DE3308594A1

DE3308594A1 - Verfahren und werkzeug zum kalibrieren zylindrischer werkstuecke

Info

Publication number: DE3308594A1
Application number: DE19833308594
Authority: DE
Inventors: Paul 49423 Holland Mich. Fritzpatrick
Original assignee: Ex-Cell-O Corp
Current assignee: Ex-Cell-O Corp
Priority date: 1982-03-11
Filing date: 1983-03-10
Publication date: 1983-09-22
Also published as: GB2116095B; GB2116095A; CA1220060A; GB8509159D0; GB2157992B; GB8304350D0; GB2157992A; US4488418A; JPS58168451A; FR2527121A1

Description

HOEGER, Äk^

P A T Ef. N⁷ T C r·. W A L. - Z UHLANDSTRASSE UcD 7000 STLTGART

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Λ 4 5 5 32 b Anmelder: Ex-Cell-0 Corporation k - 17G 2855 Coolidge

8. März 1983 Troy, Michigan 48084

USA

Verfahren und Werkzeug zum Kalibrieren zylindrischer Werkstücke

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum maßgenauen Bearbeiten von zylindrischen Werkstückenunter gleichzeitiger Endbearbeitung der Werkstückoberfläche sowie ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung derartiger Werkzeuge in Verbindung mit Zahnstangenwerkzeugen zum Anformen- einer Zahnung an einer zylindrischen Umfangsfläche eines zuvor kalibrierten Werkstücks.

Die maßgenau Fein- bzw. Endbearbeitung zylindrischer metallischer Werkstücke zur Erzielung einer gewünschten Oberflächenqualität kann auf verschiedene Weise bzw. mit verschiedenen Maschinen erfolgen, beispielsweise auf Dreh- oder Honmaschinen, auf Schleifmaschinen, auf EDM- und ECM-Maschinen usw. Die dabei erreichte Oberfiächenqualität wird von der Geschwindigkeit und dem Vorschub in axialer und radialer Richtung bei der betreffenden Maschine bestimmt. Im allgemeinen wird ein gedrehtes Werkstück nach dem Drehen geschliffen, wenn eine sehr glatte Oberfläche erwünscht ist, wobei eine Oberflächenrauhigkeit zwischen etwa 0,13 unä 0,6 5 um erreicht wird. Mit Polier- und Schwabbelmaschinen kann eine vergleichbare Oberfläche erhalten werden, wobei die Oberflächenrauhigkeit jedoch gewöhnlich zwischen etwa 0,39 und 0,65 um liegt.

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Es ist ferner bekannt, zylindrische Werkstücke durch Kaltwalzen bzw. durch Kaltverformung auf ■ die gewünschte Form bzw. Größe zu bringen und dabei mit verschiedenen Maschinen bzw. Verfahren zu arbeiten, wobei die Oberfläche der Werkstücke nach der Kaltverformung in gewissem Umfang geglättet ist.

Das Kaltwalzen metallischer Werkstoffe ist relativ lange bekannt und beispielsweise in der US-PS 625,575 beschrieben, wo es darum geht, aus einer Stange quadratischen Querschnitts eine zylindrische Stange zu walzen. Dabei wird jedoch keine hochwertige Kalibrierung und Endbearbeitung der Oberfläche angestrebt. Weiterhin ist in der US-PS 1,504,024 ein Verfahren zum Kaltwalzen von Spindeln beschrieben. Das bekannte Verfahren diente dabei z.ura Geraderichten von Spindeln, Stäben, Wellen usw. Auch hier wurde wieder keine Kalibrierung und keine Endbearbeitung der Oberfläche angestrebt. Stattdessen erfolgte die Endbearbeitung der Oberfläche durch Polieren. Andere Kaltbearbeitungsverfahren zum Walzen von metallischen Werkstücken einschließlich der Herstellung von Nieten, Nietenzapfen, Dübeln, Kugellagerkäfigen und anderer kleiner zylindrischer Werkstücke sind in den US-PSen 1,446,447, 2,825,251 und 3,044,332 beschrieben.

Beim maßgenauen Kaltwalzen einer Oberfläche werden kleine Oberflächenunregelmäßigkeiten, die bei der Bearbeitung mit Schneidwerkzeugen entstehen, statt durch weiteren Materialabtrag durch eine ausgleichende

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Materialverschiebung ausgeglichen, die sowohl an Innenflächen wie auch an Außenflächen der Werkstücke erfolgen kann. Beispielsweise beschreibt die US-PS 2,480,043 ein Verfahren zur Bearbeitung einer Wellenbuchse, bei welchem die Buchse auf der zugehörigen Welle bearbeitet wird. Dabei wird die zunächst enge Passung zwischen der Buchse und der Welle dadurch gelöst, daß man die Buchse zwischen zwei einander gegenüberliegenden Werkzeugen walzt. Der dabei ausgeübte radiale Druck führt zu einem Fließen des Buchsenmaterials und zu einer Vergrößerung des ümfangs derselben auf der zugehörigen Welle. Weiterhin beschreibt die US-PS 4,208,773 eine Vorrichtung zum Polieren einer Zahnradverzahnung mittels einander gegenüberliegender Zahnstangenwerkzeuge. In diesem Fall wird die Zahnform beim Polieren in der Weise geändert, daß die Zähne eine in axialer Richtung ballige Form erhalten.

