Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen Teils und danach hergestelltes Teil

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen hohlen Teils, insbesondere Welle sowie ein querkeilgewalztes rotationssymmetri- sches hohles Teil.

Das Herstellen von rotationssymmetrischen hohlen Teilen aus Vollmaterial, die auch als Vorform für weiteres Umformen dienen können, bspw. abgesetzten Wellen, insbesondere von Getriebewellen durch Querkeilwalzen ist zunehmend üblich. Es wird auf Flachbacken- bzw. Rundbackenmaschinen durchgeführt. Diese quer- keilgewalz-ten Wellen sind aufgrund des Walzvorgangs in ihrem Aussenbereich verfestigt. Durch den Einsatz von Vollmaterial entsteht ein hohes Gewicht, was insbesondere bei der Anwendung derartiger Wellen in der Kraftfahrzeugindustrie unerwünscht ist. Getriebewellen werden deshalb auch mit Rundknetmaschinen aus Hohlwellen aufwendig hergestellt und verschweißt bzw. werden Wellen mechanisch bearbeitet (tieflochgebohrt).

Typische Vorrichtungen zum Querkeilwalzen von Stangen sind aus der DD 92 215 bekannt. Auf die Offenbarung dieser Druckschrift wird zur Vermeidung von Wider- holungen in vollem Umfang bezug genommen. Dort wird eine erwärmte Stange stufenweise zwischen Walzen verarbeitet, wobei Dorne als Anschlagglied und als Stützglied gleichachsig und gegenüberliegend in der Walzachse des Materials angeordnet werden und mindestens ein Dorn gegenüber dem anderen axial verschieblich ist. Die axial angeordneten Dorne dienen lediglich zur Halterung u. ggf. Bearbeitung der Endabschnitte der Stange - die Herstellung einer Bohrung oder Durchgangsbohrung bzw. eines hohlen Teils ist nicht möglich. Aus der DE 10308849A1 ist die umformende Herstellung form- und maßgenauer rotationssymmetrischer Hohlkörper aus stangenförmigem Vollmaterial-Halbzeug unter Bohrungdrücken unter Verwendung eines Drückdoms und eines mindestens zwei Drückrollen aufweisenden Rollenschlittens umgeformt wird, wobei vor dem Umformvorgang das Halbzeug gezielt erwärmt und nachfolgend abgekühlt wird, wodurch ein gezieltes Temperaturgefälle vom Kern des Halbzeuges zu seiner Mantelfläche hin eingestellt wird; im Umformbereich der entstehende Hohlkörper gekühlt

wird, um die Festigkeit des Werkstoffes bei ausreichender Duktilität zu erhöhen und der Hohlkörper daraufhin einer Wärmebehandlung mit gesteuertem Temperaturprofil unterzogen wird, um die Festigkeit und Zähigkeit des Werkstoffes - hier von Eisen-Iegierungen - zu erhöhen und die Dauerfestigkeit zu verbessern. Es ist also eine aufwendige Temperaturführung zur Durchführung des Verfahrens notwendig.

Aus der DE 190905038 ist eine Querwalzvorrichtung mit Dorneinrichtung bekannt, wobei aber keine Angaben über Verfahrensparameter, wie Temperatur oder Dauer bzw. Material für das Arbeiten mit der dort beschriebenen Dorneinrichtung zur Herstellung von Wellen gemacht werden, um das erfindungsgemäße Hohlteil herstellen zu können.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen hohlen Teils zu schaffen, das einfacher leichte Teile aus duktilem Metall hoher Festigkeit erzeugt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen hohlen Metallteils, insbesondere Welle, mit: Vorlegen von stangenförmigem duktilem Vollmaterial; Erwärmen des Vollmaterials auf eine Temperatur im Bereich von 300 ⁰ C unterhalb der Schmiedetemperatur bis zur Schmiedetemperatur; Querkeilwalzen des Vollmaterials bis zum Entstehen von Schwächungen im Kernbereich des Vollmaterials unter Aufreissen desselben; und zwei Dorne geführt in das stangenförmige Vollmaterial beim Walzen mittig eingeführt werden; und ein Dorn zurückgezogen wird und der zweite Domes unter Herstellung eines rohrförmigen Teils überläuft; sowie auf ein danach hergestelltes querkeilgewalztes rotationssymmetrisches hohles Teil, insbesondere Welle, hergestellt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Getriebewelle, Nockenwelle, Antriebswelle, Abtriebswelle, Anlasserwelle, Hohlwelle oder eine Vorform für Umformteile und ähnliches ist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Dadurch, dass nun durch das Einschieben der Dorne in einen geschwächten Innenbereich, in dem aufgrund der Walkbewegung bei einer erhöhten Temperatur (bei Stahl im Bereich von 900 - 1150 ⁰ C) das Kristallgitter des schmiedefähigen

