DE4433991C2 - Spreizwerkzeug zur Herstellung hinterschnittener Werkstücke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spreizwerkzeug zur Herstellung hohler hinterschnittbehafteter Werkstückinnenkonturen, insbesondere Kugelfestgelenkkörper aus Stahl, um in Vorwerkstücken mit bauchigem Hohlraum und axial verlaufenden hinterschnittfreien Nuten durch eine rein radiale Bewegung von Spreizsegmenten Hinterschnitte, hier im besonderen für die inneren Kugel- und Käfiglaufflächen, einzuprägen.

Bei einem bekannten Werkzeug dieser Art (DE 39 33 293 A1) basiert die Erzeugung des Hinterschnittes auf dem sogenannten "Einzugsverfahren". Der Außendurchmesser der Werkstückvorform weist dabei am äußeren offenen Ende eine Materialverdickung, eine sogenannte Wulst, auf. Das Werkstück kann dadurch vor der Umformung nicht vollständig in die Matrize eingelegt werden. Erst wenn der Stempel in die Innenkontur des Werkstücks einfährt und die Umformkräfte über den inneren Glockenboden einleitet, wird das Werkstück vollständig in die Matrize eingezogen. Die äußere Materialverdickung am oberen Ende der Glocke wird verdrängt. Das Material umfließt dabei die Stempelkontur. Der radiale Hinterschnitt der Werkstückinnenkontur wird auf diese Weise durch eine Massivumformung des gesamten Vorwerkstückes erzeugt. Beim bekannten Werkzeug besteht die Schwierigkeit darin, daß die Einzelsegmente in einer elastischen Aufweitung den radialen Hinterschnitt im Werkstückinneren erzeugen sollen. Dadurch sind nur begrenzte Spreizwege möglich. Zwischen dem Dorn und den Innensegmenten werden die Kräfte bauformbedingt als Linienlast übertragen. Diese Beanspruchung auf kleiner Fläche führt zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß.

Es ist auch ein Werkzeug bekannt (US 47 68 368), das ebenfalls nach dem "Einzugsverfahren" arbeitet, bei dem die Segmente um einen Aufhängepunkt kippen oder schwenken können. Dieser Mechanismus hat zur Folge, daß die Kraft zwischen Dorn und Segmenten nur linien- oder punktförmig übertragen werden kann. Wegen der Form der Kontaktflächen zwischen inneren und äußeren Segmenten können die äußeren Segmente im Gegensatz zu den inneren Segmenten nur um sehr kleine radiale Wege aufgeweitet werden. Die hier erzeugten Hinterschneidungen in axialer Richtung müssen über eine mitdrehende Bewegung des Werkzeuges entformt werden. Beim bekannten Werkzeug besteht hier während des Spreizens die Gefahr, daß sich der Segmentschaft und die Segmente etwas gegeneinander verdrehen. Das Werkstück würde dadurch Ungenauigkeiten aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Werkzeug gemäß Oberbegriff des Patentanspruches zur Verfügung zu stellen, um Hinterschneidungen radial in einen vollständig in eine Preßmatrize eingelegten Hohlkörper einzubringen, wobei der Innendurchmesser größer als der Eingangsdurchmesser des fertigen Hohlkörpers ist und eine nachfolgende Entformbarkeit des Werkzeuges vom Werkstück gewährleistet ist. Die benötigten Umformkräfte sollen hierbei möglichst gering gehalten sowie eine optimale Kraftübertragung direkt in der Umformzone realisiert werden, um somit die Standzeit des Preßwerkzeuges zu erhöhen und dessen Einsetzbarkeit in automatisierten Prozessen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Gegenüber dem Stand der Technik wird durch das rein radiale Spreizen der Segmente in einer Dornhülse über zusätzliche obere Kegelgleitflächen ein Verkanten und Schwenken der Segmente in Längsrichtung um einen Anlagepunkt ausgeschlossen. Schwenkbewegungen können hier zu einem Versatz der Segmente führen und sich damit nachteilig in Form von Ungenauigkeiten am Werkstück auswirken. Ferner ermöglicht die Ausführung der unteren Gleitflächen des Spreizdornes in Form eines dreiseitigen Pyramidenstumpfes und der inneren Spreizsegmente mit hierzu komplementären ebenen Gleitflächen das Übertragen der Umformkräfte als Flächenlast direkt in der Umformzone zur Einprägung der Hinterschneidungen. Durch diese optimale Kraftübertragung lassen sich auch größere Kräfte aufbringen bzw. der Verschleiß am Werkzeug gering halten und damit die Werkzeugstandzeiten sowie die Lebensdauer des gesamten Werkzeugsystems erhöhen. Die Spreizsegmente werden in einer Dornhülse gelagert. Zu diesem Zweck wurde die Dornhülse mit Nuten versehen, die über Gleitflächen die radiale Bewegung der Spreizsegmente ermöglichen und gleichzeitig deren axiale Lagerung übernehmen. Die auftretenden vertikalen Zugkräfte an den Spreizsegmenten, verursacht durch die vertikale Bewegung des Spreizdornes, können somit aufgenommen werden. Auf ihrer vertikalen Länge werden die Spreizsegmente in Längsnuten geführt, um eine Verschiebung oder Verdrehung der Spreizsegmente über den Werkzeugumfang zu verhindern. Desweiteren lassen sich die Spreizsegmente in den Längsnuten weit nach außen verschieben, um auch große Werkstückhinterschneidungen zu erzeugen.

