DE19854168C2 - Verfahren zur Herstellung eines verzahnten Getriebeteils - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines verzahnten GetriebeteilsInfo
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Description
Die Anmeldung ist eine Zusatzanmeldung zum Hauptpatent
DE 197 24 661. Die Offenbarung des Hauptpatents wird
ausdrücklich auch zum Inhalt dieser Zusatzanmeldung ge
macht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
profilierten Getriebeteils gemäß dem Oberbegriff des An
spruchs 1.
Bei derartigen Verfahren ist es bekannt, durch eine radiale
Verformung Körper zu stauchen und diese dabei mit einer
Außen- oder Innenverzahnung zu versehen. Dies kann durch
radiales Zustellen einer Verzahnungsrolle für eine Außen
verzahnung oder durch Andrücken an einen außenverzahnten
Drückdorn für eine Innenverzahnung erfolgen. Innen- und/
oder außenverzahnte Teile werden beispielsweise bei Star
terkränzen, Zahnrädern oder Laufverzahnungen eingesetzt.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Lamel
lenträgers für Automatikgetriebe ist beispielsweise aus dem
Artikel: "Drückwalzen von Verzahnungen in Lamellenträgern",
in: Bänder, Bleche, Rohre, 1/1994, Seite 28 bekannt.
Bei Zahnrädern von Getrieben kommt es besonders darauf an,
eine harte, verschleißarme Schicht an den Zahnflanken der
Verzahnungen zu erzeugen, damit beim Eindringen von
Schmutzpartikeln keine Mikrorisse in den Oberflächen der
Zahnflanken entstehen. Die Vermeidung solcher Mikrorisse
ist wichtig, da diese zur Grübchenbildung in der Zahnflan
kenoberfläche und damit zur Zerstörung der Zahnflanken
führen können.
Bei Getriebeteilen, bei welchen eine hohe mechanische
Dauer- und Verschleißfestigkeit gefordert ist, werden Ver
fahren eingesetzt, welche die Verfahrensschritte mecha
nische Weichverarbeitung, Härten/Einsatzhärten und mecha
nische Hartbearbeitung aufweisen. Die zu fertigenden Teile
werden zunächst aus einem Gußteil oder Halbzeug spanend
herausgearbeitet. Voraussetzung für die mechanische Bear
beitung ist eine gute Spanbarkeit des Werkstoffs für das zu
fertigende Teil. Dadurch können hohe Schnittgeschwindigkei
ten realisiert werden, mit denen eine rationelle Fertigung
möglich ist.
Eine Bearbeitung hochfester Werkstoffzustände ist schwie
rig. Außerdem ist eine Verfestigung des Werkstoffes während
der Bearbeitung unerwünscht. Der Grund dafür ist die daraus
resultierende Werkzeugbeanspruchung, die zum vorzeitigen
Versagen dieser führt oder den Einsatz von teuren Hartme
tallwerkzeugen notwendig macht. Außerdem entstehen bei der
spanenden Bearbeitung von hochfesten Werkstoffzuständen
hohe Temperaturen, die zur Veränderung der Mikrostruktur
des zu bearbeitenden Werkstoffes führen können. Es kann
beipielsweise zu Ausscheidungsvorgängen kommen, die eine
Versprödung zur Folge haben.
Weiterhin können lokale Gefügeveränderungen die Ausbildung
einer inhomogenen, rißanfälligen Struktur verursachen. Dem
kann nur durch einen wesentlichen höheren Kühlmittelein
satz, was im Hinblick auf die Umweltbelastung unerwünscht
ist, und durch die Herabsetzung der Schnittgeschwindigkeit
begegnet werden.
Die durch eine zerspanende Verarbeitung erzeugten Oberflä
chen weisen zudem Mikrorauhigkeit mit Rauhigkeitsspitzen
und -tiefen auf. Bei einer statischen oder dynamischen
Beanspruchung des gefertigten Bauteils tragen zunächst nur
diese Spitzen. Die Folge ist eine rasche Ermüdung dieser
Werkstoffbereiche, eine lokale plastische Verformung und
letztendlich das Abplatzen einzelner Teilbereiche. Dies
führt zur Bildung von Grübchen und Furchen auf der Ober
fläche. Weiter sind die durch das Zerspanen entstandenen
Mikrokerben mögliche Ansatzpunkte für die Ausbildung von
Rissen.
