Verfahren zum Herstellen von nicht-rotationssysmmetrischen Ringen und Nockenring

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von nicht- rotationssymmetrischen Ringen, insbesondere von Nockenringen, zur Verwendung beim Innenhochdruck-Umformen von Nockenwellen.

Die Erfindung betrifft ferner einen Nockenring, der durch ein solches Verfahren hergestellt ist.

Nockenwellen, die beispielsweise für die Ansteuerung von Ventilen in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen verwendet werden, sind ursprünglich aus einem Stück hergestellt worden, beispielsweise geschmiedet oder gegossen worden. Die Laufflächen der Nocken unterliegen relativ hohem Verschleiß. Die Oberflächen werden daher gehärtet.

Es ist weiterhin bekannt, Nockenwellen aus Einzelteilen herzustellen (so genannte gebaute Nockenwellen). Dabei werden einzelne Nocken, beispielsweise in Form massiver Kurvenscheiben, auf eine Welle aufgeschoben und mit dieser verbunden (durch Schweißen oder Aufschrumpfen).

Aus der DE 199 09 184 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle aus einem Rohr bekannt. Hierbei werden ein Rohr und vorgefertigte Nockenringe bereitgestellt. Die Nockenringe sind nicht-rotationssymmetrisch und weisen über den Umfang eine etwa konstante Wanddicke auf. Die Nockenringe entsprechen folglich der Nockenkontur und besitzen bereits die für den Einsatz erforderliche Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit.

Die Nockenringe werden anschließend lagerichtig auf das Rohr aufgeschoben. Die Nockenwelle wird durch das Innenhochdruck-Umformverfahren hergestellt, wobei das Rohrmaterial von innen an die Innenkontur der Nockenringe gedrückt wird, so dass diese kraft- und formschlüssig an dem Rohr befestigt werden.

Ein Beispiel für das Herstellen solcher Nockenringe ist beschrieben in der DE 101 34 776 C2.

Das Verfahren geht aus von einem warmgewalzten Stahlrohr, von dem einzelne Abschnitte abgetrennt, allseits mechanisch bearbeitet und anschließend vergütet (d.h. gehärtet und angelassen) werden.

Die von der Rotationssymmetrie abweichende Form wird durch eine Kaltumformung hergestellt, und zwar vor dem Vergüten, wobei das Rohr bzw. der abgetrennte Roh- ring ein für die Kaltumformung geeignetes Gefüge aufweist.

Als Ausgangsmaterial ist Wälzlagerstahl, insbesondere 100Cr6, vorgeschlagen, das wahlweise geregelt endgewalzt oder nach dem Walzen auf kugeligem Zementit geglüht (GKZ) worden ist.

Das Abtrennen kann ein Warmabtrennen oder ein Kaltsägen sein. Es ist beispielsweise beschrieben, dass das Rohr auf 720 ⁰ C vorgewärmt wird, wobei Rohringe warm abgetrennt werden (mittels Schneidwalzen). Die mechanische Bearbeitung erfolgt in Form von CNC-Drehen in zwei Einspannungen.

Bei dem anschließenden Umformvorgang (Kaltumformung) wird ein Prägewerkzeug mit zwei Formbacken verwendet. Die Innenkontur der einen Backe ist etwa halbkreisförmig. Die zweite Formbacke zeigt eine trapezartige Innenkontur.

Vor dem obigen Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen solcher Nockenringe anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bereitstellen von nicht- rotationssymmetrischen Ringen, insbesondere von Nockenringen, zur Verwendung beim Innenhochdruck-Umformen von Nockenwellen, mit den Schritten: Bereitstellen eines kaltgezogenen rotationssymmetrischen Rohrs aus Stahl, Abtrennen eines Rohrings von dem Rohr, Prägeumformen des Rohrings in seine nicht- rotationssymmetrische Form, Vergüten des umgeformten Ringes und Hartbearbeiten von dessen Stirnseiten.

