DE102016208483A1

DE102016208483A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kegelkolbens für eine Axialkolbenmaschine und Bauteil für eine Axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102016208483A1
Application number: DE102016208483.6A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gaertner; Guenther Plutke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2017-11-23

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kegelkolbens für eine Axialkolbenmaschine, bei dem ein aus herkömmlichen Verfahren bekannter Hartbearbeitungsschritt, dessen Ausführung nach einem Härteschritt wegen übermäßigen Auftrags auf eine Werkstückoberfläche beim Härten zur Wiederherstellung der Maßhaltigkeit erforderlich wird, quasi in die Weichbearbeitung vor den Wärmebehandlungsverfahren verschoben wird. Dies wird durch eine zweistufige Wärmebehandlung ermöglicht, die eine dabei entstehende Verbindungsschicht unterdrückt und/oder reduziert und eine große Tiefe einer dabei entstehenden unter der Verbindungsschicht liegenden Diffusionsschicht erzeugt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kegelkolben für Axialkolbenmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil für eine Axialkolbenmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Bekannte Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, die in einer Axialkolbenmaschine einer Gleitreibung ausgesetzt sind, insbesondere von Kegelkolben, weisen üblicherweise einen Weichbearbeitungsschritt auf, bei dem dem Kegelkolben seine Form gegeben wird, in aller Regel mittels spanabhebender Bearbeitungsverfahren wie Drehen und/oder Fräsen. Nach dem Weichbearbeitungsschritt wird ein Wärmebehandlungsschritt zum Härten einer Oberfläche des Kegelkolbens ausgeführt, wodurch eine höhere Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegen Verschleiß, insbesondere durch Abrasion, und Korrosion sowie eine Verbesserung einer Gleiteigenschaft erreicht wird.
Da aber übliche Härteverfahren wie beispielsweise Nitrieren oder Nitrokarburieren eine nachträgliche Bearbeitung zur Erhaltung und/oder Wiederherstellung einer Maßhaltigkeit des Kegelkolbens erfordern, muss nach dem Wärmebehandlungsschritt ein Hartbearbeitungsschritt ausgeführt werden. Bei dem Hartbearbeitungsschritt wird aber, insbesondere mittels spanabhebender Bearbeitungsverfahren wie beispielsweise Schleifen, die in dem Wärmebehandlungsschritt aufgebrachte Härteschicht zumindest teilweise wieder abgetragen. Zudem muss nach der Hartbearbeitung ein Reinigungsschritt am Kegelkolben ausgeführt werden. Die Hartbearbeitung ist nicht nur wegen des dazu erforderlichen Spezialwerkzeugs teuer und aufwändig, sie wirkt sich außerdem nachteilig auf die Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß, insbesondere durch Abrasion, und/oder Korrosion, und/oder die Gleiteigenschaft aus. Zum Wiederherstellen der höheren Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und/oder Korrosion, und/oder der verbesserten Gleiteigenschaft ist gegebenenfalls ein erneutes Härten erforderlich, beispielsweise ein Nitrokarburieren und Nachoxidieren, dem üblicherweise der Reinigungsschritt vorausgehen muss. Die wegen der Hartbearbeitung erforderlichen Schritte wie das erneute Härten und das Reinigen sind nicht nur arbeits- und kostenintensiv sondern auch zeitintensiv.
