Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hohlzylindrischen Werk stücks, insbesondere einer Hohlwelle, aus einem massiven Ausgangswerkstück.

Für verschiedene Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau werden hohlzylind rische Bauteile benötigt, die einerseits ein geringes Gewicht haben sollen und gleich zeitig von hoher Festigkeit sind. Etwa bei der Herstellung von Getrieben werden Ge triebewellen benötigt, welche zur Drehmomentübertragung eine hohe Festigkeit auf weisen und zur Reduzierung des Massenträgheitsmomentes ein möglichst geringes Gewicht haben sollen.

Aus der DE 10 2005 036 681 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle bekannt, wobei ein Rundknetverfahren eingesetzt wird.

Aus der DE 102012 005 106 B4 geht ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle aus einem massiven Halbzeug hervor, wobei zunächst zwei Teile der Welle durch ein Bohrungsdrücken erzeugt werden. Anschließend können die beiden Teile durch Reibschweißen miteinander verbunden werden.

Das Bohrungsdrücken zählt zu den spanlosen Umformverfahren. Dabei wird ein massives Ausgangswerkstück in einer Drückmaschine in Rotation versetzt, wobei axial ein Drückdorn in das massive Werkstück eingedrückt wird, während gleichzeitig an der Außenseite mindestens eine Umformrolle an das Werkstück angelegt wird. Durch das Anlegen der mindestens einen Umformrolle wird ein komplexer Span nungszustand im Werkstück erzeugt, bei welchem ein spanloses Umformen mit ei nem axialen Eindrücken des Drückdorns ermöglicht wird. Ein Verfahren zum Herstellen eines Getriebeteils durch ein Bohrungsdrücken ist bei spielsweise aus der DE 10304960 A1 bekannt.

Die durch das Bohrungsdrücken erzeugten Werkstücke werden üblicherweise ab schließend einer spanabhebenden Bearbeitung, insbesondere auf einer Drehma schine, unterzogen, um eine gewünschte Endkontur zu erhalten.

Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit wel chem hohlzylindrische Werkstücke mit möglichst geringem Gewicht und besonders hoher Festigkeit effizient hergestellt werden können.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den ab hängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines hohlzylindrischen Werkstücks aus einem massiven Ausgangswerkstück vorgesehen, bei dem in das massive Ausgangswerkstück spanlos durch Bohrungsdrücken, bei welchem ein Drückdorn in das Ausgangswerkstück axial eingedrückt wird und gleichzeitig mindes tens eine Umformrolle an einer Außenseite des Außenwerkstücks zugestellt wird, eine topfförmige Zwischenform erzeugt wird, welche einen massiven Bodenabschnitt und einen sich daran anschließenden Hülsenabschnitt mit einer ersten Länge und einer ersten Wanddicke aufweist, und die topfförmige Zwischenform anschließend einem Abstreckdrückwalzen unterzogen wird, bei welchem der Hülsenabschnitt zu einer zweiten Länge, welche größer ist als eine erste Länge, und zu einer zweiten Wanddicke abgestreckt wird, welche kleiner ist als die erste Wanddicke.

Eine erste Grundidee der Erfindung liegt darin, aus einem massiven Ausgangswerk stück durch Bohrungsdrücken eine topfförmige Zwischenform zu erzeugen. Durch das Bohrungsdrücken wird die Zwischenform spanlos hergestellt, wobei durch das Eindrücken des Drückdorns bei gleichzeitiger radialer Zustellung mindestens einer Umformrolle an einer Umformmaschine eine Materialstruktur mit einem ungebroche nen oder ungeschnittenen Faserverlauf erzeugt wird. Der durch das spanlose Um formen hergestellte Faserverlauf in der Werkstückstruktur führt zu einer erhöhten Festigkeit im Materialgefüge. Ein zweiter Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dieses vorteilhafte Material gefüge, welches beim Bohrungsdrücken erzeugt wird, noch dadurch weiter zu ver bessern, dass die topfförmige Zwischenform anschließend einem Abstreckdrückwal zen unterzogen wird, wobei ein Hülsenabschnitt der Zwischenform in seiner Wanddi cke weiter verdünnt und der Hülsenabschnitt in axialer Richtung gelängt wird. Bei dem Abstreckdrückwalzen bleibt der vorteilhafte ungebrochene Faserverlauf des Bohrungsdrückens grundsätzlich erhalten. Gleichzeitig kann durch das Abstreck drückwalzen eine weitere Verfestigung des Materialgefüges durch die aufgebrachten Spannungen bewirkt werden. Dieses Verfahren kann dabei als ein Warm umform ver fahren und/oder als ein Kaltumformverfahren durchgeführt werden. Bei diesem Ab streckdrückwalzen erfolgt kein Eindrücken des eines Umformdornes mehr.