Daher erfolgt in den meisten Fällen nach der mechanischen
Bearbeitung eine vollständige oder lokale Vergütung oder
Einsatzhärtung des zu fertigenden Teiles. Dadurch wird die
Verschleißneigung herabgesetzt, sowie die Dauerfestigkeit
und die Tragfähigkeit des Teiles erhöht. Die Wärmebehand
lung der Bauteile ist dabei immer mit Maßänderungen und
Verzug verknüpft. Ursachen sind Eigenspannungen durch die
Umwandlung des Gefüges und unterschiedliche Ausdehnung ein
zelner Bereiche, die zu örtlichen plastischen Verformungen
führen. Weiterer Nachteil einer Wärmebehandlung ist die
Verzunderung der Oberfläche der behandelten Teile und der
dazu notwendige Zeit- und Energieaufwand, der zu einer Ver
teuerung des Fertigungsprozesses führt. Die wärmebehandel
ten Teile müssen anschließend maßhaltig geschliffen werden,
was einen zusätzlichen Fertigungsaufwand bedeutet.
Im Hauptpatent DE 197 24 661 wird zur Herstellung eines
Zahnrades ein mikrolegierter, hochfester Haustahl verwen
det, der beim Drückwalzen maximal umgeformt wird. Dabei
wird eine hohe innere Festigkeit der geformten Zähne nach
dem Umformprozeß erreicht. Die gewünschte Endhärte wird
durch eine anschließende wärmeverzugsfreie Härtung ange
strebt, welche aufgrund des fehlenden Wärmeverzuges eine
Nachbearbeitung des Werkstückes entbehrlich macht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren anzugeben, bei dem profilierte, insbesondere
verzahnte Getriebeteile bei einer hohen Dauer- und Ver
schleißfestigkeit einfach gefertigt werden können.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst.
Das gattungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines profi
lierten Getriebeteils, bei dem ein Werkstück aus einem
Stahlwerkstoff durch Drückwalzen umgeformt wird und dabei
eine Profilierung, insbesondere eine Verzahnung, in das
Werkstück eingeformt wird, ist dadurch erfindungsgemäß wei
tergebildet, daß das Werkstück bei einer Temperatur unter
halb der Rekristallisationstemperatur des Stahlwerkstoffes
drückgewalzt und dabei gezielt kaltverfestigt wird, daß
nach dem Umformen die Oberfläche des mit der Profilierung
versehenen Werkstückes wärmeverzugsfrei gehärtet wird und
daß die Temperatur des Werkstücks während der wärmever
zugsfreien Härtung der Oberfläche unterhalb der Rekristal
lisationstemperatur des Stahlwerkstoffes gehalten wird.
Durch eine entsprechende Wahl der beim Verfahren auftreten
den Temperaturen wird zuverlässig die Rekristallisation des
Stahls vermieden und so eine hochqualitative Härtung der
Oberfläche bereitgestellt. Bei einem Umformen bis an die
Streckgrenze des Stahlwerkstoffes, welcher ein üblicher Um
formstahl oder der spezielle Stahl gemäß der Hauptanmeldung
sein kann, wird eine hohe Kaltverfestigung erreicht. Beim
anschließenden Härten kommt es dabei nicht allein darauf
an, daß durch zu schnelle Temperaturveränderungen ein Ver
zug eintritt, sondern daß die Kaltverfestigung voll erhal
ten bleibt. Dies wird durch ein Härten unterhalb der Rekri
stallisationstemperatur erreicht. Diese ist abhängig vom
Werkstoff sowie vom Umformgrad und kann unter 300°C
liegen. Die beim Härten erreichte Härte addiert sich voll
zu der beim Umformen erreichten Härte und Festigkeit, so
daß für Getriebe einsetzbare hochfeste Teile herstellbar
sind.
Das Verfahren wird bevorzugt in der Weise durchgeführt,
daß die wärmeverzugsfreie Härtung der Oberfläche des Werk
stückes durch galvanisches Auftragen einer harten Schicht
erfolgt. Ein solches Auftragen einer galvanischen Schicht
ist ohne Überschreitung der Rekristallisationstemperatur
des Werkstoffes möglich. Dabei wird ein Verzug beim gal
vanischen Auftragen durch entsprechende Temperaturführung
ausgeschaltet. Die Verzahnung bleibt sowohl im Hinblick auf
die Festigkeit als auch geometrisch unverändert. Es kommt
lediglich eine zusätzliche Schicht durch das galvanische
Auftragsverfahren hinzu. Das galvanische Auftragen kann so
wohl bei einem legierten als auch bei einem unlegierten
Stahl erfolgen. Die erreichbaren Schichtdicken sind um ein
Vielfaches größer als etwa beim Härten durch Ionenimplanta
tion. Zum Härten können jedoch auch die Härt- und Beschich
tungsverfahren eingesetzt werden, die in der Hauptanmeldung
beschrieben sind, wobei jedoch auf die erfindungsgemäße
Temperaturführung zu achten ist.