Die Rückstellung der Spreizsegmente nach Abschluß der Umformung wird gewährleistet, indem im unteren Bereich der Dornhülse sechs Federhülsen mit Druckfedern und den zugehörigen Druckstäben eingesetzt werden. Diese Federsysteme erzeugen radiale Rückstellkräfte auf die Spreizsegmente unmittelbar oberhalb der Wirkzone. Alle Segmente werden wieder in ihre Ausgangslage zusammengeschoben. Das Werkzeug läßt sich somit ohne Berührung der Werkstückinnenkontur aus dem radialen Hinterschnitt des Werkstückes herausfahren. Ebenso ist das berührungslose Eintauchen der Segmente in das Werkstück bis zum Aufsetzen des Werkzeugrahmens auf die Preßmatrize gegeben. Auf ein Einziehen des Werkstückes wie bei bekannten Verfahren kann verzichtet werden. Ein Vorwerkstück ist vollständig in die Preßmatrize eingelegt. Die Außenkontur des Vorwerkstückes wird nicht umgeformt. Es findet lediglich ein Prägen der inneren Werkstückhinterschnitte statt.

Beschreibung des Werkzeugsystems anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Einbeziehung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Übersicht des gesamten Werkzeugsystems, rechts im eingetauchten, nicht gespreizten Zustand (Pos. I), links im eingetauchten, gespreizten Zustand (Pos. II),

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Spreizkopf, rechts im ungespreizten Zustand (Pos. I), links im gespreizten Zustand (Pos. II),

Fig. 3 die Spreizsegmente in der Darstellung nach Fig. 2 Pos. I im Schnitt A-A im ungespreizten Zustand,

Fig. 4 die Spreizsegmente in der Darstellung nach Fig. 2 Pos. II im Schnitt A-A im gespreizten Zustand.

Fig. 1 zeigt das Werkzeugsystem zur Herstellung der Kugel- und Käfiglaufbahnen eines Kugelfestgelenkkörpers in der Übersicht. Der Aufbau ergibt sich danach wie folgt.

Der Spreizdorn (2) ist über die Werkzeughalteplatte (15) und den Dornspannring (16) mit dem Stößel der Umformmaschine verbunden. Die Paßfeder (4) dient der Verdrehsicherung des Spreizdorns (2) gegenüber der Dornhülse (3) und gewährleistet damit, daß die in den Nuten (30) der Dornhülse (3) aufgehängten drei inneren Spreizsegmente (1) plan an den oberen (20) und unteren (22) Kegelgleitflächen des Spreizdorns (2) anliegen. Die ebenfalls in Nuten (30) der Dornhülse (3) aufgehängten drei äußeren Spreizsegmente (11) werden über die Segmentflächen (24), durch die Verlängerung der Dreiecksschenkel der Außenkanten (28) beim Spreizen der inneren Segmente (1), auf den Gleitebenen (23) radial nach außen bewegt. Auf ihrer Länge sind alle sechs Spreizsegmente (1, 11) durch Längsnuten in der Dornhülse (3) geführt, um eine Verschiebung auf dem Umfang zu verhindern. Die in die Dornhülse (3) eingeschraubten sechs Federsysteme (17), bestehend aus Federhülse (6), Druckfeder (7) und Druckstab (8), schieben die Spreizsegmente (1, 11) gegen den Spreizdorn (2). Die Dornhülse (3) ist wiederum mit dem Werkzeugrahmen (5) verschraubt, der über vier Federbolzen (12) mit der Halteplatte (14) verbunden ist. Die Hauptdruckfedern (13) und die Federbolzen (12) bestimmen den Abstand zwischen der Halteplatte (14) und dem Werkzeugrahmen (5) und somit den Sitz von Spreizdorn (2) und Spreizsegmenten (1, 11) zueinander.

Die rechte Hälfte der Fig. 1 zeigt das Werkzeug vor Beginn des Spreizvorganges (Pos. I). Das Eintauchen der Spreizsegmente (1, 11) in das Werkstück (9) ist mit dem Aufsetzen des Werkzeugrahmens (5) auf die Preßmatrize (10) beendet, da über die Dornhülse (3) die Lage von Werkzeugrahmen (5) und Spreizsegmenten (1, 11) zueinander bestimmt wird. Der Spreizdorn (2) hat sich zu diesem Zeitpunkt noch nicht relativ zum Werkzeugrahmen bewegt. Die Spreizsegmente (1, 11) werden durch die Federsysteme (17) zusammengedrückt und liegen am Spreizdorn (2) an, um so das nötige Einführspiel zum Werkstück (9) zu gewährleisten.