Durch eine gezielte Temperaturführung bei den einzelnen Verfahrensschritten kann insbesondere eine gezielte Kaltverfestigung, insbesondere beim Abstreckdrückwal zen, erzielt und eingestellt werden.

Insgesamt kann so ein hohlzylindrisches Werkstück mit einer relativ geringen Wand dicke bei gleichzeitig hoher Festigkeit hergestellt werden.

Grundsätzlich kann beim Bohrungsdrücken der Drückdorn nur geringfügig in das Ausgangswerkstück eindringen oder dieses insgesamt durchdringen. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass beim Bohrungsdrü cken der Drückdorn in das Ausgangswerkstück bis zu einem Mittenbereich einge bracht wird. Dieser kann sich etwa zwischen 20% bis 80% der axialen Länge des Ausgangswerkstücks erstrecken. Hierdurch kann eine Zwischenform erreicht wer den, welche einerseits einen Hülsenabschnitt mit einem verfestigten Werkstückbe reich und andererseits einen Werkstückbereich mit einem weitgehend unveränderten Materialgefüge aufweist.

Besonders vorteilhaft ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass zum Ab streckdrückwalzen mindestens eine Abstreckdrückwalze an einem Übergangsbe reich, welcher zwischen dem massiven Bodenabschnitt und dem Hülsenabschnitt liegt, zugestellt und axial zum Übergangbereich zum freien Ende des Hülsenab schnitts bewegt wird. Hierdurch kann gezielt der Hülsenabschnitt durch das Ab streckdrückwalzen verdünnt und zusätzlich verfestigt werden. Nach einer bevorzugten Verfahrensvariante ist es vorgesehen, dass in dem Über gangsbereich vor dem Abstreckdrückwalzen eine ringförmige Ausnehmung ausge bildet wird, in welche die mindestens eine Abstreckdrückwalze angesetzt wird. Die ringförmige Ausnehmung kann entweder spanlos oder spanabhebend durch einen vorausgehenden spanabhebenden Verfahrensschritt in die Außenseite des Werk stücks eingebracht werden. Das Einbringen der ringförmigen Ausnehmung kann vor, während oder nach dem Bohrungsdrücken erfolgen. Dies erlaubt ein gezieltes Ab streckdrückwalzen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird ein besonders effizientes Umformen dadurch erzielt, dass beim Bohrungsdrücken durch die Umformrolle ein Werkstück bereich hinter der Umformrolle, welcher zum Drückdorn gerichtet ist, aufgeweitet wird, wobei um den Drückdorn ein Freiraum gebildet wird. Vorzugsweise weist dabei die mindestens eine Umformrolle an ihrer Hinterseite einen konisch abgeschrägten Bereich auf, so dass beim radialen Zustellen der Umformrolle an das Werkstück ein gewisser Materialfluss radial nach außen hinter der Umformrolle eingestellt wird. Da bei erfolgt das Zustellen der Umformrolle etwa auf der gleichen axialen Höhe, auf der ein Vorderbereich des Drückdorns liegt oder die mindestens eine Umformrolle eilt dem Drückdorn axial ein gewisses Stück voraus. Durch die Kombination der Um formrolle und der Zustellung wird ein gewisser Materialfluss radial nach außen unter stützt, so dass bei der gleichzeitigen axialen Zustellung des Bohrungsdorns um die sen ein gewisses Spiel oder ein ringförmigen Freiraum erzeugt wird. Auf diese Weise kann die topfförmige Zwischenform besonders effizient erzeugt werden.