Beim Kaltwalzen einer Zahnung am Umfang eines zylindrischen Werkstücks besteht das Hauptproblem darin, daß der Durchmesser des Werkstücks außerordentlich kritisch ist und sehr exakt innerhalb enger Toleranzen gehalten werden muß. Dabei wird der Durchmesser des Werkstücks,an dem die Zahnung angeformt werden soll, so gewählt, daß das Materialvolumen, welches gegenüber dem Außendurchmesser des Rohlings verdrängt werden muß, demjenigen Materialvolumen entspricht, mit dem die außerhalb des ursprünglichen Durchmessers liegenden Teile der Zahnung erzeugt werden. Aus diesem Grund muß der Durchmesser des Werkstücks vor dem Walzen der

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Zähne ungefähr gleich dem Teilkreisdurchmesser der zu erzeugenden Zahnung sein. Normalerweise wird bei der Herstellung einer Achse oder einer Welle, an der eine Keil- oder eine Zahnradverzahnung gewalzt werden soll, vor dem Walzvorgang eine sehr genaue Bearbeitung des Werkstücks durchgeführt. Dabei wird das Werkstück normalerweise zuerst auf einer Drehbank auf einen vorgegebenen Durchmesser gedreht und anschließend geschliffen, um einen Durchmesser zu erhalten, der innerhalb sehr enger Toleranzen liegt, so daß das werkstück für die später zu walzende Zahnung den richtigen Durchmesser hat, um den vorgegebenen Teilkreisdurchinesser der Zahnung, die gewünschte Zahnform, den richtigen Kopfkreis und den richtigen Fußkreis zu erhalten.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anzahl der erforderlichen Fertigungsschritte bei der Endbearbeitung zylindrischer Werkstückoberflächen, insbesondere bei der Vorbereitung von Werkstücken für ein Kaltwalzen einer Zahnung, zu verringern.

Diese Aufgabe wird, was das Verfahren anbelangt, erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Schritten des Kennzeichenteils des Anspruchs 1 gelöst. Was das Werkzeug anbelangt, so wird die gestellte Aufgabe durch ein Werkzeug gemäß Anspruch 8 gelöst.

Der entscheidende Vorteil der Erfindung besteht dabei darin, daß zunächst nur eine relativ grobe Endbearbeitung erfolgt, beispielsweise ein Drehen auf

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den gewünschten Durchmesser, und daß dann sofort ein maßgenaues Walzen erfolgen kann, wobei gleichzeitig eine Oberfläche mit geringer Oberflächenrauhigkeit erhalten wird. Insbesondere wird durch das maßgenaue Walzen gemäß der Erfindung das Material an der Oberfläche des zylindrischen Werkstücks, beispielsweise einer Welle, derart verdrängt bzw. zum Fließen gebracht, daß der Durchmesser nach dem Walzen innerhalb enger Toleranzen liegt, so daß an dem so vorbereiteten Werkstück nunmehr in üblicher Weise eine Zahnung mit dem gewünschten Teilkreisdurchmesser hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird ferner der Vorteil erreicht,daß die Oberflächenrauhigkeit nach dem Walzen maximal noch etwa 0,65 um beträgt, so daß sowohl vor dem Walzen wie auch nach dem Walzen ein zusätzliches Schleifen entfallen kann. Hierdurch werden die Fertigungskosten, wenn beispielsweise an einer Welle eine Lagerfläche hergestellt werden soll, deutlich verringert.

Als ganz besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn Werkzeuge gemäß der Erfindung in Verbindung mit üblichen Zahnstangenwerkzeugen zu einer kombinierten Werkzeuganordnung zusammengefasst werden, um an zylindrischen Werkstücken eine Zahnung zu erzeugen, bei der es sich um eine Keilverzahnung oder um eine Zahnradverzahnung und gegebenenfalls auch um ein Gewinde handeln kann. Dabei können die Werkzeuge gemäß der Erfindung an bekannten Maschinen montiert sein, wie sie beispielsweise in den US-PSen 2,995,964, 3,818,736 und 3,9-82,415 beschrieben--sind.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt ein Werkzeug gemäß der Erfindung zum maßgenauen Walzen der Umfangsflache eines zylindrischen Werkstücks einen Grundkörper mit mehreren Abschnitten, die eine Arbeitsfläche bilden/ wobei ein erster und ein zweiter Abschnitt, die hinter dem vorderen Ende des Werkzeugs liegen, wobei unter dem vorderen Ende des Werkzeugs dasjenige Ende desselben zu verstehen ist, welches beim Bearbeiten eines Werkstücks zuerst mit diesem in Kontakt gelangt, mehrere Schrägflächen umfassen,die in Richtung auf das vordere Ende abfallen sowie eine Krone bzw. einen Vorsprung, die bzw. der quer zur Längsrichtung des Werkzeugs in der Mitte erhöht ist, so daß der metallische Werkstoff des Werkstücks bei der Bearbeitung in radialer und axialer Richtung des Werkstücks verdrängt wird. Der zweite Abschnitt der Arbeitsfläche bzw. ein zweiter Unterabschnitt eines ersten Abschnitts der Arbeitsfläche bildet dabei einen übergang mit dem ersten Unterabschnitt:, um die durch die Krone bewirkte Einprägung abzuflachen, damit diese am fertigen Werkstück nicht mehr sichtbar ist. Ein weiterer Abschnitt der Arbeitsfläche verläuft dann parallel zur Werkzeugbasis und bewirkt beim Arbeiten mit dem Werkzeug eine abschließende Kompression der VJerkstückoberflache und eine Endbearbeitung des Werkstücks auf den gewünschten Durchmesser und mit der gewünschten geringen Oberflächenrauhigkeit, während ein ausgangsseitiger Abschnitt der Arbeitsfläche schräg nach hinten abfällt, so daß das Werkstück von den Werkzeugen allmählich freigegeben wird und keine Marken