Metall-Materials geschwächt wird, kann eine Durchgangsbohrung erzielt werden, wodurch in einfacher Weise ein relativ dickwandiges rotationssymmetrisches hohles Teil, wie eine hohle Welle, mit hoher Präzision herstellbar ist. Diese Schwächung des Stangenkerns beim Querkeilwalzen bzw. dem Walkeffekt desselben ist auch als Mannesmann-Effekt bekannt. Aufgrund des hohen Außendrucks auf die Stange während des Querkeilwalzens verfestigt sich die äußere (Mantel-) Schicht des stan- genförmigen Materials, wodurch das Auseinandertreiben der Wände erleichtert wird. Durch das Einschieben des Doms wird eine hohe Werkstückgenauigkeit erzielt, da das Material durch die äusseren Formwerkzeuge geformt bleibt, während die durch das Warmwalzen auftretende Verfestigung zu Wellen mit entsprechender Belastungsfähigkeit führt. Eine typische Anzahl Umdrehungen des Rohmaterials bis zum fertigen Rohr beträgt zwischen 5 bis etwa 10 für Chromstahl - nach diesen Umdrehungen haben die Dorne eine Bohrung ausreichender Tiefe oder aber eine Durchgangsbohrung hergestellt, wobei ein überlaufen der Dorne bei der Bohrungsherstellung besonders günstig ist. Es ist erfreulich, daß die Dorne mit einem relativ geringen Anpreßdruck in das stangenförmige Material eindrückbar sind, wodurch eine gerade Bohrung mit relativ wenig Aufwand erzielt werden kann.

Die erfindungsgemäß durch das Querkeilwalzen hergestellten Rohre sind dickwandiger als im Handel erhältlich und zeigen eine Verfestigung durch die Walzbehandlung bei erhöhter Temperatur. Typisch ist eine Temperatur (bei Stahl) von 900 - 1150 ⁰ C. Durch die dicken Außenwände des Rohrs ist es möglich, Erhebungen und Ausdünnungen in der Rohrwandung durch Querwalzen zu erhalten, was bei üblichen gezogenen Rohren, die in dieser Form nicht im Handel erhältlich sind, nicht möglich ist.

Ein typischer Temperaturbereich für das erfindungsgemäße Verfahren für Stähle ist 900 - 1100 ⁰ C - also eine relativ niedrige Temperatur. Dadurch wird die Verfestigung des Mantels durch das Walzen unterstützt.

Der mindestens eine Dorn kann jede beliebige Form haben, wie eine Zahnform, einen Sechskant, ein Drallprofil etc. Dabei ist es vorteilhaft, wenn im vorderen bohrenden Abschnitt abgerundete, bevorzugt fast flache Dome bei relativ geringem

Druck, wie bis 5 Tonnen, eingesetzt werden, um ein massgenaues Bohrloch herzustellen.

Das Verfahren ist somit für hohe Stückzahlen in einfacher Weise durchführbar, wobei aufgrund des eingesetzten Formverfahrens praktisch Endform erzielt wird und die so hergestellten Werkstücke im wstl. nicht nachbearbeitet werden müssen.