Weiterhin kann es nach einer Verfahrensvariante der Erfindung vorteilhaft sein, dass an einem Innendurchmesser des Werkstücks eine Führungshülse zum Führen des Materials vorgesehen wird. Die Führungshülse kann dabei an dem Drückdorn, insbe sondere in einem vorderen Bereich, gelagert sein. Durch eine solche Führungshülse kann eine gute Führung des Materials beim Bohrungsdrücken bei einer gleichzeiti gen Verminderung von Reibungswiderständen erzielt werden.

Eine besonders vorteilhafte Formgebung kann nach einer Variante des erfindungs gemäßen Verfahrens dadurch erzielt werden, dass das freie Ende des Hülsenab schnitts zum Bilden mindestens eines Wellenabsatzes radial eingezogen wird. Dabei kann in dem hohlen Werkstück in einem mittleren Bereich ein größerer Hohlraum gebildet sein als an dem eingezogenen freien Ende. Das Einziehen kann im Extrem fall so weit ausgeführt werden, dass das freie Ende weitgehend oder vollständig ge schlossen wird.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass das radiale Einziehen durch ein radiales Zu stellen mindestens einer Einziehrolle durchgeführt wird. Vorzugsweise sind zwei, drei oder mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilte Einziehrollen vorgesehen, so dass sich beim Einziehen eine Kompensation der Querkräfte auf das Gesamtwerk stück ergibt. Durch das Einziehen kann ein ein- oder mehrstufiger Wellenabsatz am freien Ende des Werkstücks ausgeformt werden.

Grundsätzlich kann das gegenüberliegende Ende mit dem massiven Bodenabschnitt des Werkstücks ebenfalls spanlos umgeformt werden. Besonders vorteilhaft ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass der massive Bodenabschnitt spanab hebend bearbeitet wird, wobei mindestens ein Wellenabsatz ausgebildet wird. In dem massiven Bodenabschnitt befindet sich ein weitgehend unverspanntes Materialgefü ge, da dieser Abschnitt keinem oder keinem wesentlichen Umformverfahren unterzo gen wurde. Somit kann der massive Bodenabschnitt etwa durch Drehen, Fräsen oder Bohren effizient bearbeitet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass in dem massiven Bodenabschnitt eine Bohrung eingebracht wird. Insbesondere kann die Bohrung koaxial zur Werkstücklängsachse sein. Die Bohrung kann als eine Sack lochbohrung mit einem Zwischenwandabschnitt zum restlichen Hohlraum des Werk stücks oder als eine Durchgangsbohrung ausgeführt sein, wobei ein durchgehender Längshohlraum in dem Werkstück gebildet wird.

Eine besonders gute Einstellung der Festigkeit des Werkstücks kann nach einerwei teren Verfahrensvariante dadurch erzielt werden, dass das Ausgangswerkstück und/oder die Zwischenform über ihre axiale Länge mit einem definierten Tempera turprofil versehen wird, bei welchem Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen zum Erzielen unterschiedlicher Festigkeiten im Werkstück erzeugt werden. So kön nen zu unterschiedlichen Verfahrensschritten und/oder in unterschiedlichen Berei chen Temperaturen eingestellt werden, welche entweder ein Kaltverformen oder ein Warmverformen ermöglichen. Bei einem Warmverformen liegt die Werkstücktempe- ratur oberhalb der sogenannten Rekristallisationstemperatur des Werkstückmateri als, so dass sich das Materialgefüge stets neu bildet und sich keine Kaltverfestigung ausbildet. Erfolgt hingegen ein Umformen unterhalb der Rekristallisationstemperatur, werden die Materialkörner und das Materialgefüge gestreckt und es kann sich eine Kaltverfestigung einstellen. Dabei kann in einer Anfangsphase des Verfahrens zu nächst eine Warmverformung durchgeführt werden, während in einer abschließen den Phase der Umformung eine Kaltverformung mit einer gezielten Festigkeitsein stellung durchgeführt wird. Insbesondere kann das Bohrungsdrücken als eine Warmumformung durchgeführt werden, während insbesondere das sich anschlie ßende Abstreckdrückwalzen als eine Kaltverformung durchgeführt wird.