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des Werkzeugs am Werkstück zurückbleiben. Wenn man ein derartiges Werkzeug - die Werkzeuge werden in der Regel paarweise eingesetzt - in Verbindung mit einem Zahnstangenwerkzeug einsetzt, dann erhält man eine wirksame Werkzeuganordnung zum wirtschaftlichen Herstellen einer Zahnung am Umfang zylindrischer Werkstücke.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines oberen und eines unteren Werkzeugs gemäß der Erfindung sowie ein zu bearbeitendes Werkstück in der relativen Lage, die die genannten Teile einnehmen, wenn die Werkzeuge an einer Maschine montiert sind;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine bevorzugte

Ausführungsf orrr eines Werkzeugs gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Werkzeugs gemäß Fig. 2;

Projektionen des Werkzeugs gemäß Fig. 3;

Fig.	4A
und
Fia.	4 ti

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FIg. 5 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform eines Werkzeugs gemäß der Erfindung mit verschiedenen Riefenbzw. Rillenmustern an einem Abschnitt der Arbeitsfläche;

Fig. 6 eine Seitenansicht eines typischen Werkstücks mit mit Werkzeugen gemäß der Erfindung bearbeiteten Oberflächen;

Fig. 7 eine Seitenansicht einer Werkzeuganordnung, bestehend aus einer Kombination eines Werkzeugs gemäß der Erfindung und eines Zahnstangenwerkzeugs;

Fig. 8A schematische Darstellungen zur Erläute- und rung der Oberflächenstruktur eines er-Fig. 83 findungsgemäß bearbeiteten Werkstücks

vor dem maßgenauen Walzen und nach dem

maßgenauen Walzen;

den Darstellungen gemäß Fig. 8A,B entsprechende schematische Darstellungen für ein anderes Werkstück;

der Darstellung gemäß Fig. 43 entsprechende Querschnitts- bzw. Projektionsdarstellungen abgewandelter Ausführungsformen von Werkzeugen genäß der Erfindung;

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Fig.	9A
und
Fig.	93
Fig.	1OA
bis
Fia.	10C

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Fig. 11 eine Seitenansicht einer Werkzeuganordnung mit einem Werkzeug gemäß der Erfindung mit einem vor diesem liegenden Vorbearbeitungswerkzeug und mit einem hinter diesem liegenden Zahnformwerkzeug;

Fig. 12 eine Draufsicht auf die Werkzeuganordnung gemäß Fig. 11 und

Fig. 13 eine Stirnansicht des vorderen Endes der Werkzeuganordnung gemäß ?ig. 11 und 12.

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Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Maschine zum maßgenauen Walzen bzw. Rollen zylindrischer Flächen. Dabei ist ein unteres Roll- bzw. Walzwerkzeug 10 vorgesehen,während die Maschine gemäß der US-PS 2,995,964 ausgebildet sein kann. Ein oberes Walzwerkzeug 12 ist mit dem unteren Werkzeug 10 identisch, jedoch an einem oberen Schlitten der Maschine montiert. Die Werkzeuge 10 und 12 werden nachstehend noch näher beschrieben und sind im übrigen in einer gleichzeitig eingereichten Anmeldung der Anraelderin (welche der US-Patentanmeldung Serial No. 356,986 entspricht) ausführlich erläutert.

Ein Werkstück 50 ist bezüglich der Maschine mittels einer Halterung in der in Fig. 1 gezeigten Lage gehaltert. Montageflansche 14 dienen dazu, die Werkzeuge 10, 12 an zugeordneten Schlitten der Maschine zu befestigen.

In Fig. 2 und 3 sind vergrößerte Darstellungen der Werkzeuge 10, 12 gezeigt, wobei gewisse Einzelheiten teilweise etwas übertrieben dargestellt sind, um die Erfindung zu verdeutlichen. Im einzelnen wird deutlich, daß die Arbeitsfläche der Werkzeuge in eine Anzahl von Abschnitten unterteilt ist. Ein erster Abschnitt zwischen dem vorderen Ende 20 und einer Linie 29 besteht aus zwei Flächen 22, 24, die sich an einer Kante 23, die längs der Längsmittellinie der Arbeitsfläche verläuft, unter einem Winkel treffen. Die Flächen 22, 24 sind dabei schräg in Richtung auf das vordere Ende 20 und eine Basisfläche 38 des Werkzeugs geneigt. Die Flächen 22 und 24 haben also eine solche Form und solche- Abmes-

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sungen, daß sie eine "Krone" bzw. einen Scheitel bilden, mit der bzw. mit dem es möglich ist, die Umfangsflache des Werkstücks, wenn dieses in Kontakt mit dem Werkzeug gelangt, so zu verformen, daß ein Fließen des Metalls in radialer Richtung und quer zur Bewegungsrichtung des Werkzeugs - in axialer Richtung des Werkstücks - erfolgt, um so die gewünschten Ergebnisse zu erhalten. Auf der Begrenzungslinie 29 liegt ein Punkt 21. Der erste Abschnitt kann auch mit einer abgerundeten "Krone" 41 versehen sein, wie sie in Fig. 1OA gezeigt ist, oder mit einer anderen konvexen Form quer zu den Seitenflächen 34, 36 des Werkzeugs derart, daß die Arbeitsfläche in diesem Abschnitt in Richtung auf die Seitenflächen nach unten abfällt, wie dies beispielsweise in Fig. 1OC gezeigt ist, wo die Krone ein Mittelstück mit einem Radius R und flache seitliche Bereiche 24' und 22" besitzt. Fig. 1OB zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Querschnitt, bei dem die Flächen 24¹ und 22', ausgehend von einer Spitze am vorderen Ende 20 bzw. von einer schmalen geraden fläche am Scheitel der Krone, schräg nach außen in Richtung auf die Seitenwände 36 und 34 abfallen.