Durch die Maßnahme, von einem kaltgezogenen Rohr aus Stahl auszugehen, kann das Rohr mit hoher Maßgenauigkeit und Oberflächengüte bereitgestellt werden. Da das Rohr bzw. die davon abgetrennten Rohringe für die anschließende Kaltumformung in die nicht-rotationssymmetrische Form keine wesentliche Temperaturänderung erfahren müssen, kann auch die Maßgenauigkeit der Fertigringe positiv beeinflusst werden.

Es ist insbesondere nicht notwendig, zwischen dem Abtrennen der Rohringe und dem Umformvorgang eine mechanische Bearbeitung vorzunehmen. Insbesondere ist eine mechanische Bearbeitung am Außenumfang der Nocken nicht erforderlich.

Zur Einhaltung von genauen Abmessungen in axialer Richtung wird nach dem Vergüten eine Hartbearbeitung an den Stirnseiten vorgenommen. Hierbei ist in der Regel nur eine Einspannung notwendig.

Insgesamt kann der Nockenring folglich mit hoher Maßgenauigkeit und Oberflächengüte hergestellt werden, wobei weniger Einspannungen und Arbeitsschritte erforderlich sind als im Stand der Technik.

Demzufolge wird die Aufgabe vollkommen gelöst.

Vorzugsweise erfolgt das Abtrennen des Rohrings durch Abstechen mittels einer Drehmaschine.

Auch hierbei kann bereits eine vergleichsweise hohe Oberflächengüte und Maßgenauigkeit an den Stirnseiten erzielt werden, so dass die Hartbearbeitung an den Stirnseiten mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann (beispielsweise durch Schleifen).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden in dem Abtrennschritt mehrere Ringe gleichzeitig abgetrennt.

Dies führt zu einer höheren Effizienz und zu einem hohen Durchsatz.

Von besonderem Vorzug ist es ferner, wenn vor dem Abstechen des Rohringes am Innen- und/oder Außendurchmesser des Rohres Fasennuten eingestochen werden.

Hierdurch ist es möglich, Grate an den übergängen von Umfangsflächen zu Stirnseiten weitgehend oder vollständig zu vermeiden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Rohr vor dem Abtrennen des Rohringes am Außen- und/oder am Innendurchmesser mechanisch bearbeitet.

Obgleich ein kaltgezogenes Rohr bereits eine hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte besitzt, kann zur Optimierung vor dem Abtrennen eine Oberflächenbearbeitung an dem Innen- und/oder Außendurchmesser durchgeführt werden. Hierbei ist im Wesentlichen keine zusätzliche Einspannung erforderlich. Vielmehr kann dies in der gleichen CNC-Maschine erfolgen, die auch zum Abtrennen (Abstechen) der Rohringe verwendet wird.

Bevorzugt werden die Stirnseiten des umgeformten Ringes plangeschliffen.

Dies führt zu einer hohen Oberflächengüte.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Prägeumformung des Rohringes mittels wenigstens zweier Formbacken erfolgt, die den umgeformten Ring außenumfänglich vollständig umschließen.

Da die Rohringe vor der Prägeumformung aus einem kaltgezogenen Stahlrohr hergestellt sind, haben die Rohringe bereits eine hohe Maßgenauigkeit, so dass eine Prägeumformung so erfolgen kann, dass die Prägebacken den Ring außenumfänglich vollständig umschließen.

Dabei kann die Prägeumformung auch noch zur Kalibrierung verwendet werden.

Dies gilt insbesondere, wenn die Prägeumformung des Rohringes mittels wenigstens zweier Formbacken erfolgt, deren gemeinsamer Innenumfang im geschlossenen Zustand kleiner ist als der Außenumfang des Rohringes.

Hierbei kann der Ring beim Prägeumformen radial gestaucht werden, so dass eine Kalibrierung auf die Endform erfolgen kann.