Die DE 10 2012 010 176 A1 zeigt eine hydrostatische Kolbenmaschine, für die Bauteile hergestellt werden, die relativ zueinander beweglich sind und deren aneinander anliegende Gleitflächen eine Gleitpaarung aus unterschiedlichen Materialien bestehend bilden. Ein Bauteil der Gleitpaarung ist mittels Sintern hergestellt und ein anderes Bauteil der Gleitpaarung besteht aus einem Eisenbasiswerkstoff mit und ohne Legierungselementen, dessen Gleitfläche eine Nitrokarburierschicht oder eine Gasnitrierschicht aufweist. Dadurch soll eine verschleißfeste und korrosionsbeständige Oberfläche erzielt werden, die mit dem einen Bauteil aus Sinterwerkstoff zusammen als Gleitpaarung eine geringe Reibung aufweisen soll. Für eine Herstellung des anderen Bauteils wird vorgeschlagen, ein Rohteil spanend zu bearbeiten, beispielsweise mittels Drehen oder Fräsen. Daran anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung, bevorzugt eine Gasnitrierung, mittels der das andere Bauteil gehärtet wird. Danach wird das andere Bauteil geschliffen, wobei die gehärtete äußere Schicht teilweise abgetragen wird, worauf als weitere Wärmebehandlung eine Gasnitrokarburierung ausgeführt wird.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Kegelkolben für eine Axialkolbenmaschine zu schaffen, das kostengünstig ist und zu einem verbesserten Verschleißschutz des Kegelkolbens führt. Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung ein Bauteil, insbesondere einen Kegelkolben, für eine Axialkolbenmaschine zu schaffen, das einen geringen Verschleiß aufweist.
Diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird gelöst gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Bauteils gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kegelkolbens für eine Axialkolbenmaschine, beispielsweise eine Schrägachseneinheit, wird vor einem Wärmebehandlungsschritt oder einem Wärmebehandlungsverfahren mindestens ein Weichbearbeitungsschritt zur Formgebung des Kegelkolbens ausgeführt. Insbesondere enthält das Wärmebehandlungsverfahren eine zweistufige Wärmebehandlung. Die erste Stufe der Wärmebehandlung kann ein atmosphärengeregeltes Gasnitrieren oder Gasnitrokarburieren mit Unterdrückung und/oder Reduzierung eines Wachstums einer Verbindungsschicht und eine Erzeugung einer großen Tiefe einer unter der Verbindungsschicht liegenden Diffusionsschicht aufweisen. Somit wird das Verbindungswachstum reduziert und eine hohe Diffusionstiefe erzeugt. Weiter enthält eine zweite Stufe der Wärmebehandlung ein atmosphärengeregeltes Gasnitrokarburieren zum Einstellen einer definierten Dicke der Verbindungsschicht. Nach dem Wärmebehandlungsverfahren entfällt vorzugsweise eine Hartbearbeitung des Kegelkolbens.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass beim Entfall der Hartbearbeitung des Kegelkolbens kein besonders für Hartbearbeitung ausgebildetes und somit teures Werkzeug erforderlich ist, was die Herstellkosten senkt. Durch das Wärmebehandlungsverfahren mit den zwei Stufen kann ein Gasnitrieren zusammen mit Nebenprozessen vorteilhafterweise vollständig entfallen. Die Gesamtwärmebehandlungsdauer reduziert sich im Vergleich zu etwa 30 Stunden aus dem Stand der Technik auf beispielsweise etwa 12 Stunden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass bei der Herstellung des Kegelkolbens weniger Arbeitsschritte erforderlich sind, womit eine Arbeitsintensität des Herstellungsprozesses verringert ist. Zudem bedeutet der Entfall der Hartbearbeitung des Kegelkolbens einen Zeitvorteil bei der Herstellung des Kegelkolbens und eine verringerte Kapazitätsbelastung des Herstellungsbetriebs. Die verbesserten Gebrauchseigenschaften der Kegelkolben wie höhere Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegen Verschleiß und/oder Korrosion, und/oder eine Verbesserung der Gleiteigenschaft werden somit in einer kürzeren Zeit und auf kostengünstigere Art und Weise erreicht.
Statt der Hartbearbeitung wird vorzugsweise vor dem Wärmebehandlungsverfahren zumindest ein weiterer zweiter Weichbearbeitungsschritt nach dem ersten Weichbearbeitungsschritt ausgeführt.
Bei dem ersten Weichbearbeitungsschritt handelt es sich vorzugsweise um ein Drehen, und bei dem zweiten, weiteren Weichbearbeitungsschritt um ein Schleifen des Kegelkolbens.
Beispielsweise kann das Herstellverfahren ähnlich dem in der DE 10 2013 226 090 A1 von der Anmelderin offenbarten Verfahren zum Gasnitrokarburieren sein, wobei entscheidende Parameter wie Zeit oder Temperatur entsprechend den jeweiligen Anforderungen an den jeweiligen herzustellenden Kegelkolben variiert werden können.