Ein zweiter Abschnitt,der von der Linie 29 bis zu einer Linie 27 reicht, umfaßt eine Fläche 26, die ebenfalls schräg in Richtung auf das vordere Ende 20 und die Basisfläche 38 des WerkzeuQS verläuft, jedoch unter einem kleineren Winkel als der erste Abschnitt. Die Fläche 26 ist seitlich durch Verlängerungen der Flächen 22,' 24 begrenzt und besitzt eine Spitze am Punkt 21. Jenseits der Linie 27 schließt sich an die Fläche 26 ein dritter Abschnitt 28 an. Längs der Linie 27 verläuft dabei

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eine Kante des Werkzeugs. Seitlich ist die Fläche 26 durch Kanten 25 begrenzt, an denen sie an die Verlängerungen der Flächen 22, 24 angrenzt und die bis zu Punkten 25' auf der Linie 27 reichen. Der dritte Abschnitt besitzt eine ebene Oberfläche 28, welche parallel zur Basisfläche 38 des Werkzeugs verläuft. Die Oberflächenbeschaffenheit der Fläche 28 bestimmt weitgehend die letztlich erreichbare Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks 50. Der dritte Abschnitt endet an einer Linie 29'. -Zwischen dieser Linie 29' und dem hinteren Ende des Werkzeugs liegt eine relativ kurze Fläche 30, die schwach nach hinten geneigt ist, so daß das Werkstück durch das Werkzeug freigegeben wird, ohne daß seine bereits bearbeitete und auf das richtige Maß gebrachte Oberfläche Kratzer oder dergleichen bekommen könnte. Die Länge des ersten Abschnitts zwischen dem vorderen Ende 20 und dem Punkt 21 bzw. der Linie 29 kann beispielsweise etwa 37,5 % der Gesamtlänge des Werkzeugs betragen. Der zweite Abschnitt zwischen den Linie 29 und 27 erstreckt sich dann beispielsweise über etwa weitere 37,5 % der Werkzeuglänge. Die Länge des dritten Abschnitts bzw. der Fläche 28 beträgt dann beispielsweise etwa 16,5 % der Gesamtlänge, während die Länge des vierten Abschnitts bzw. der Fläche 30 etwa 8,5 % der Gesamtlänge des Werkzeugs ausmacht. Die hinsichtlich der Oberflächenqualität kritische Fläche 28, die parallel zur Basisfläche 38 verläuft, besitzt vorzugsweise eine Länge, die mindestens gleich dem (abgewickelten) Umfang des zu walzenden Werkstücks ist. Bei einem Werkstück mit einem Durchmesser von etwa 2,54 cm würde die Länge der Fläche 28 beispielsweise

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zwischen etwa 7,6 und etwa-10,2 cm betragen. Bei einem Durchmesser des Werkstücks von etwa 5 cm würde die Länge der Fläche 28 etwa 15 bis 18 cm betragen. Man sieht, daß die Länge der Fläche 28 auch nur die Hälfte des Umfangs des Werkstücks betragen könnte, da das Werkstück beim Walzen sowohl mit dem oberen Werkzeug als auch mit dem unteren Werkzeug bearbeitet wird.

Bei Versuchen wurde festgestellt, daß gewisse Werkzeugabmessungen bei bestimmten zu walzenden Durchmessern die besten Ergebnisse gewährleisten. Beispielsweise kann die Höhendifferenz A (Fig. 3) zwischen der Fläche 28 und dem Punkt 21 zwischen etwa 25,4 und 76.,2 lim liegen. Die Höhe B zwischen dem vorderen Ende 20 und der Linie 29 lag zwischen etwa 127 und 254 μΐη je nach dem zu walzenden Durchmesser. Die Höhendifferenz C (Fig. 4B) zwischen der Linie 23 und den Seitenwände 34, 36 liegt zwischen etwa 51 und 102 μπι, wenn günstige Ergebnisse erreicht werden sollen. Für die Höhendifferenzen C in Fig. 10A bis IOC gelten ähnliche Werte. Für die Höhendifferenz D in Fig. 3 zwischen der Fläche 28 und dem hinteren Ende 32 beträgt bei einem Werkzeug etwa 254 u.m und ist unabhängig vom Werkstückdurchmesser.

Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird in den Flächen 22 und 24 der Werkzeuge 10, 12 maschinell eine Anzahl von flachen Einschnitten bzw. Kerben erzeugt. Dabei können die in Längsrichtung verlaufenden Kerben 60 und die in Querrichtung verlaufenden Kerben 64 getrennt vorgesehen oder nach Art einer Kreuzschraffur überlagert werden, wie dies in Fig. 5 für einen Bereich

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62 gezeigt ist. In ähnlicher Weise können unter einem Winkel von 45° zur Werkzeugachse verlaufende Kerben 6 6 bzw. 70 vorgesehen werden, die, wie in dem Bereich 68, ähnlich wie bei einer Kreuzschraffur übereinander liegen können. Ein bevorzugtes Muster mit in Längsrichtung verlaufenden Kerben 58 ist in Fig. 12 für ein Werkzeug 56 gezeigt. Der Zweck der Kerben besteht darin, die Werkstückoberfläche vorab in einem gewissen Umfang aufzurauhen bzw. bis auf eine bestimmte Tiefe zu "texturieren" und anschließend das Werkstück auf ein genaues Maß zu walzen und dabei eine Oberfläche mit einem bestimmten Charakter bzw. mit einer bestimmten Oberflächenqualität zu erhalten, und zwar bei einem exakt vorgegebenen Durchmesser. Mit Hilfe der Kerben werden also definierte, relativ feine Einprägungen an der Werkstückoberfläche erzeugt, die ein Walzen des Werkstücks auf ein genau vorgebenes Maß erleichtern. Eine kontrollierte schwache Oberflächenrauhigkeit in einem Bereich von etwa 17,8 und 22,9 um hat sich als befriedigend erwiesen, wobei die Oberflächenrauhigkeit im einzelnen vom Radius der Zahnspitzen am Werkzeug und von dem Vorschub pro Umdrehung abhängig ist.