Nach dem Aufsetzen des Werkzeugrahmens (5) auf die Preßmatrize (10) beginnt der Spreizvorgang. Die Hauptdruckfedern (13) entkoppeln für die weitere Abwärtsbewegung des Maschinenstempels den Werkzeugrahmen (5). Der Spreizdorn (2) bewegt sich nun relativ zu den Spreizsegmenten (1, 11) nach unten und drückt diese aufgrund der Steigung der zwei Kontaktflächen (20, 22) zwischen Spreizdorn (2) und Spreizsegmenten (1, 11) nach außen, ohne dabei zu verkanten oder zu kippen. Die Kontaktflächen (22) sind in Form eines dreiseitigen Pyramidenstumpfes ausgeführt, um die auftretenden Kräfte als Flächenlast aufzubringen. So können zum einen größere Kräfte übertragen werden und zum anderen aufgrund geringeren Verschleisses höhere Standmengen erzielt werden.

In der linken Bildhälfte der Fig. 1 ist das Werkzeugsystem im gespreizten Zustand zu sehen (Pos. II). Der Spreizdorn (2) ist bis auf die maximale Tiefe heruntergefahren und die Spreizsegmente (18) haben ihre Endlage in radialer Richtung erreicht. Die Erzeugung des Hinterschnittes ist abgeschlossen. Das verdrängte Material ist während des Spreizvorganges an den Segmenten nach oben geflossen. Auf den Innenboden (29) des Werkstücks (9) wird während der Umformung kein Druck ausgeübt, sodaß die Kontur der Vorform im Innenboden- und Zapfenbereich erhalten bleibt.

Die starken Hauptdruckfedern (13) bewirken beim Rückhub des Maschinenstößels, daß der Werkzeugrahmen (5) und damit die Spreizsegmente (1, 11) solange im unteren Totpunkt verweilen, bis der Spreizdorn (2) vollständig zurückgezogen ist und die Spreizsegmente (1, 11) von den Federsystemen (17) wieder zusammengeschoben sind. Jetzt ist ein ausreichendes Spiel zum Werkstück (9) vorhanden, um beim folgenden Abheben des Werkzeugrahmens (5) von der Preßmatrize (10) das Werkstück (9) berührungsfrei zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

Spreizsegment innen

2

Spreizdorn

3

Dornhülse

4

Paßfeder

5

Werkzeugrahmen

6

Federhülse

7

Druckfedern

8

Druckstab

9

Werkstück

10

Preßmatrize

11

Spreizsegment außen

12

Federbolzen

13

Hauptdruckfedern

14

Federbolzenhalteplatte

15

Werkzeughalteplatte

16

Spannring

17

Federsysteme

18

Spreizsegmente

19

Paßfedernut

20

obere Gleitfläche

21

mittlere Gleitfläche

22

untere Gleitfläche

23

Gleitebene

24

Segmentgleitfläche

25

Außenkontur zum Prägen der Kugellaufbahnen

26

Außenkontur zum Prägen der Kugellaufbahnen

27

Außenkontur zum Prägen der Käfiglaufbahnen

28

Verlängerung der Dreiecksschenkel der Außenkanten

29

Werkstückinnenboden

30

Dornhülsennut

31

Preßmatrizeneinsatz

Claims (5)

1. Spreizwerkzeug zur Herstellung hohler, hinterschnittener Werkstückinnenkonturen, insbesondere Kugelfestgelenkkörper aus Stahl, mit einer das Werkstück aufnehmenden Preßmatrize und einem die Werkstückinnenkontur ausbildenden Werkzeug, das einen Spreizdorn und den freien Endabschnitt des Spreizdorns umgebende innere und äußere Spreizsegmente aufweist, wobei die inneren Spreizsegmente bei einer axialen Relativbewegung zwischen Spreizdorn und Spreizsegmenten durch Gleitflächen des Spreizdorns nach außen verschoben werden und dabei die äußeren Spreizsegmente über aneinanderliegende Begrenzungsflächen nach außen verschieben, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizdorn (2) zusätzlich obere Kegelgleitflächen (20) aufweist, so daß die mit komplementären oberen Schrägflächen versehenen und in Nuten (30) einer Dornhülse (3) gelagerten Spreizsegmente (1, 11) auf ihrer ganzen Länge radial nach außen verschoben werden können.

2. Spreizwerkzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Federsystem (17) auf jedes der Spreizsegmente (1, 11) wirkt, das die notwendigen Rückstellkräfte zur Durchmesserreduzierung der Spreizsegmente (1, 11) aufbringt.

3. Spreizwerkzeug nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die die notwendigen Rückstellkräfte aufbringenden Federsysteme (17) jeweils mittig zwischen den kraftübertragenden Gleitflächen (20, 22) der Spreizsegmente (1, 11) angeordnet sind.

4. Spreizwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Gleitflächen (22) des Spreizdorns (2) die Form eines dreiseitigen Pyramidenstumpfes und die inneren Spreizsegmente (1) hierzu komplementäre ebene Gleitflächen aufweisen.

5. Spreizwerkzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizsegmente (1, 11) in einem Werkzeugrahmen (5) axial fixiert sind und sich in den radialen Nuten (30) auf Gleitebenen (23) der Dornhülse (3) radial verschieben lassen.