohlings erreicht.

Es wird in Schmiedeteil in einer im Wesentlichen länglichen Gestalt mit mindestens einem einseitigen Fortsatz aus gewalztem Rundstahl, insbesondere koksgewalztem Rundstahl, bevorzugt nach dem oben beschriebenen Verfahren, hergestellt, wobei ein Faserverlauf im Schmiedeteil parallel zur Flanke des mindestens einen Fortsatzes ausgebildet ist. Der Fortsatz mit aufgrund des Querfließpressens parallel zur Fortsatzflanke verlaufendem Faserverlauf führt zu einer erhöhten, erwünschten Festigkeit des Schmiedeteils insgesamt und am einseitigen, asymmetrischen Fortsatz. Ein Bruch, Stauchen oder Umlenkung des Faserverlaufs im Bereich des Fortsatzes sind im Wesentlichen nicht vorhanden.

Der Fortsatz des Schmiedeteils weist bevorzugt mindestens einen Zahn auf, insbesondere drei Zähne, um vorteilhafterweise ein Schmiedeteil zu erhalten, das als Segmentwelle in Nutzfahrzeugen einsetzbar ist.

Vorteilhafterweise weist besonders der mittlere Zahn einer Segmentwelle im Wesentlichen einen parallel zur Flanke des Zahns verlaufenden Faserfluss auf. Dies führt zu einer sehr hohen Festigkeit des meistbelasteten Zahns, insbesondere im Flankenbereich. Es wird somit eine hohe Lebensdauer des Schmiedeteils erzielt. Die Herstellungskosten insbesondere die Zykluszeit sind niedriger als bei herkömmlichen zerspanenden Herstellungsverfahren.

Die Enden des mindestens einen Fortsatzes, insbesondere der Zähne, sind spanend bearbeitet, vorzugsweise geschliffen. Dadurch werden störende Grate aufgrund der Dehnfuge des Schmiedegesenks entfernt, wobei die günstigen Faserverläufe erhalten bleiben.

Für das oben beschriebenen Schmiedeverfahren eignet sich insbesondere ein Schmiedegesenk das in Gravurendfortsätzen mindestens eine Dehnfuge zur Aufnahme von Materialüberschüssen, Zunder, Schmiermittel usw. aufweist. Das erfindungsgemäße Gesenk lässt die im Querfließpressverfahren günstig verformten Faserverläufe, insbesondere am Ende der Fortsätze, bestehen und presst die Faserverläufe bzw. den Faserfluss weiter. Ein Brechen, Stauchen oder Umlenkung des Faserverlaufs an einer Gravurwand wird im Wesentlichen aufgrund der Dehnfuge am entsprechenden Gravurbereich vermieden. überschüssiges Material kann in die Dehnfuge oder Dehnrille im Gesenk ausweichen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht beim seitlichen Querfließpressen,

Fig. 2 einen radialen Querschnitt des gemäß Fig. 1 hergestellten Rohlings,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schmiedeteils,

Fig. 4 eine Querschnittsansicht des Schmiedeteils gemäß Fig. 3 im radialen Querschnitt und

Fig. 5 das erfindungsgemäße Schmiedeteil in perspektivischer Ansicht.

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht einen ersten Verfahrensschritt zur Herstellung eines Schmiedeteils aus einem zylindrischen Rundmaterial 1. Das Rundmaterial 1 ist koksgewalzter Rundstahl und weist einen Faserverlauf 2a, 2b parallel zu den Wänden auf. An den Stirnseiten 3, 4 des Rundmaterials 1 sind Pressstempel 5, 6 angeordnet, die das Rundmaterial 1 in einer ersten Form 7 querfließpressen. Das Rundmaterial 1 wird durch das seitliche Querfließpressen zu einem Rohling mit einer einseitigen Materialansammlung in einem Fortsatz 8 ge- presst. Hierfür hat die erste Form 7 eine einseitige Gravurausnehmung 9. Die im Querschnitt gesehenen Faserverläufe 2a, 2b, auch Faserfluss genannt, erstrecken sich beim Querfließpressen in Richtung des Fortsatzes 8 ohne dabei gebrochen zu werden. Das Rundmaterial wird vor dem Querfließpressen erwärmt, somit sind die Presskräfte für das Querfließpressen niedrig.