Fig. 6 zeigt ein typisches Werkstück mit einer Keilverzahnung 52, welche mit der Vorrichtung gemäß Fig. 7 hergestellt wurde und mit einem Durchmesser 54, welcher durch Walzen auf die angestrebte (runde) Form, auf die angestrebten Abmessungen und auf die angestrebte Oberflächenqualität gebracht wurde, um als ebene Lagerfläche zu dienen. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 7 sind an einer gemeinsamen Basisplatte mittels Schrauben 4 2 ein aufrauhendes Walzwerkzeug 4 4 (gemäß Fig. 5) und

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ein Zahnstangenwerkzeug 46 zum Walzen einer Zahnung am Umfang des Werkstücks montiert. Dabei dient ein Keil 48 als Anschlag für das Werkzeug 44. Das Werkstück 50 ist in seiner Lage am Werkzeug 4 4 dargestellt, während das Zahnstangenwerkzeug 46 fluchtend hinter dem Walzwerkzeug 44 liegt. Derartige.Zahnstangenwerkzeuge können beispielsweise gemäß der US-PS 3,857,273 ausgebildet sein. In Fig. 7 sind die Werkzeuge 44 und 46 voneinander getrennt. Die beiden Werkzeuge können jedoch auch ohne weiteres zu einem einzigen einstückigen Werkzeug zusammengefaßt werden.

Mit einem Werkzeug gemäß Fig. 3 mit folgenden Werten für die Höhen bzw. Höhendifferenzen: A = 76,2 μπι; B = 254 μπι und C = 102 ρ wurde eine Anzahl von Werkstücken auf das genaue Maß gewalzt, um die Durchmesser vor und nach der Bearbeitung zu ermitteln und um festzustellen, welche Oberflächenqualität erreicht werden konnte. Die relevanten Maße bzw. Parameter der einzelner. Teile bzw. Werkstücke vor und nach dem Walzen sind in der nachfolgenden zweiteiligen Tabelle zusammengefaßt.

Tabelle Vor dem Walzen

Teil Durch- unrund*) Abweichung**)Rauhig-Nr. messer keit

(cm) (μπι) (μπι) (μΐη)-

381 22,2

279 19,6

356 7,16 279 5,87

*) Rundheitsfehler
**) Rundlauffehler der Spindel (Gesamt-Uhrenausschlag)

R-1	3,	5954	50,8
R-2	3,	6007	22,8
S-I	3,	5964	50,6
S-2	3,	5926	38,1

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Nach dem Walzen

. Teil -Nr.	Durch messer	unrund	Abweichung	Rauhig keit
	(cm)	(um)	(um)	(um)
R-1	3,577	15,2	241	0,33
R-2	3,578	33,0	190	0,33
S-1	3,582	15,2	190	0,38
S-2	3,57 9	15,2	203	0,38

Aus Fig. 8A und 8B wird deutlich, welche Oberflächenrauhigkeit das Teil R-1 vor dem Walzen bzw. unmittelbar nach dem Drehen einerseits und nach dem Walzen andererseits besaß. Nach dem Drehen besaß das Teil R-1 einen Durchmesser von 3,5 954 cm. Der Rundheitsfehler

betrug etwa 50,8 um, während der Rundlauffehler etwa 381 um betrug. Die Oberflächenrauhigkeit betrug etwa 22,2 um. Nach einem Durchlauf durch eine Maschine mit dem oben angegebenen Werkzeug war der Durchmesser auf 3,577 cm verringert, während das Ausmaß, in dem das Werkstück unrund war, auf etwa 15,2 um verringert war. Weiterhin war der. Rundlauf fehler auf 241 um verringert, und die Oberflächenrauhigkeit lag bei 0,33 μπν. Es konnte festgestellt werden, daß dieselbe Oberflächenqualität erreicht wurde, die das Werkzeug im Bereich des dritten Abschnitts, das heißt an der Fläche 28 besaß. Ein zweites Teil R-2 wurde ebenfalls gewalzt, wobei sich, ausgehend von einer Oberflächenrauhigkeit von 19,6 um gemäß der Tabelle, nach dem maßgenauen Walzen wieder eine Ober-

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flächenrauhigkeit von 0,33 μτη ergab. Dabei ist als wichtiges Ergebnis festzustellen, daE der ursprüngliche Durchmesser der Teile anfänglich um 5 3 um verschieden war und daß der Unterschied im Durchmesser nach dem Walzen nur noch 1 μπι betrug. Weitere Versuche wurden mit Werkzeugen durchgeführt, bei denen die Fläche 26 schräg abfallend über die Bereiche 1 und 2 hinweg von der Linie 27 bis zum vorderen Ende 20 und dabei seitlich bis zu den Seitenwänden 34 und 36 reichte. In diesem Fall fehlten also die Flächen 22 und 24 des Werkzeugs gemäß Fig. 2 bzw. die Flächen 22', 24' der Werkzeuge gemäß Fig. 1OB und 1OC, so daß auch keine entsprechenden Höhendifferenzen C bzw. C vorhanden waren.

