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Die Erfindung betrifft ein Umformverfahren, bei dem ein Werkstück auf eine Temperatur zwischen den üblichen Temperaturen bei der Kaltumformung und dem Temperaturbereich der Halbwarmumformung erwärmt und mittels eines Umformwerkzeugs umgeformt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit diesem Umformverfahren hergestelltes Formteil.
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Solche als Lauwarmumformverfahren bezeichneten Umformverfahren, bei denen die Umformung in einem bestimmten Temperaturbereich zwischen der Kaltumformung und der Halbwarmumformung erfolgt, sind in der Praxis bereits vielfach bekannt.
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Die
DE 10 2005 027 259 A1 beschreibt ein Schmiedeverfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen durch Halbwarm-Umformung von Rohlingen aus Legierungen mit superplastischem Gefüge. Dadurch wird der Umformdruck im Umformwerkzeug deutlich unterhalb des zum Schmieden benötigten Umformdrucks der entsprechenden Legierung gehalten.
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Die
DE 10 2007 023 087 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nocken aus einem härtbaren Stahlwerkstoff für eine Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs. Das Herstellungsverfahren umfasst eine Umformung eines Halbzeugs zur Erzeugung eines Nockenrohlings und eine anschließende Wärmebehandlung des Nockenrohlings. Um die Umformung zu erleichtern, kann das Stangenmaterial bzw. die Nockenscheibe vor der Umformung gegebenenfalls je nach Werkstoff auf eine Temperatur von bis zu 400°C–500°C erwärmt werden, sodass die Umformung als Halbwarmumformung erfolgt. Eine solche Temperaturerhöhung erhöht naturgemäß die Verformbarkeit. Die Temperatur wird in einer solchen Weise gewählt, dass die Umformung ohne Gefügebeeinträchtigung erfolgt und keine Verzunderung auftritt.
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Durch die
WO 2005/021177 A1 ist ein Verfahren zum Umformen von Blechen, insbesondere zum Halbwarm- oder Warmumformen von Platinen, in einem Umformwerkzeug bekannt. Vorteilhaft erweist sich dabei ein hoher Umformgrad bedingt durch die Verwendung eines Halbwarm- oder Warmumformens im Gegensatz beispielsweise zu einem Kaltumformen wie dem Tiefziehen. Hierdurch können insbesondere die verwendeten Presswerkzeuge geschont werden.
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Die
DE 10 2009 025 023 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, bei dem ein Halbwarmpressen eingesetzt wird.
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Beim Halbwarmumformen werden niedrigere Temperaturen verwendet als beim Warmumformen, wodurch im Allgemeinen keine Materialhärtung erfolgt. Es können beispielsweise jedoch Hochfestmaterialien verwendet werden, die bereits hochfeste Eigenschaften aufweisen. In diesem Falle braucht lediglich eine Temperaturerhöhung in Bereiche zu erfolgen, die das Umformen erleichtern – insbesondere auf Temperaturen unterhalb 850°C, bevorzugt zwischen 500°C und 700°C.
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Grundsätzlich gilt, dass hohe Umformgrade eine hohe Umformtemperatur erfordern. So wird beispielsweise bei einer Warmumformung im Temperaturbereich zwischen 1.000°C und 1.200°C ein hohes Umformvermögen von φ > 4 erreicht. Hiermit verbunden ist jedoch ein hoher Energieverbrauch bei der Erwärmung des Werkstücks auf die hohe Temperatur. Ein weiterer wesentlicher Nachteil, der mit der Warmumformung verbunden ist, ist der hohe Aufwand für die spanende Nachbearbeitung, insbesondere durch die erforderliche Entfernung des bei den hohen Temperaturen entstehenden Zunders, beispielsweise mittels Bestrahlung. Weiterhin erweist sich der Materialverlust als nachteilig, weil zum Ausgleich der auftretenden Abweichungen und Ungenauigkeiten erhebliche Aufmaße vorgesehen werden müssen. Aufgrund der Zunderschichten ist es in der Praxis zudem ausgeschlossen, mehrere Verfahrensschritte in ein Werkzeug zu integrieren, da störender Zunder die Funktion beeinträchtigen könnte.