Die radiale Stauchung ist jedoch aufgrund der hohen Maßgenauigkeit des Rohringes so gering, dass keine negativen Einflüsse auf die innere Struktur des Ringmaterials zu erwarten ist. Mit anderen Worten werden hierbei keine Spannungen auftreten, die beim anschließenden Vergüten zu einem Verzug führen könnten.

Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn das bereitgestellte Rohr aus 100Cr6 hergestellt ist.

Insbesondere ist bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, dass keine allseitige mechanische Bearbeitung der Ringe erforderlich ist, so dass die Fertigung mit wenigen Einspannungen durchgeführt werden kann.

Auch ist die Materialaufwendung verglichen zu bekannten Herstellprozessen gering. Der maximale Materialverlust vom Präzisionsstahlrohr zum fertigen Ring beträgt maximal 30 %.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Stahlrohres als Ausgangsmaterial für eine äusfuhrungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht des Stahlrohrs, in das außen- und innenumfänglich Fasennuten eingebracht worden sind;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Teilansicht mit einer verbreiterten Fasennut;

Fig. 4 eine Darstellung von drei abgetrennten Rohringen;

Fig. 5 eine Darstellung eines umgeformten Fertigringes;

Fig. 6 eine Seitenansicht des Fertigringes der Fig. 5;

Fig. 7 ein Umformwerkzeug;

Fig. 8 eine Längsschnittansicht durch eine Innenhochdruck-umgeformte

Nockenwelle; und

Fig. 9 ein schematisches Flussdiagramm zur Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.

In Fig. 1 ist ein Stahlrohr 10 als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren gezeigt. Das Stahlrohr 10 ist aus 100Cr6 hergestellt und ist als kaltgezogenes Rohr bereitgestellt. Das Stahlrohr 10 weist demzufolge eine hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte auf.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden außen- und/oder innenumfänglich zunächst Fasennuten vorgesehen. Ein entsprechend bearbeitetes Stahlrohr 10' ist in Fig. 2 dargestellt. An dessen Außenumfang sind äußere Fasennuten 12 vorgesehen, die vollständig umlaufend ausgebildet sind. Am Innenumfang sind innere Fasennuten 14 vorgesehen, die vollständig umlaufend ausgebildet sind.

Die Fasennuten 12, 14 können beispielsweise durch CNC-Drehen hergestellt werden, wobei das Rohr in einer Einspannung bereitgestellt wird. Ein entsprechendes Werkzeug 16 zum Außenquereinstechen in einer Einstichrichtung 17 wird zur Herstellung der äußeren Fasennuten 12 verwendet. Ein Werkzeug 18 zum Innenquereinstechen in einer Einstichrichtung 19 wird zum Herstellen der inneren Fasennuten 14 gezeigt. All dies kann bei gleicher Einspannung erfolgen.

In Fig. 3 ist eine alternative äußere Fasennut 12a gezeigt, die zwischen zwei benachbarten Fasen 22, 24 einen Abstand 20 bildet. Der Abstand 20 kann später zum Einführen eines Werkzeuges beim Abstechen eines Ringes verwendet werden.

In Fig. 4 sind drei abgetrennte (abgestochene) Rohringe 26 gezeigt. Die Rohringe 26 sind rotationssymmetrisch mit einem Außenumfang 27.

Das Abtrennen kann durch ein Abstechen mittels eines Drehwerkzeuges 28 in einer Abstechrichtung 29 erfolgen.

Wie es in den Fig. 1, 2 und 4 dargestellt ist, werden bevorzugt mehrere Ringe 26 gleichzeitig abgetrennt. In diesem Fall ist eine entsprechende Mehrzahl von Abstechwerkzeugen 28 vorzusehen.

Die Rohringe 26 werden anschließend in einem Umformwerkzeug (vgl. die Beschreibung unten zu Fig. 7) in eine nicht-rotationssymmetrische Nockenform umgeformt. Ein solcher umgeformter Fertigring 30 ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Der Fertigring 30 weist einen Außenumfang 36 und Stirnseiten 32, 34 auf.