Weitere Versuche wurden mit Werkzeugen durchgeführt, bei denen der zweite Abschnitt zwischen den Linien 27 und durch eine einzige Schrägfläche gebildet wurde, die bis zu den Seitenwänden 34, 36 reichte. Dabei war auch der erste Bereich eine einzige, steiler als die Fläche im zweiten Bereich auf das vordere Ende 20 zulaufende Fläche,

die bis zu den Seitenwänden 34, 36 reichte. Die Flächen 22, 24 bzw. 22', 24' und die zugeordneten Höhendifferenzen C bzw. C waren also bei diesen Werkzeugen nicht vorhanden.

Es zeigte sich, daß ein maßgenaues Walzen mit diesen Werkzeugen nicht so vorteilhaft war, woraus der Schluß gezogen wurde, daß die seitliche Abschrägung mit den Höhendifferenzen C bzw. C in Verbindung mit der Radialoder Kompressionskraft, die durch die Schrägflächen im ersten und zweiten. Abschnitt der Werkzeuge herbeigeführt

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wurde - entsprechend den Höhen A und B in Fig. 3 -, zu einer gewissen axialen Bewegung an der Werkstückoberflache führt.

Gemäß Fig. 6, linker Teil, besaß das maßhaltig gewalzte Werkstück einen Durchmesser 54 und eine Länge 53. Die meßbare Längenänderung war dabei nur minimal und bei dem fraglichen Werkstück unschädlich.

Weitere Werkstücke S-1 und S-2, welche zunächst eine geringere Oberflächenrauhigkeit bzw. eine glattere Fläche besaßen als die zuerst untersuchten Werkstücke R-1, R-2, wurden ebenfalls untersucht. Die Versuchsergebnisse sind in der Tabelle zusammengafaßt und anhand von Fig. 9A und 9B erläutert- Wie diesen Figuren entnommen werden kann, wurde die geringere Oberflächenrauhigkeit von ca. 6 μΐη zunächst dadurch erreicht, daß man beim Drehen mit einem geringeren radialen Vorschub und mit einem Drehstahl mit einem kleineren Spitzen-Radius arbeitete, wobei nach dem Walzen wieder eine hervorragende Oberflächenqualität, nämlich eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als 0,4 μΐη, erreicht wurde. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß beim Vergleich von Fig. 8A und 9A zu berücksichtigen ist, daß der Maßstab für die Vertikale in Fig. 9A fünfmal so groß ist wie in Fig. 8A, so daß die optisch gröbere Oberfläche gemäß Fig. 9A in Wirklichkeit glatter war als die Oberfläche gemäß Fig. 8A. Wie Fig. 9B zeigt, wurde nach dem maßhaltigen Walzen des Teils S-1 eine Oberflächenrauhigkeit von 0,36 μπι erhalten. Wenn man die beiden verschiedenen Teile S-1 und S-2 vergleicht, dann sieht man, daß bei einer ursprüng-

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lichen Durchmesserdifferenz von etwa 33 um nach dem Walzen wieder eine Durchmesserdifferenz von etwa

3 μΐη erreicht wurde. Dieses Ergebnis widersprach den Erwartungen völlig, da davon ausgegangen wurde, daß bei einer anfänglich geringeren Oberflächengenauigkeit nach dem Walzen geringere Toleranzen vorliegen wurden. Dies war jedoch nicht der Fall. Tatsächlich zeigte es sich im Verlaufe der Versuche, daß bei der zunächst rauheren Oberfläche wie bei den Teilen R-1 und R-2 nach dem Vialzen Werkstücke mit engeren Toleranzen erhalten werden. Es wird davon ausgegangen, daß dieses unerwartete Ergebnis darauf zurückzuführen ist, daß bei einer zunächst rauheren Oberfläche eine größere Metallmenge in radialer und axialer Richtung verschoben werden bzw. fließen kann, um einen gleichmäßigen Durchmesser zu erhalten. Mikrophotografien der gewalzten Teile zeigten, daß an der gewalzten Oberfläche eine Kaltverformung stattgefunden hatte und daß zwischen den Spitzen und Senken ein Materialausgleich erfolgt war, der zu einer Oberflächengüte mit einer Rauhigkeit von weniger als 0,65 um führte. Die in der Tabelle zusammengestellten Ergebnisse sind insofern sehr bedeutend, als sie zeigen, daß der beim Walzen erhaltene Durchmesser mit den erforderlichen Toleranzen für ein Kaltwalzen einer Keil- oder Zahnradverzahnung erreicht werden kann, wenn die Oberfläche des Werkstücks ursprünglich eine gewisse Rauhigkeit von beispielsweise mehr als 17,8 \xm besitzt.

Die Versuchsergebnisse und die fertiggestellten Teile zeigten letztlich deutlich,· daß das maßgenaue Walzen eine grob bearbeiteten Fläche letztlich zu besonders engen Toleranzen des gewalzten Werkstücks führte, an

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welchem anschließend eine Zahnung in Form einer Keiloder Zahnradverzahnung gewalzt wurde. Weiterhin zeigte sich, daß vor dem Einwalzen der Zahnung auf ein Schleifen des Werkstücks, wie es normalerweise erforderlich ist, verzichtet werden kann, so daß erfindungsgemäß eine wirtschaftlichere. Herstellung von mit einer Zahnung versehenen Werkstücken möglich wird. Es genügt also, die Werkstücke/ an denen eine Zahnung hergestellt werden soll, vor dem maßgenauen Walzen einfach auf einer Drehbank herzustellen, wobei eine ziemliche Oberflächenrauhigkeit in Kauf genommen werden kann. Die Genauigkeit, mit der der Durchmesser beim maßgenauen Walzen erreicht wird, und die dabei gleichzeitig erhaltene Oberflächengüte ermöglicht es ferner, an Wellen vorgesehene Lagerflächen, die normalerweise nach dem Drehen geschliffen werden müssen, um die gewünschte Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit zu erreichen, durch Walzen mit Werkzeugen gemäß der Erfindung herzustellen. Hierdurch können aber die Herstellungskosten für solche Lagerflächen an Wellen sowohl hinsichtlich des Zeitaufwandes als auch hinsichtlich des Maschinenaufwandes deutlich reduziert: werden. Das maßgenaue Walzen gestattet jedoch normalerweise keinen Verzicht auf das Nachschleifen der Zähne einer gewalzten Zahnung, wenn eine sehr hohe Oberflächenqualität gefordert wird. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Oberflächenqualität der gewalzten Zähne normalerweise nicht von der Oberflächenqualität des maßhaltig gewalzten runden Werkstücks abhängig ist. Das maßgenaue Walzen dient somit in erster Linie dazu, einen Werkstückdurchmesser zu erreichen, der ein exaktes Vielfaches der Zahnteilung an den zahnstangenförmigen Walz- bzw. Prägewerkzeugen beträgt.