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Der Vorteil einer Umformung bei geringeren Temperaturen, beispielsweise im Bereich der Lauwarmumformung sowie der Kaltumformung, liegt demgegenüber in dem geringeren Energieaufwand für die Erwärmung sowie in der so realisierbaren hohen Genauigkeit bei zugleich fehlender Verzunderung. Gegenüber einer Umformung bei hohen Temperaturen ergibt sich jedoch ein wesentlich geringeres Umformvermögen bei hohen Umformkräften.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorteile eines Umformverfahrens bei hohen Temperaturen mit den Vorteilen einer Umformung bei geringen Temperaturen in optimaler Weise zu verbinden. Insbesondere soll ein hoher Umformgrad bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen der Lauwarmumformung realisiert werden. Außerdem soll ein nach diesem Umformverfahren hergestelltes Formteil geschaffen werden.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Umformverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Umformverfahren vorgesehen, bei dem die durch das Umformwerkzeug übertragene Umformkraft während der Umformung lediglich auf eine geringe Teilfläche als Partialfläche der umzuformenden Umformfläche des Werkstücks einwirkt, wobei die Teilfläche während der Einwirkung einer insbesondere konstanten Umformkraft insbesondere stetig verändert wird, sodass nach Abschluss eines Zyklus die Gesamtfläche mit einer Umformkraft beaufschlagt ist. Die Erfindung geht dabei von der überraschenden Erkenntnis aus, dass sich bei einer vergleichsweise geringen Temperatur, die nur geringfügig über der Kaltumformung und weit unterhalb der Temperatur einer Halbwarmumformung liegt, ein wesentlich verbessertes Umformvermögen erzielen lässt, wenn die Umformkraft nicht zugleich auf die gesamte Umformfläche übertragen wird, sondern sukzessive auf eine sich schrittweise oder stetig verändernde Teilfläche einwirkt, bis die gesamte Umformfläche zumindest einmal mit der Umformkraft belastet wird. Insbesondere wird die Umformkraft also partiell bzw. inkrementell auf die Teilfläche übertragen, wobei die ausgewählte Teilfläche in Bezug auf die Umformfläche nach einem vorbestimmten Zyklus insbesondere kontinuierlich verändert wird. In dem Temperaturbereich der Lauwarmumformung konnte bei Versuchen bereits ein überraschend hohes Umformvermögen von φ > 4 erreicht werden, was dem Umformvermögen einer Warmumformung entspricht und dabei sogar das Umformvermögen der Halbwarmumformung deutlich übertrifft. Obwohl der diesem hervorragenden Umformvermögen zugrunde liegende physikalische Effekt noch nicht vollständig verstanden worden ist, wird derzeit davon ausgegangen, dass aufgrund der veränderlichen Teilflächen eine schwellende Krafteinleitung in Verbindung mit Scherkräften erfolgt, die der nach dem Stand der Technik üblichen rein axialen Krafteinleitung ein reduziertes Verformungsmoment entgegensetzt. Im Ergebnis werden durch das erfindungsgemäße Umformverfahren bei Temperaturen der Lauwarmumformung die Vorteile der Warm- und der Kaltumformung kombiniert. Gegenüber der Warmumformung reduziert sich der Energieaufwand, der anderenfalls für die Erwärmung des Werkstücks erforderlich ist. Weiterhin entfällt das aufwendige Entfernen von Zunder, wobei zugleich eine hohe Genauigkeit erreicht wird. Somit sind geringe Aufmaße erforderlich, die zu einer deutlich verminderten spanenden Nacharbeit und zugleich zu Materialeinsparungen führen. Gegenüber der Halbwarmumformung ergeben sich ein ebenfalls noch deutlich reduzierter Energieaufwand für die Erwärmung sowie das erhöhte Umformvermögen bei geringeren Umformkräften. Ferner kann auch der Anschaffungsaufwand für die zur Umformung eingesetzten Vorrichtungen gesenkt werden. Darüber hinaus wird auch der Werkzeugverschleiß minimiert. Aber auch gegenüber der Kaltumformung ergeben sich wesentliche Vorteile hinsichtlich des beschriebenen hohen Umformvermögens bei zugleich reduzierten Umformkräften. Zur Umformung eignen sich beispielsweise an sich bekannte Taumelumformverfahren ebenso wie Drehschmiedeverfahren. Das Umformverfahren ist dabei vorzugsweise ohne Zwischenglühen durchführbar. Außerdem kann die Wirkrichtung der Umformkraft sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Orientierung aufweisen.