Vorteilhafterweise beträgt eine Maximaldicke der Verbindungsschicht bei einer jeweiligen maximalen oder geringen Dickenschwankungsbreite von 6 µm höchstens etwa 15 µm.
Insbesondere beträgt die Dicke der Verbindungsschicht etwa 4 µm plus der maximalen Dickenschwankungsbreite von 6 µm, wodurch die Maximaldicke der Verbindungsschicht höchstens etwa 10 µm beträgt. Weiter insbesondere beträgt die Dicke der Verbindungsschicht etwa 5 µm plus der maximalen Dickenschwankungsbreite von 6 µm, wodurch die Maximaldicke der Verbindungsschicht höchstens etwa 11 µm beträgt. Weiter insbesondere beträgt die Dicke der Verbindungsschicht etwa 6 µm plus der maximalen Dickenschwankungsbreite von 6 µm, wodurch die Maximaldicke der Verbindungsschicht höchstens etwa 12 µm beträgt. Weiter insbesondere beträgt die Dicke der Verbindungsschicht etwa 7 µm plus der maximalen Dickenschwankungsbreite von 6 µm, wodurch die Maximaldicke der Verbindungsschicht höchstens etwa 13 µm beträgt. Weiter insbesondere beträgt die Dicke der Verbindungsschicht etwa 8 µm plus der maximalen Dickenschwankungsbreite von 6 µm, wodurch die Maximaldicke der Verbindungsschicht höchstens etwa 14 µm beträgt.
Beim herkömmlichem Nitrieren und/oder Nitrokarburieren wird ein Bauteil mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, die eine Verbindungsschicht und eine darunterliegende Diffusionsschicht aufweist. Üblicherweise wird dabei eine Dicke der Verbindungsschicht von größer als etwa 15 µm bis zu etwa 30 µm erzeugt, was einen negativen Einfluss auf die Maßhaltigkeit des Bauteils hat. Bei der erfindungsgemäßen Dicke der Verbindungsschicht von höchstens etwa 15 µm ist somit der negative Einfluss auf die Maßhaltigkeit des Kegelkolbens verringert oder gar ausgeschlossen.
Vorteilhafterweise enthält das Wärmebehandlungsverfahren eine Nachoxidation oder einen Nachoxidationsschritt. Somit wird die Gleiteigenschaft und/oder der Widerstand gegen Korrosion verbessert. Die Nachoxidation erfolgt vorzugsweise nach den beiden Stufen der Wärmebehandlung. Das Wärmebehandlungsverfahren kann dann ein 3-stufiges, geregeltes Gasnitrokaburierverfahren sein.
Insbesondere weist die zweistufige Wärmebehandlung eine kürzere Gesamtwärmebehandlungsdauer auf als eine herkömmliche einstufige Wärmebehandlung.
Vorteilhafterweise beträgt die Gesamtwärmebehandlungsdauer der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung etwa 12 Stunden. Somit besteht bei der Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu einer Gesamtwärmebehandlungsdauer von etwa 30 Stunden bei herkömmlichen Herstellungsverfahren ein Zeitvorteil.
Mit Vorteil ist ein Bauteil für eine Axialkolbenmaschine vorgesehen, das mit dem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Aspekte hergestellt ist.
Bei dem Bauteil handelt es sich insbesondere um einen Kolben, insbesondere um einen Kegelkolben, oder um eine Triebwelle oder um einen Gleitschuh. Bei Kegelkolben wird vorzugsweise zumindest der Mittelzapfen dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Aspekte unterzogen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 in einem Längsschnitt einen Kegelkolben für eine Axialkolbenmaschine und
2 einen Ablaufplan eines Verfahrens zur Herstellung des Kegelkolbens für die Axialkolbenmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiels.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt einen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren 1 hergestellten Kegelkolben 2, der an seinem einen Ende eine Kugel 4 oder Kugelkopf aufweist, die an einer Einschnürung 6 in einen Kegel 8 oder Kegelstumpf übergeht. An einem anderen Ende des Kegelkolbens 2, quasi der Kugel 4 gegenüberliegend angeordnet, sind an einem etwa zylindrischen Abschnitt 10 zwei Ringnuten 12, 13 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) ausgebildet. Der Kegelkolben 2 wird vorzugsweise in einer Zylindertrommel einer Axialkolbenmaschine in Form einer Schrägachseneinheit eingesetzt.