Besonders zweckmäßig kann es nach einer Weiterbildung der Erfindung sein, dass das Werkstück am Bodenabschnitt eingespannt und im Bereich des Bodenabschnitts aktiv gekühlt wird. Insbesondere beim Durchführen des Bohrungsdrückens bei einer erhöhten Temperatur können so Überhitzungen im Bodenabschnitt mit unerwünsch ten Ausglüheffekten im Material vermieden werden. Eine Kühlung des Bodenab schnitts kann über das Spannfutter der Maschine erfolgen.

Eine Temperaturführung kann abhängig von der Art des Verfahrens sowie der ge wünschten Festigkeitseigenschaften des Werkstücks ausgewählt werden. Besonders vorteilhaft ist es nach einer Ausführungsform der Erfindung, dass zumindest das Bohrungsdrücken mit einer Warmumformtemperatur durchgeführt wird. Vorzugswei se kann das Abstreckdrückwalzen als eine Kaltumformung erfolgen.

Grundsätzlich kann das Ausgangswerkstück in beliebiger Weise hergestellt sein, et wa als Schmiedeteil, Gusswerkstück oder spanabhebend vorbearbeitetes Werkstück. Besonders wirtschaftlich ist es nach einer Ausführungsform der Erfindung, dass das Ausgangswerkstück durch Ablängen aus einem Stangenmaterial gebildet wird. Stan genmaterial kann zuverlässig und kostengünstig in den unterschiedlichsten Qualitä ten bezogen werden, wobei durch Ablängen eine individuelle Werkstücklänge einge stellt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen wei ter beschrieben, welche schematisch in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 -6 Querschnittsansichten eines Werkstücks gemäß unterschiedli chen Stadien bei einem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht durch ein Werkstück beim Bohrungs drücken gemäß der Erfindung;

Fig. 8 eine Querschnittsansicht durch ein Werkstück beim Bohrungs drücken unter zusätzlichem Einsatz einer Führungshülse;

Fig. 9 eine Querschnittsansicht durch ein Werkstück nach dem Boh rungsdrücken;

Fig. 10 eine Querschnittsansicht durch das Werkstück von Fig. 9 nach dem Einformen einer ringförmigen Ausnehmung; und

Fig. 11 - 13 Querschnittsansichten durch alternative Ausgangswerkstücke für das erfindungsgemäße Verfahren.

Gemäß Fig. 1 kann als Ausgangswerkstück 10 ein metallischer massiver Zylinder verwendet werden, welcher beispielsweise durch Ablängen von einem Stangenmate rial gebildet ist.

In einem ersten Verfahrensschritt nach Fig. 2 wird aus dem Ausgangswerkstück 10 gemäß Fig. 1 durch Bohrungsdrücken unter Verwendung eines in Fig. 2 nicht darge stellten Drückdorns und mindestens einer Umformrolle eine Zwischenform 20 gebil det. Bei diesem Bohrungsdrücken wird ein Drückdorn in einen Mittenbereich des Ausgangswerkstücks 10 unter gleichzeitiger Anlage einer oder mehrerer Umformrol len an der Außenseite axial eingedrückt. Flierdurch wird die Zwischenform 20 topf förmig mit einem Hülsenabschnitt 24 mit einem inneren Hohlraum 25 gebildet. Der Hülsenabschnitt 24 geht über einen Übergangsbereich 26, bis zu welchem die min destens eine Umformrolle entlang gelaufen ist, in einen im Wesentlichen unverform ten massiven Bodenabschnitt 22 über. Der Außendurchmesser des massiven Bo denabschnitts 22 entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser des Ausgangswerk stücks 10, während demgegenüber ein Außendurchmesser des Hülsenabschnitts 24 durch das Bohrungsdrücken unter gleichzeitigem Einsatz einer oder mehrerer Um formrollen eine erste Reduzierung des Außendurchmessers aufweist. Gemäß Fig. 3 wird etwa durch eine nicht dargestellte Umformrolle in den Über gangsbereich 26 eine ringförmige Ausnehmung 28 oder Vertiefung in die Zwischen form 20 eingeformt. Die ringförmige Ausnehmung 28 dient als Ansatzpunkt für eine oder mehrere Abstreckdrückwalzen.