Die Fig. 2 zeigt im radialen Querschnitt den durch das Querfließpressen entstandenen Rohling 10. Die Fortsatzvorform 8 ist noch nicht klar ausgebildet. Die einseitige Fortsatzgestalt wird erst durch anschließendes Schmieden in einem Schmiedegesenk und anschließende spanende erzielt. Die Faserverläufe 2a, 2b sind dennoch vorteilhaft parallel zu Flanken des Fortsatzes 8 ausgebildet oder sie erstrecken sich gerade zum Fortsatzende hin.

Die Fig. 3 zeigt das in Längsrichtung des Rohlings 10 stehend geschmiedete Schmiedeteil 11. Das Schmiedeteil 11 weist in dieser Ausführungsform ausgeprägte Zähne 12, 13 und einen verdeckten Zahn 14 auf. Das Schmiedeteil 11 wird im Schmiedegesenk sehr nahe an die Endmaße geschmiedet.

Die Fig. 4 zeigt im Querschnitt gesehen das Schmiedegesenk 15 mit geschmiedetem Schmiedeteil 11 im radialen Querschnitt.

An jedem Gravurbereich für Fortsatzenden ist eine Dehnfuge oder auch Dehnrille 16 in den Gravurendfortsätzen des Schmiedegesenks 15 ausgebildet. Die Dehnfugen 16 dienen dazu, beim Schmieden überschüssiges Material, Zunder, Schmiermittel etc. aufzunehmen, so dass Material in die Dehnfugen ausweichen kann und die Faserverläufe 2a, 2b nicht gebrochen werden. Zusammenhängende Faserverläufe sind für ein Schmiedeteil 11 mit hoher Festigkeit besonders vorteilhaft.

Der einseitige Fortsatz 8 am Schmiedeteil 11 ist, wie in der Fig. 2 und 4 gezeigt, zu drei Zähnen 12, 13, 14 ausgebildet. Insbesondere der Mittelzahn 12 ist besonders hohen Belastungen ausgesetzt, wenn das Schmiedeteil 11 als Segmentwelle in Nutzfahrzeugen eingesetzt wird.

Der mittlere Zahn 12 weist einen im Wesentlichen parallel zur Flanke 20 laufenden Faserverlauf 2b auf. Bei den seitlichen Zähnen 13, 14 können die Faserflüsse zur Flanke 19 leicht schräg verlaufen, da diese an den Seitenrändern des Fortsatzes 8 angrenzen.

Aufgrund der Dehnfugen 16 an Gesenkgravurendbereichen 18 entstehen an den Enden der Zähne 12, 13, 14 Grate, die spanend, insbesondere durch Abschleifen, entfernt werden. Somit wird durch eine geringe Nachbearbeitung eine fertige Segmentwelle gemäß Fig. 5 aus einem Schmiedeteil 11 mit einem einseitigen Fortsatz, der mit drei Zähnen 12, 13, 14 ausgebildet ist, geschaffen.

Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im übrigen wird insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung als wesentlich verwiesen.

Obwohl die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie keineswegs auf diese Ausführungsformen eingeschränkt. Eher sind diese Ausführungsformen nur exemplarische Ausführungsformen. Abwandlungen der obigen exemplarischen Ausführungsformen sind Fachleuten und anderen ohne Abweichung vom Schutzbereich der Erfindung offensichtlich. Der Schutzumfang der Erfindung wird ausschließlich durch die Ansprüche, wie sie durch die Beschreibung erläutert sind, definiert.

Bezugszeichenliste

Rundmaterial a Faserverlauf b Faserverlauf in Fortsatz

Stirnseite

Stempel

Stempel erste Form

Fortsatz

Materialansammlung 0 Rohling 1 Schmiedeteil

Mittelzahn 3 Zahn

Zahn

Schmiedegesenk

Dehnrille seitliche Zahnflanke

Zahnflankenmitte