Die Umformung erfolgt als Kaltumformung, so dass eine hohe Maßgenauigkeit erreichbar ist. Die Fertigringe 30 werden anschließend warmbehandelt, insbesondere z.B. vergütet (d.h. gehärtet und angelassen). Anschließend werden die Stirnseiten 32, 34 hartbearbeitet, insbesondere plangeschliffen.

In Fig. 7 ist ein Werkzeug 40 gezeigt, das zum Umformen der Rohringe 26 in Fertigringe 30 verwendet werden kann.

Das Umformwerkzeug 40 weist eine erste Formbacke 42 und eine zweite Formbacke 44 auf.

Die Relativbewegung der Backen zueinander ist bei 45 gezeigt.

Die erste Formbacke 42 weist einen etwa halbkreisförmigen Formhohlraum 48 auf. Die zweite Formbacke 44 weist einen etwa kegelförmigen Formhohlraum 50 auf. Im zusammengeschobenen Zustand bilden die zwei Formbacken 42, 44 einen Formhohlraum 46 mit einem Innenumfang 52, der dem Außenumfang 36 der Fertigringe 30 entspricht.

Zum Zentrieren der Formbacken 42, 44 zueinander sind nicht näher bezeichnete Zentriermittel vorgesehen.

Die Zentrierung erfolgt senkrecht zur Schließrichtung, durch entsprechend vorgesehene Vorsprünge bzw. Ausnehmungen in den Formbacken 42, 44.

Das Formwerkzeug 40 ist so eingerichtet, dass die Umformung mit einer radialen Stauchung des Werkstoffes zum Zwecke der Kalibrierung einhergeht. Genauer gesagt sind die Formbacken 42, 44 so ausgeführt, dass sie den umgeformten Fertigring 30 ohne Aussparungen vollumfänglich umschließen, wobei der Innenumfang 52 des Formhohlraumes 46 im geschlossenen Zustand kleiner ist als der Außenumfang 27 des umzuformenden Rohringes 26.

In Fig. 8 ist eine fertiggestellte Nockenwelle 60 gezeigt.

Die Nockenwelle 60 ist durch einen Innenhochdruck-Umformprozess (IHU- Verfahren) hergestellt. Man erkennt, dass das so aufgeweitete Ausgangsnockenwellenrohr sich innenumfänglich an die Nockenringe 30 anschmiegt und so eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen den Nockenringen 30 und dem Nockenwellenrohr hergestellt ist.

Ein Flussdiagramm mit einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist in Fig. 9 gezeigt.

Der Herstellungsprozess geht aus von einem Präzisionsstahlrohr, das aus 100Cr6 hergestellt ist (Schritt 100). Das Stahlrohr wird nahtlos und kaltgezogen bereitgestellt, so dass eine hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte gewährleistet ist.

In einem Schritt 102 erfolgt ein Kantenbruch innen und/oder außen, d.h. das Ausbilden von Fasennuten am Innen- und/oder Außenumfang.

Anschließend ist es möglich, den Innen- und/oder den Außendurchmesser des Rohres zu drehen oder anderweitig mechanisch zu bearbeiten, wie es im Schritt 104 gezeigt ist.

Dann erfolgt ein Abstechen von Rohringen im Schritt 106, in der Regel mindestens dreifach, so dass eine Mehrzahl von Ringen gleichzeitig hergestellt wird.

Im Schritt 108 erfolgt das Umformen im Zwei-Backen-Außenprägeverfahren mittels des Werkzeuges 40.

Im Schritt 110 erfolgt eine Wärmebehandlung, wie z.B. Vergüten und Anlassen (das Vergüten beinhaltet in der Regel das Anlassen).

Im Schritt 112 werden die Stirnseiten 32, 34 der Fertigringe 30 plangeschliffen.

Im Schritt 114 steht das Fertigteil 30 in Form eines Fertigringes bereit.