Es kann auch vorteilhaft sein, daß die wärmeverzugsfreie
Härtung der Oberfläche des Werkstückes durch Einsatz eines
Lasers erfolgt. Der Einsatz eines getakteten oder gepulsten
Lasers ermöglicht eine gezielte, lokal begrenzte thermische
Härtung in einer sehr kurzen Zeit, so daß keine Erwärmung
des Restwerkstoffes bis in Bereiche der Rekristallisations
temperatur eintritt. Die Geometrie der Verzahnung bleibt
aufgrund der punktuellen Erwärmung unverändert. Ferner wird
die Qualität der bereits verfestigten Zahnflankenoberfläche
durch den Lasereinsatz nochmals verbessert, indem Rauhig
keitsspitzen beseitigt werden. Durch den Einsatz eines
Lasers kann eine Schichttiefe erzeugt werden, die um ein
Vielfaches größer ist als die beim Ionenimplantieren er
reichte Schichtdicke.
Bevorzugt erfolgt die wärmeverzugsfreie Härtung durch
Einsatz eines Lasers in einer Oberflächenschicht von etwa
0,2 mm. Eine Härtung mit der genannten Schichtdicke gelingt
in sehr kurzer Zeit. Dies bringt gleichzeitig mindestens
zwei Vorteile mit sich. Zum einen wird durch die Kürze der
Einsatzzeit des Lasers eine Erwärmung des Werkstückes in
Bereiche der Rekristallisationstemperatur zuverlässig ver
hindert. Zum anderen werden kurze Stückzeiten erreicht, so
daß höchst effizient gearbeitet werden kann. Zudem kann das
Getriebeteil in einer Einspannung auf einer Drückwalzma
schine endgeformt sowie mit einem Laser an der Maschine ge
härtet und somit komplett bearbeitet werden.
Weiter ist vorteilhaft, wenn das Härten der Oberfläche des
Werkstückes unter Einsatz eines Schutzgases durchgeführt
wird. Das Schutzgas wird auf eine Temperatur unterhalb der
Rekristallisationstemperatur, insbesondere auf Raumtempera
tur gehalten. Das inerte Schutzgas ist vorzugsweise Argon,
Helium oder ein Gemisch daraus.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird
die Verzahnung durch einen Laser entgratet. Dies ist insbe
sondere dann vorteilhaft, wenn auch die Härtung unter Ein
satz eines Lasers erfolgt. Damit kann der Laser in Doppel
funktion eingesetzt werden, was den apparativen Aufwand
vermindert.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht dar
in, daß das Schutzgas in Strömung versetzt wird und daß das
Werkstück zumindest in dem zu härtenden Bereich gezielt mit
dem Schutzgas angeströmt und auf eine Temperatur unterhalb
der Rekristallisationstemperatur gekühlt wird. Das Schutz
gas dient dabei als ein Kühlmittel, welche die erfindungs
gemäße Temperaturführung unterstützt.
Dabei ist es bevorzugt, daß der Laser einen Laserstrahl er
zeugt und daß parallel zu dem Laserstrahl ein Schutzgas
strom erzeugt wird, der den Laserstrahl umhüllt und von der
Umgebungsatmosphäre abschirmt. Der Schutzgasstrom schirmt
die Bearbeitungsstelle von der umgebenden Sauerstoffatmos
phäre ab, so daß eine unverwünschte Verzunderung der Werk
stoffoberfläche verhindert wird. Des weiteren werden durch
den Schutzgasstrom abgebrannte Werkstückteilchen von der
Bearbeitungsstelle entfernt.