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In Fig. 11 und 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Werkzeuganordnung gezeigt, welche ein Polierwerkzeug 44/ ein Zahnformwerkzeug 46 und ein Vorbearbeitungswerkzeug 56 umfaßt, die an einer gemeinsamen Basis 40' montiert und mittels Positionierkeilen 48 (teilweise) positioniert sind. Bei dieser Werkzeuganordnung besitzt das Werkzeug 56 einen sanft geneigten Einlaufbereich, der zu einer flachen horizontalen Arbeitsfläche führt, die parallel zur Basis 40' verläuft und mit Längsrillen 58 versehen ist, um die Werkstückoberfläche aufzurauhen, ehe das Werkstück maßgenau gewalzt wird. Die Tiefe und Anzahl der Längsrillen wird dabei in Abhängigkeit von den zu bearbeitenden Werkstücken derart gewählt, daß sich das gewünschte aufgerauhte Oberflächenprofil ergibt, derart, daß das Werkstück anschließend maßgenau gewalzt werden kann, und zwar mit den vorgegebenen Toleranzen, die für das anschließende Walzen der Zahnung eingehalten werden müssen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, daß die Erfindung ein Verfahren und ein Werkzeug zum maßgenauen Walzen von zylindrischen Werkstückoberflächen betrifft, wobei das Walzwerkzeug einen Grundkörper mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende aufweist und mit einer Arbeitsfläche versehen ist, die in mehrere Bereiche bzw. Abschnitte unterteilt ist. Ein erster Abschnitt des Werkzeugs liegt dabei zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende und besteht aus zwei im Bereich einer Kante aneinanderstoßenden Flächen, die einerseits schräg in Richtung auf das vordere Ende des Werkzeugs und andererseits jeweils zu der

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angrenzenden Seitenwand des Werkzeugs abfallen, was auch so formuliert werden kann, daß das Werkzeug quer zu seiner Längsrichtung eine "Krone" aufweist. Ein zweiter Abschnitt der Arbeitsfläche liegt zwischen dem ersten Abschnitt und dem hinteren Ende des Werkzeugs und fällt in Richtung auf das vordere Ende unter einem Winkel ab, der kleiner ist als der Neigungswinkel des ersten Abschnitts. Die beiden vorstehend angesprochenen Abschnitte der Arbeitsfläche können dabei auch als Unterabschnitte eines ersten Abschnitts angesehen werden, da in diesem Abschnitt der Spalt zwischen zwei Werkzeugen, die der Bearbeitung eines zylindrischen Werkstücks dienen, zunehmend enger wird. Ein dritter Abschnitt der Arbeitsfläche liegt zwischen dem zweiten Abschnitt und dem hinteren Ende des Werkzeugs und besitzt eine einzige Fläche,die im wesentlichen parallel zur Basis des Werkzeugs ausgerichtet ist. Schließlich liegt zwischen dem dritten Abschnitt und dem hinteren Ende des Werkzeugs ein vierter Abschnitt mit einer einzigen Fläche, die in Richtung auf das hintere Ende des Werkzeugs abfällt und so ein sanftes Lösen des Werkstücks aus dem Klemmspalt zwischen den beiden Werkzeugen gestattet. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist eine.Werkzeuganordnung in Form einer Kombination aus einem dem maßgenauen Walzen dienenden Werkzeug und einem Zahnformwerkzeug vorgesehen, wobei diese Werkzeugkombination bei einem einzigen Durchlauf eines Werkstücks das Kalibrieren und das anschließende Anformen von Zähnen an einem Werkstück gestattet, wobei die Zähne eine Keilverzahnung oder eine Zahnradverzahnung bilden können.

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Es ist möglich, das Werkstück zweimal zwischen den Zahnformwerkzeugen, die speziell als Zahnstangenwerkzeuge ausgebildet sind, hindurehlaufen zu lassen, um so eine genauere Zahnform zu erhalten, wobei sich dieser zweite Durchlauf natürlich allein auf das Zahnformwerkzeug beschränkt. Es hat sich gezeigt, daß ein einziger Durchlauf des Werkstücks zwischen zwei Werkzeuganordnungen normalerweise ausreicht, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Außerdem können Verfahren und Werkzeug gemäß der Erfindung auch unabhängig von der Anformung von Zähnen an Werkstücken eingesetzt werden, um eine Oberflächenqualität zu erhalten, die mit der beim Schleifen erreichbaren Oberflächenqualität vergleichbar ist, so daß beispielsweise Lagerflächen mit engen Toleranzen hinsichtlich des Durchmessers und mit einer hohen Oberflächengüte erhalten werden können.