Sowohl beim Werkstück selbst kann durch Materialeinsparung als auch bei den Produktionskosten eine erhebliche Ersparnis erzielt werden.

Die hohle Welle reduziert das Gewicht der herkömmlichen Wellen aus Vollmaterial, wobei aber deren Festigkeit beibehalten wird. Durch das Einschieben der Dorne wird das Material im Kern nach außen verdrängt, wobei eine hohe Werkstückgenauigkeit erhielt wird, da das Material gegen äußere Formwerkzeuge gedrückt wird.

Es ist vorteilhaft, dass zwei Dorne entlang der Stirnseiten des stangenartigen Vollmaterials eingeschoben werden. Dadurch wird der Weg eines Doms verkürzt und eine höhere Zykluszeit erzielt. Dabei werden die Dorne nur soweit eingeschoben, daß sie sich gerade noch nicht berühren. Im weiteren Verlauf wird ein Dorn zurückgefahren und der zweite Dorn über einen überlappungsbereich weiter eingeschoben.

In günstiger Weise können die Dorne zeitgleich eingeschoben werden. Es ist aber ebenso möglich, daß die Dorne zeitverschoben eingeschoben werden.

Eine typische erfindungsgemäße Welle, die als Getriebehauptwelle, Vorgelegewelle eingesetzt wird, hat einen Durchmesser von ca. 30 bis 200 mm, bevorzugt von 60 - 150 mm - selbstverständlich können auch Durchmesser realisiert werden, die darüber oder darunter liegen. Eine typische Wanddicke von Wellen liegt im Bereich von 0,5 - 200 mm, auf welche die Erfindung aber keineswegs eingeschränkt ist. Die Welle besteht vorteilhafter Weise aus einer duktilen bzw. schmiedefähigen Knetlegierung, wie einem 42CrMo4; 38MnVS6 und ähnliche AFP - Stähle (ausschei- dungshärtende Stähle) ; 16MnCrS4, 20MnCr5, 20MoCrS4 -Stahl, einer Aluminium-

oder Magnesiumlegierung, bzw. alle üblichen Stähle, wie sie dem Fachmann geläufig sind..

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels einer hohlen Welle, auf das sie keineswegs eingeschränkt ist, sowie der begleitenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein vorgelegtes stangenförmiges Vollmaterial

Fig. 2 einen Querschnitt des querkeilgewalzten Vollmaterials beim Querkeilwalzen;

Fig. 3 einen Querschnitt einer Welle beim Querkeilwalzen;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Welle mit zwei Sacklochbohrungen während des Einbringens der Dorne

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Welle mit einer Durchgangsbohrung

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch eine Querkeilwalzma- schine am Beispiel einer Flachbackenmaschine mit Materialführung zur Lagesicherung für das Aufdornen.

Fig. 7 schematisch eine Seitenansicht der Querkeilwalzmaschine der Fig. 6.

In Fig.1 ist eine Stange 1 aus Vollmaterial dargestellt, das auf Schmiedetemperatur erwärmt wird. In Fig. 2 ist schematisch dargestellt, wie dieses zu einer querkeilgewalzten Welle mit verschiedenen Durchmessern umgeformt wird. Während des Wal-zens wird die Stange 1 mit hohen Kräften über Werkzeuge 12, 14, bewegt, so daß sich das Material im Aussenbereich 4 verfestigt und der Kern 3 durch die Walkbewegung brüchig wird und aufreißt. Das Werkzeug 12, 14 formt das äußere der Welle 2 bereits in Endformnähe. Es können so Bunde, Ausdünnungen etc. ausgebildet werden. Eine typische Wandstärke einer solchen Welle beträgt 5 - 10 mm.