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Das Umformverfahren ist vorteilhaft einsetzbar in einem Temperaturbereich zwischen 50°C und 450°C. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird auch dadurch realisiert, dass das Werkstück auf eine Temperatur zwischen 100°C bis 300°C, insbesondere zwischen 150°C und 250°C erwärmt wird und dass die Temperatur während der Umformung im Wesentlichen konstant gehalten wird. Dieser Temperaturbereich bildet nach derzeitigen Erkenntnissen ein Optimum hinsichtlich des Umformvermögens sowie des erforderlichen Nachbearbeitungsaufwands.
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Es ist denkbar, dass die Umformkraft nach der Einwirkung auf eine erste Teilfläche zunächst unterbrochen oder reduziert wird, um anschließend auf eine von der ersten Teilfläche abweichende zweite Teilfläche einzuwirken. Im Gegensatz hierzu hat es sich als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die Umformkraft während eines Zyklus im Wesentlichen konstant gehalten wird. Hierdurch wird aufgrund der Scherwirkung, bedingt durch das Umformwerkzeug, welches entlang der Oberfläche des Werkstücks bewegt wird und dadurch eine sich stetig verändernde Teilfläche belastet, die gewünschte sprunghafte Verbesserung des Umformvermögens erreicht. Zugleich wird der Steuerungsaufwand reduziert, welcher anderenfalls bei einer Trennung des Werkzeugs von der jeweiligen Teilfläche des Werkstücks einen zusätzlichen Aufwand für die erneute relative Positionierung erfordert.
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Dadurch kann die Umformung von einem Ausgangszustand zu einer vorbestimmten Sollgeometrie während eines einzigen Zyklus oder mehrerer vollständiger Zyklen durchgeführt werden. Der Herstellungsaufwand wird somit wesentlich verkürzt. Zugleich wird in einfacher Weise eine übereinstimmende Umformkraft in jeder Teilfläche sichergestellt.
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Selbstverständlich könnte die Umformkraft während eines Zyklus auch verändert werden, um so unterschiedliche Umformgrade in verschiedenen Teilflächen zu realisieren. Weiterhin kann auch das Umformwerkzeug so beschaffen sein, dass unterschiedliche Positionen einstellbar sind und somit Teilflächen unterschiedlicher Größe beaufschlagt werden können, um so lokal den Druck zu erhöhen. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn die jeweils von der Umformkraft beaufschlagten Teilflächen während eines Zyklus im Wesentlichen gleich groß bemessen werden. Hierdurch wird eine konstante Krafteinleitung und somit eine homogene Umformung sichergestellt. Zugleich wird die Oberfläche geglättet und eine hohe Maßhaltigkeit gewährleistet.
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Indem das Umformwerkzeug eine einstellbare Wirkfläche aufweist oder austauschbar an einer Werkzeugaufnahme angeordnet ist, lässt sich die Größe der Teilflächen problemlos vorbestimmen.
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Das Umformwerkzeug könnte während der Übertragung der Umformkraft vorübergehend in einer einzigen Teilfläche gehalten werden, sodass die relative Position inkrementell verändert wird. Als besonders Erfolg versprechend erweist sich eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umformverfahrens, bei dem die Änderung der Teilfläche stetig erfolgt, sodass also die Relativbewegung zwischen dem Umformwerkzeug und der Oberfläche des Werkstücks parallel zur Oberfläche kontinuierlich durchgeführt wird. Auf diese Weise wird eine homogene Umformung erreicht, welche zu einer weiteren Verbesserung der Materialqualität führt.
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Das erfindungsgemäße Umformverfahren ist nicht auf bestimmte Werkstückgeometrien beschränkt. Als besonders praxisgerecht hat es sich allerdings bereits erwiesen, wenn die umzuformende Fläche punktsymmetrisch oder im Wesentlichen kreisförmig ist, wobei die Teilfläche, auf die das Umformwerkzeug während der Übertragung der Umformkraft einwirkt, die Größe eines Sektors nicht überschreitet.
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Beispielsweise eignen sich Werkstücke, bei denen ein insbesondere zumindest abschnittsweise zylindrischer Rohling aus Stahl verwendet wird. Dabei kann das Werkstück während der Umformung ortsfest fixiert oder relativ zu dem Umformwerkzeug bewegt werden. Die partielle Krafteinleitung der Umformkraft resultiert dabei im Wesentlichen aus einer Neigung des Umformwerkzeugs, indem die Wirkfläche des Umformwerkzeugs nicht parallel zu der Teilfläche des Werkstücks ausgerichtet wird.