Gemäß Fig. 4 überlaufen die eine oder mehrere Abstreckdrückwalzen ausgehend von der ringförmigen Ausnehmung 28 die Zwischenform 20 zum freien Ende des Flülsenabschnitts 24 hin. Bei diesem Abstreckdrückwalzvorgang befindet sich ein Drückdorn in dem Innenraum 25, wobei der Drückdorn des vorausgegangenen Boh rungsdrücken oder ein anderer Drückdorn eingesetzt werden kann. Beim Abstreck drückwalzen ergibt sich eine Reduzierung der Wanddicke des Hülsenabschnitts 24 von einer ersten Wanddicke gemäß Fig. 3 zu einer zweiten kleineren Wanddicke gemäß Fig. 4. Das dabei verdrängte Werkstückmaterial führt zu einer Längung des Hülsenabschnitts 24, wie anschaulich in Fig. 4 dargestellt ist. Bei gleichbleibendem Innendurchmesser ergibt sich eine weitere Reduzierung des Außendurchmessers am Hülsenabschnitt 24.

Sodann kann ein freier Endbereich des rohrförmigen Hülsenabschnitts 24 durch ra diales Zustellen einer oder mehrerer Einziehrollen radial nach innen eingezogen werden, wobei ein gestufter Wellenabsatz 56 eingeformt wird, wie anschaulich in Fig. 5 dargestellt ist. Dabei kann in dem mittigen Hohlzylinderabschnitt 52 ein hinter- schnittener Hohlraum für das hohlzylindrische Werkstück 50 gebildet werden.

Nach dem spanlosen Umformen kann eine spanabhebende Bearbeitung an dem Werkstück insbesondere durch Bohren, Fräsen und insbesondere eine drehende Bearbeitung auf einer Drehmaschine erfolgen. Hierbei kann der erste Wellenab satz 56 drehend endbearbeitet werden. Zudem kann in dem massiven Bodenab schnitt 22 durch Bohren und/oder Drehen eine mittige Bohrung 60 eingebracht wer den. Zudem kann an dem massiven Bodenabschnitt 22 ein Abdrehen des Außenum fangs erfolgen, so dass ein zweiter Wellenabsatz 58 an dem anderen Ende des hohlzylindrischen Werkstücks 50 ausgebildet wird.

Die Bohrung 60 kann grundsätzlich durchgehen und sich bis in den Hohlraum des Hohlzylinderabschnitts 52 erstrecken oder, wie anschaulich in der Fig. 6 gezeigt ist, als eine Sacklochbohrung mit einer durchgehenden Wand gegenüber dem Hohlzy linderabschnitt 52 ausgebildet sein.