Der in 2 dargestellte Ablaufplan eines Verfahrens 1 zur Herstellung eines Kegelkolbens 2 beginnt mit einem Weichbearbeitungsschritt 14, bei dem dem Kegelkolben 2 seine Form gegeben wird, in aller Regel mittels eines spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens wie beispielsweise Drehen und/oder Fräsen.
Je nach Anforderung an eine Maßgenauigkeit wird daran anschließend ein weiterer Weichbearbeitungsschritt 16 ausgeführt, bei dem beispielsweise eine Feinbearbeitung und/oder eine Endbearbeitung einer Kugel 4 des Kegelkolbens 2 mittels beispielsweise Schleifen erfolgt.
Nach den Weichbearbeitungsschritten 14, 16 wird ein Wärmebehandlungsverfahren 18 zum Härten einer Oberfläche des Kegelkolbens 2 ausgeführt, womit eine Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegen Verschleiß, insbesondere durch Abrasion, und/oder Korrosion erhöht wird, und/oder eine Gleiteigenschaft verbessert wird.
Das Wärmebehandlungsverfahren 18 enthält eine zweistufige Wärmebehandlung. Die erste Stufe enthält ein atmosphärengeregeltes Gasnitrieren, wobei ein Wachstum einer dabei entstehenden Verbindungsschicht unterdrückt und/oder reduziert wird und eine große Tiefe einer dabei entstehenden unter der Verbindungsschicht liegenden Diffusionsschicht erzeugt wird. Die zweite Stufe der Wärmebehandlung enthält ein atmosphärengeregeltes Gasnitrokaburieren zum Einstellen einer definierten Dicke der Verbindungsschicht. Die zweite Stufe enthält optional eine Nachoxidierung zur Verbesserung eines Gleitverhaltens und Erhöhung eines Korrosionswiderstands. Das Wärmebehandlungsverfahren 18 kann zusätzlich einen Oxidationsschritt aufweisen. Eine Länge des Wärmebehandlungsverfahrens 18 beträgt vorzugsweise etwa 12 Stunden.
Eine weitere Bearbeitung des Kegelkolbens 2, die dann eine Hartbearbeitung sein müsste, ist nicht vorgesehen und entfällt somit gemäß dem Verfahren 1, was die eingangs erwähnten Vorteile bezüglich Kosten, Herstellungsdauer und/oder Arbeitsintensität mit sich bringt.
Nach dem Wärmebehandlungsverfahren 18 kann in einem Fügeschritt 19 zumindest ein Kolbenring mit dem Kegelkolben 2 verbunden werden.
Zum Vergleich mit dem Verfahren 1 aus 2 wird im Folgenden ein Ablauf eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung eines Kegelkolbens für eine Axialkolbenmaschine aus dem Stand der Technik erläutert.
Das bekannte Verfahren beginnt mit einem Weichbearbeitungsschritt, bei dem dem Kegelkolben seine Form gegeben wird, in aller Regel mittels eines spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens wie beispielsweise Drehen und/oder Fräsen.
Danach folgt ein Härteschritt, bei dem mittels einer Wärmebehandlung über üblicherweise etwa 30 Stunden eine Oberfläche des Kegelkolbens vergütet, insbesondere gehärtet wird. Dabei entsteht eine Verbindungsschicht und eine darunterliegende Diffusionsschicht, wobei die Verbindungsschicht üblicherweise eine Dicke von mehr als 15 µm und bis zu 30 µm aufweist.