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Eine wesentliche Steigerung der erzielbaren Umformgrade lässt sich dabei erreichen, indem das Werkstück oder das Umformwerkzeug vor der Umformung mit einem flüssigen oder festen Schmierstoff beaufschlagt werden.
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Die zweitgenannte Aufgabe, ein mit dem Umformverfahren hergestelltes Formteil zu schaffen, wird erfindungsgemäß aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen mit einem Verzahnungsbauteil, insbesondere einem Kegel- oder Kronenrad, gelöst. Vorzugsweise betrifft dies auch solche Bauteile, bei denen während der Umformung mit einem Hub ohne Zwischenglühen ein Umformgrad von partiell φ > 4 notwendig ist, wie beispielsweise bei Flanschwellen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
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1 eine Seitenansicht auf ein Umformwerkzeug und ein Werkstück während der Durchführung des Umformverfahrens;
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2 eine Draufsicht auf eine Umformfläche des Werkstücks.
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Das erfindungsgemäße Umformverfahren wird nachstehend zur Verdeutlichung des Grundprinzips anhand der 1 und 2 näher beschrieben. 1 zeigt in einer Seitenansicht ein Umformwerkzeug 1 zur Herstellung eines als Verzahnungsbauteil ausgeführten Werkstücks 2 in einem an sich bekannten Taumelverfahren. Hierzu hat das Umformwerkzeug 1 einen rotationssymmetrischen Taumelstempel 3, welcher zur Übertragung einer Umformkraft auf das in einem Gesenk 4 gehaltene Werkstück 2 in eine Taumelbewegung um seine gegenüber der Mittelachse 5 des Umformwerkzeugs 1 gekippte und die Mittelachse 5 umkreisende Taumelachse 6 versetzt wird. Dadurch wirkt im Bereich einer Teilfläche 7 entsprechend einer momentanen Kontaktfläche ausgehend von der Mittelachse 5 zum Umfang des Werkstücks 2 eine Umformkraft F des Taumelstempels 3 auf das in einem Gesenk 4 gehaltene Werkstück 2, wobei die Umformkraft F zwischen der Mittelachse 5 und einem Umfang des Formteils ihr Maximum Fmax und in dem Randbereich ihr Minimum Fmin hat. Indem das Werkstück 2 auf eine Temperatur von ca. 200°C erwärmt wird und die Umformkraft F nicht zugleich auf die gesamte, in 2 erkennbare Umformfläche 8 übertragen wird, sondern sukzessive auf eine sich schrittweise oder stetig verändernde Teilfläche 7 einwirkt, bis die gesamte Umformfläche 8 zumindest einmal mit der Umformkraft F belastet ist, können überraschend hohe Umformgrade bei vergleichsweise geringer Krafteinwirkung realisiert werden.
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Wie insbesondere in 2 in einer Draufsicht auf die Umformfläche 8 erkennbar, wird die Umformkraft F partiell auf die jeweilige Teilfläche 7 übertragen, wobei die ausgewählte Teilfläche 7 in Bezug auf die Umformfläche 8 nach einem vorbestimmten Zyklus kontinuierlich wechselt. Die so bestimmten, verschiedenen Teilflächen 7, 7', 7'', 7''' weisen jeweils eine übereinstimmende Größe auf und sind in 2 andeutungsweise dargestellt. Aufgrund der kontinuierlich fortschreitenden Krafteinwirkung F auf unterschiedliche Teilflächen 7, 7', 7'', 7''' wird eine schwellende Krafteinleitung in Verbindung mit Scherkräften erzeugt, die der nach dem Stand der Technik üblichen rein axialen Krafteinleitung ein reduziertes Verformungsmoment entgegensetzt. Im Ergebnis werden durch das erfindungsgemäße Umformverfahren bei Temperaturen der Lauwarmumformung die Vorteile der Warm- und der Kaltumformung kombiniert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umformwerkzeug
- 2
- Werkstück
- 3
- Taumelstempel
- 4
- Gesenk
- 5
- Mittelachse
- 6
- Taumelachse
- 7
- Teilfläche
- 8
- Umformfläche
- F
- Umformkraft
- Fmax
- Max. Umformkraft
- Fmin
- Min. Umformkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005027259 A1 [0003]
- DE 102007023087 A1 [0004]
- WO 2005/021177 A1 [0005]
- DE 102009025023 A1 [0006]