Der Fachmann erkennt, daß, ausgehend von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, die Möglichkeit für Änderungen besteht. Beispielsweise können die Werkzeuge für ein maßgenaues Walzen und für das Anformen von Zahnungen am Werkstück zu einstückigen Werkzeugen zusammengefasst werden oder in anderer Weise montiert werden, als dies in der Zeichnung gezeigt ist. Weiterhin wird aus der vorstehenden Beschreibung deutlich, daß das Werkzeug gemäß der Erfindung für sich allein als Kalibrierwerkzeug eingesetzt werden kann oder in Verbindung mit einem Zahnstangenwerkzeug zum Anformen einer Zahnung am

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Umfang eines zylindrischen Werkstücks". Dem Fachmann stehen also, ausgehend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müsste.

Claims

HOEGER, STELi.REC°H.T'^*PART^ER 330859Λ

PAT&tsfTANWA
UHLANDSTRASSE 14 c D 70OO STUTTGART

A 45 532 b Anmelder: Ex-CeIl-O Corporation

k - 176 2855 Coolidge

8. März 198 3 Troy, Michigan 4 3084

USA

Patentansprüche

1. Verfahren zum maßgenauen Bearbeiten von zylindrischen Werkstücken unter gleichzeitiger Endbearbeitung der Werkstückoberfläche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) man führt eine grobe Endbearbeitung des zylindrischen Werkstücks durch und

b) man führt ein Kaltwalzen des grob bearbeiteten Werkstücks zwischen zwei Walzwerkzeugen für ein maßgenaues Walzen durch, die so ausgebildet sind, daß sie anfänglich ein axiales Fließen des Materials am Werkstückumfang fördern, an das sich ein Fließen des Materials aufgrund einer Kompression anschließt, wobei der Werkstückdurchmesser innerhalb vorgegebener Toleranzen auf das genaue Maß gebracht wird und wobei eine gewalzte endbearbeitete Oberfläche erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die grobe Endbearbeitung beim Drehen des Werkstücks auf einer Drehbank erfolgt.

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3. Verfahren nach Anspruch Voder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückdurchmesser auf ein Haß gebracht wird, welches einer Zahnung mit einem Teilkreis vorgegebenen Durchmessers entspricht und daß man nach dem maßgenauen Walzen des Werkstücks an diesem die betreffende Zahnung erzeugt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der groben Endbearbeitung ein Werkstück mit einem Durchmesser herstellt, der außerhalb der Toleranzen für die Herstellung der gewünschten Zahnung liegt.

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die grobe Endbearbeitung so durchgeführt wird, daß sich eine Oberflächenrauhigkeit von mindestens 17,8 μκι ergibt.

6· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß das maßgenaue Walzen so durchgeführt wird, daß sich eine Oberflächenrauhigkeit von maximal 0,S5 um ergibt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Zahnung des Werkstücks durch Kaltwalzen desselben zwischen zwei Zahnstangenwerkzeugen erzeugt.

8. Werkzeug zum maßgenauen Walzen einer zylindrischen Werkstückoberfläche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis I₁ dadurch

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gekennzeichnet, daß das Werkzeug einen Grundkörper mit-einer Basisfläche(38) ,zwei Seitenwänden(34, 36}, einem vorderen Ende(20},einem hinteren Ende(32)und einer Arbeitsfläche aufweist, daß die Arbeitsfläche einen vorderen Abschnitt aufweist, der schräg abfallend in Richtung auf das vordere Ende(20)verläuft, daß die Arbeitsfläche einen hinteren Abschnitt (30) aufweist , der schräg abfallend in Richtung auf das hintere Ende(32)verlauft, und daß die Arbeitsfläche einen zwischen dem vorderen und dem hinteren Abschnitt liegenden mittleren Abschnitt (28)aufweist.

9. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt(2 8)zumindest im wesentlichen parallel zur Basisfläche verläuft.

10. Werkzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Abschnitt der Arbeitsfläche in einen vorderen und einen hinteren Unterabschnitt unterteilt ist, die beice schräg abfallend in Richtung auf das vordere Ende (20; verlaufen.

11. Werkzeug nach einen der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Abschnitt zumindest teilweise schräg in Richtung auf die Seitenwände(34, 38)abfallend ausgebildet ist.

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12. Werkzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Abschnitt zwischen den Seitenwänden(34, 36)teilweise mit einer nach oben vorstehenden Krone versehen ist.

13. Werkzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im vorderen Abschnitt der längs der Längsmittellinie des Werkzeugs verlaufende Bereich der Arbeitsfläche zumindest teilweise höher liegt als die an die Seitenwände(34 36)angrenzenden Bereiche derselben.

14. Werkzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterabschnitte des vorderen Abschnitts unterschiedlich stark in Richtung auf das vordere Ende(20)abfallend ausgebildet sind.

15. Werkzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Abschnitt und der hintere Abschnitt(30)unterschiedlich stark in Richtung auf das jeweils angrenzende Ende (20, 32) abfallend ausgebildet sind.

16. Werkzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der parallel zur Basisfläche (38) verlaufende mittlere Abschnitt (28) der Arbeitsfläche als Endbearbeitungsfläche ausgebildet ist.

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17. Werkzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Unterabschnitt des vorderen Abschnitts zwei Flächen (22, 24) aufweist, die längs der Längsmittelachse des Werkzeugs unter einem Winkel aneinandergrenzen und dort eine schräg in Richtung auf das vordere Ende (20) abfallende Kante (23) definieren, die höher liegt als die an die Seitenwände (34, 36) angrenzenden Kanten dieser Flächen (22, 24)>

18. Verwendung von Werkzeugen nach einem der Ansprüche 8 bis 17 als Kalibrierwerkzeuge ir. Verbindung mit Zahnstangenwerkzeugen zum Kaltwalzen einer Zahnung am Umfang eines kalibrierten zylindrischen Werkstücks .