Anschließend an den Härteschritt wird ein Hartbearbeitungsschritt ausgeführt, bei dem zur Einhaltung der Maßvorgaben der Kegelkolben spanabhebend, beispielsweise mittels Schleifen, bearbeitet wird, da die Verbindungsschicht mit bis zu 30 µm einen negativen Einfluss auf die Maßhaltigkeit des zuvor gedrehten und/oder gefrästen Kegelkolbens hat.
Nach dem Hartbearbeitungsschritt wird ein üblicherweise bis zu etwa einer Stunde dauernder Wärmebehandlungsschritt ausgeführt, der zur Wiederherstellung des in dem Hartbearbeitungsschritt durch zumindest teilweises Abtragen der Verbindungsschicht verminderten Schutzes vor Verschleiß und/oder Korrosion erforderlich ist. Durch den Wärmebehandlungsschritt wird die gleichfalls in dem Hartbearbeitungsschritt durch zumindest teilweises Abtragen der Verbindungsschicht verschlechterte Gleiteigenschaft verbessert.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren 1 kann ein (hier nicht dargestellter) Vorbereitungsschritt eines Angleichens der Temperatur und/oder einer Ankeimung der Verbindungsschicht und/oder einer Prozessgasformierung vorgelagert werden.
Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kegelkolbens für eine Axialkolbenmaschine, bei dem ein aus herkömmlichen Verfahren bekannter Hartbearbeitungsschritt, dessen Ausführung nach einem Härteschritt wegen übermäßigen Auftrags auf eine Werkstückoberfläche beim Härten zur Wiederherstellung der Maßhaltigkeit erforderlich wird, quasi in die Weichbearbeitung vor den Wärmebehandlungsverfahren verschoben wird. Dies wird durch eine zweistufige Wärmebehandlung ermöglicht, die eine dabei entstehende Verbindungsschicht unterdrückt und/oder reduziert und eine große Tiefe einer dabei entstehenden unter der Verbindungsschicht liegenden Diffusionsschicht erzeugt.
Bezugszeichenliste

1: Verfahren zur Herstellung eines Kegelkolbens
2: Kegelkolben
4: Kugel
6: Einschnürung
8: Kegel
10: zylindrischer Abschnitt
12: Ringnut
13: Ringnut
14: Weichbearbeitungsschritt
16: weiterer Weichbearbeitungsschritt
18: Wärmebehandlungsverfahren
19: Fügeschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012010176 A1 [0004]
DE 102013226090 A1 [0013]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kegelkolbens (2) für eine Axialkolbenmaschine, wobei vor einem Wärmebehandlungsverfahren (18) ein Weichbearbeitungsschritt (14) zur Formgebung des Kegelkolbens (2) ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmebehandlungsverfahren (18) eine zweistufige Wärmebehandlung mit einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe enthält, wobei die erste Stufe der Wärmebehandlung ein atmosphärengeregeltes Gasnitrieren oder Gasnitrokarburieren mit Unterdrückung und/oder Reduzierung eines Wachstums einer Verbindungsschicht und eine Erzeugung einer hohen Diffusionstiefe enthält, und wobei die zweite Stufe der Wärmebehandlung ein atmosphärengeregeltes Gasnitrokarburieren zum Einstellen einer definierten Dicke der Verbindungsschicht enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Oberflächenvergütungsschritt (18) ein Hartbearbeitungsschritt (22) des Kegelkolbens entfällt und/oder vor dem Wärmebehandlungsverfahren (18) zumindest ein weiterer zweiter Weichbearbeitungsschritt (16) nach dem ersten Weichbearbeitungsschritt (14) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Weichbearbeitungsschritt (14) Drehen ist, und wobei der zweite weitere Weichbearbeitungsschritt (16) Schleifen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dicke der Verbindungsschicht bei einer jeweiligen Dickenschwankungsbreite von 6 µm höchstens 15 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei das Wärmebehandlungsverfahren (18) eine Nachoxidation enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Gesamtwärmebehandlungsdauer der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung etwa 12 Stunden beträgt.
Bauteil für eine Axialkolbenmaschine, das mit dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Bauteil nach Anspruch 7, wobei dieses ein Kolben, insbesondere ein Kegelkolben, oder eine Triebwelle oder ein Gleitschuh ist.