Fig. 3 zeigt, wie von beiden Stirnflächen der Welle 2 zwei drehbar gelagerte bewegliche Dorne 5, 6 mittig in die Welle 2 entlang des durch den Mannesmann-Effekt geschwächten Kerns 3 in axialer Richtung eingeschoben werden. Die Dorne 5, 6 werden bis kurz zum Zusammentreffen vorgeschoben. Dadurch wird das Wellenmaterial verstärkt nach außen gegen die sich bewegenden Werkzeuge 12, 14 gedrückt und erhält dadurch eine präzise Aussenkontur.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die quergewalzte Welle 2 in der ersten Form. Auf beiden Stirnseiten ist ein Sackloch 8,8 durch die Dorne erzeugt worden.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine quergewalzte Welle 2, die eine durch überlagerung des Einschiebens der Dorne 5, 6 hergestellte Endform. Um diese Durchgangsbohrung zu erzeugen, wird ein Dorn 5, 6 aus einem überlagerungsbereich der Dornwege zurückgezogen, während der entsprechend andere Dorn über den überlagerungsbereich hinweg eingeschoben wird, so daß eine Durchgangsbohrung 9 entsteht. Damit die Durchgangsbohrung glatt ist, kann in einem weiteren Schritt der die Durchgangsbohrung erzeugende Dorn 5 wieder zurückgezogen werden und der erste zurückgezogene Dorn über den überlappungsbereich gefahren wird.

Somit wird eine querkeilgewalzte hohle Welle geschaffen wobei auch größere Durchmesser denkbar sind, die von der Maschinengröße abhängig sind. Typische Maße einer fertigen Welle sind ein Durchmesser von 30 bis 200 mm, bevorzugt 60 - 150 mm. Als Werkstoffe bieten sich duktile Werkstoffe, wie schmiedefähige Knetlegierungen an. Dabei sind die Legierungen keineswegs auf Eisenlegierungen eingeschränkt - es können auch entsprechende Nichteisenlegierungen oder Legierungen mit einem untergeordneten Eisenanteil eingesetzt werden, wie duktile Aluminium oder Magnesium Legierungen.

In Fig. 6 ist eine Querkeilwalzmaschine 10 schematisch zum Verständnis des Verfahrens dargestellt. Eine Stange 1 wird von gegenüberliegenden Materialstützen 16, 18 käfigartig gemeinsam mit zwei einander gegenüberliegenden äusseren Werkzeugen 12, 14 gehalten. Die äusseren Werkzeuge 12, 14, sind senkrecht zu den Materialstützen 16, 18 angeordnet. Ein Werkzeug 12 mit dem Werkzeugträger 13

ist im wesentlichen feststehend angeordnet, während das zweite Werkzeug 14 mit dem Werkzeugträger 15 und den Materialstützen 16, 18 sich mit dem walzenden Stangenmaterial 1 auf- und abwärts bzw. in zwei lineare Richtungen hin und her bewegt. Das Werkstück wird von beiden Seiten durch die Werkzeuge 12,14 mit sehr hohen Kräften beaufschlagt, so daß aus dem Stangenteil 1 eine querkeilge- walzte Welle 2 entsteht.

Durch die Hin- und Herbewegung des Werkzeuges 14 wird der Außenmantel 4 der Welle verfestigt, während sich das Negativrelief des Werkzeugs 12,14 als Positivform auf die Welle 2 überträgt und der Wellenkern geschwächt wird.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht dieser Querkeilwalzmaschine 10, wobei ein als Keil ausgebildetes Werkzeug 12 auf die Welle 2 Kräfte ausübt und die Welle 2 von einer Materialstütze 16 und das Werkzeug 14 geformt wird.

Während die Erfindung detailliert anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann ersichtlich, daß verschiedenste Alternativen und Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung im Rahmen des Schutzum- fangs der Ansprüche möglich sind.

Bezugszeichenliste stangenförmiges Vollmaterial querkeilgewalzte Welle

Kern

Aussenbereich

Dorn

Dorn

Sackloch

Sackloch

Durchgangsbohrung

Querkeilwalzenmaschine

Werkzeug

Werkzeugträger

Werkzeug

Materialstützen

Materialstützen