Im Zusammenhang mit Fig. 7 wird das Bohrungsdrücken bei dem erfindungsgemä ßen Verfahren näher erläutert, wobei zum Bilden einer Zwischenform 20 ein schaft förmiger zylindrischer Drückdorn 30 axial in das Ausgangswerkstück 10 eingedrückt wird. Das Ausgangswerkstück 10 wird dabei um seine Mittenachse in Rotation ver setzt, wobei das Ausgangswerkstück 10 am massiven Bodenabschnitt 22 an einem nicht dargestellten Spannfutter, welches gekühlt werden kann, eingespannt ist. Im Bereich der Stirnseite des Drückdorns 30 werden an den Außenumfang der Zwi schenform 20 zum Bohrungsdrücken eine oder mehrere Umformrollen 35 radial zu gestellt, wobei sich im Material ein dreidimensionaler Spannungszustand ausbildet, durch welchen das massive Ausgangswerkstück 10 mit einem hohlen Hülsenab schnitt 24 ausgebildet wird, indem der Drückdorn 30 immer weiter in die Zwischen form 20 axial eindringt. Das dabei verdrängte Werkstückmaterial wird unter Einwir kung der mindestens einen Umformrolle 35 axial nach hinten entlang des Drückdorns 30 zum Bilden des Hülsenabschnitts 24 verdrängt.

Die Umformrolle 35 ist doppelkonusförmig ausgebildet, wobei ein vorderer konischer Einlaufabschnitt 36 und ein hinterer konischer Auslaufabschnitt 37 ausgebildet sind. Durch den hinteren konischen Auslaufabschnitt 37, welcher sich nach hinten ver jüngt, wird insbesondere in der eigentlichen Umformzone Werkstückmaterial teilwei se radial nach außen verdrängt, so dass sich ein gewisser Freiraum im vorderen Be reich um den Drückdorn 30 ergeben kann, was ein verbessertes axiales Eindringen des Drückdorns 30 ermöglicht.

Gemäß Fig. 8 ist eine alternative Ausgestaltung für das Bohrungsdrücken dargestellt, wobei in Ergänzung zu der Anordnung nach Fig. 7 am Drückdorn 30 eine axial ver schiebbare Führungshülse 32 gelagert ist. Das beim Bohrungsdrücken verdrängte Werkstückmaterial kann dabei teilweise an der Führungshülse 32 aufliegen und durch diese bei einem Verschieben nach hinten zusätzlich geführt werden. Dies führt ebenfalls zu einem leichteren und verbesserten Bohrungsdrücken nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren. Fig. 9 zeigt in vergrößerter Darstellung den Zustand der Zwischenform 20 entspre chend Fig. 2, wobei ein Flülsenabschnitt 24 mit einem inneren Hohlraum 25 gebildet ist, während ein im Wesentlichen unverformter massiver Bodenabschnitt 22 verbleibt. Der Hülsenabschnitt 24 geht konisch in den durchmessergrößeren massiven Boden abschnitt 22 mit einem Übergangsbereich 26 über.

In diesem Übergangsbereich 26 wird entsprechend Fig. 10 eine ringförmige Aus nehmung 28 oder Vertiefung eingearbeitet. Dies kann vorzugsweise spanlos durch radiales Zustellen einer entsprechenden Umformrolle erfolgen oder gegebenenfalls auch spanabhebend, etwa auf einer Drehmaschine. In diese ringförmige Ausneh mung 28 gemäß Fig. 10 kann dann für den nachfolgenden Abstreckdrückwalzver- gang eine oder mehrere Abstreckdrückwalzen positionsgenau eingesetzt werden.

In den Figuren 11 bis 13 sind alternative Ausgestaltungen für das Ausgangswerk stück 10 dargestellt. Dabei kann das Ausgangswerkstück 10 gemäß Fig. 11 ein span abhebend vorbearbeitetes oder durch Schmieden oder Gießen hergestelltes Werk stück mit einem vorgeformten Absatz 12 sein, welcher im dargestellten Ausführungs beispiel massiv und leicht konisch ausgebildet ist.

Gemäß der Ausführung nach Fig. 12 kann das Ausgangswerkstück 10 zusätzlich zu einem leicht konischen Absatz 12 noch eine Ringschulter 14 aufweisen.

Weiterhin kann gemäß der alternativen Ausgestaltung gemäß Fig. 13 das Aus gangswerkstück 10 mit einem konischen Absatz 12 ausgebildet sein, in welchem ein Mittenloch 16 angeordnet ist. Dieses kann gegebenenfalls bei einem vorausgehen den Schmiedevorgang eingeformt oder spanabhebend eingearbeitet sein.