Eine besonders hohe Härte der Werkstückoberfläche wird nach
der Erfindung dadurch erreicht, daß dem Schutzgas Diffu
sionselemente beigemengt werden. Diese Diffusionselemente
können beispielsweise Stickstoff, Bar, Kohlenstoff oder ein
Siliziumdampf (SiCl4) sein. Im Bereich der kurzzeiti
gen, punktuellen Erwärmung der Werkstückoberfläche mittels
des Lasers können diese Diffusionselemente in den Werkstoff
eindiffundieren und so zu einer weiteren Erhöhung der Härte
der Randschicht beitragen.
Um eine unerwünschte Erwärmung des Werkstoffes über die
Rekristallisationstemperatur beim Härten zu vermeiden, kann
das Härten in mehreren Schritten durchgeführt werden. Dabei
ist es erfindungsgemäß, daß in einem ersten Schritt das
Werkstück gehärtet und erwärmt wird, bis eine definierte
obere Temperatur erreicht wird, die unterhalb der Rekri
stallisationstemperatur liegt, daß das Härten unterbrochen
und das Werkstück abgekühlt wird, bis das Werkstück eine
definierte untere Temperatur erreicht hat, die unterhalb
der oberen Temperatur liegt, und daß der erste Schritt so
oft wiederholt wird, bis das Werkstück die vorgesehene
Härte erreicht hat. Grundsätzlich ist es dabei möglich, daß
für die einzelnen Schritte unterschiedliche Härtverfahren
eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde,
daß, ausgehend von praktisch beliebigen Stählen, Getriebe
teile wie Zahnräder oder Kupplungslamellenträger mit hoher
Oberflächenhärte erzeugt werden können. Dies wird dadurch
ermöglicht, daß bestimmte Temperaturbedingungen bei der
Durchführung des Verfahrens berücksichtigt werden. Ent
scheidend ist dabei, daß weder während des Drückwalzens
noch bei der nachfolgenden wärmeverzugsfreien Härtung die
Rekristallisationstemperatur des Werkstoffes überschritten
wird. Da insbesondere kein lang andauernder Wärmeprozeß zur
Härtung in der Fertigungskette erforderlich ist, reduziert
sich die Herstellungszeit eines Werkstücks von bisher meh
reren Stunden drastisch auf höchstens wenige Minuten.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung eines profilierten Getriebe
teils, bei dem
- 1. ein Werkstück aus einem Stahlwerkstoff durch Drück walzen umgeformt und
- 2. dabei eine Profilierung in das Werkstück eingeformt wird,
- 1. daß die Profilierung in das Werkstück bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstempera tur des Stahlwerkstoffes drückgewalzt und dabei das Werkstück gezielt kaltverfestigt wird,
- 2. daß nach dem Umformen die Oberfläche des mit der Profilierung versehenen Werkstückes wärmeverzugsfrei gehärtet wird und
- 3. daß die Temperatur des Werkstücks während der wärme verzugsfreien Härtung der Oberfläche unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Stahlwerkstoffes gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in das Werkstück beim Umformen eine Verzahnung
eingeformt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Härten der Oberfläche des Werkstückes durch
galvanisches Auftragen einer harten Schicht erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Härten der Oberfläche des Werkstückes durch
Einsatz eines Lasers erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum Härten der Oberfläche des Werkstückes ein ge
takteter Laser benutzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Härten mittels des Lasers auf eine Schicht
tiefe bis höchstens 0,2 mm unterhalb der Oberfläche
des Werkstückes begrenzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Härten der Oberfläche des Werkstückes unter
Einsatz eines Schutzgases durchgeführt wird, welches
auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisations
temperatur gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schutzgas auf Raumtemperatur gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schutzgas in Strömung versetzt wird und
daß das Werkstück zumindest in dem zu härtenden Be
reich gezielt mit dem Schutzgas angeströmt und auf
eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstem
peratur gekühlt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Härten in mehreren Schritten durchgeführt wird,
daß in einem ersten Schritt das Werkstück gehärtet und erwärmt wird, bis eine definierte obere Temperatur erreicht wird, die unterhalb der Rekristallisations temperatur liegt,
daß das Härten unterbrochen und das Werkstück abge kühlt wird, bis das Werkstück eine definierte untere Temperatur erreicht hat, die unterhalb der oberen Temperatur liegt, und
daß der erste Schritt so oft wiederholt wird, bis das Werkstück die vorgesehene Härte erreicht hat.
daß das Härten in mehreren Schritten durchgeführt wird,
daß in einem ersten Schritt das Werkstück gehärtet und erwärmt wird, bis eine definierte obere Temperatur erreicht wird, die unterhalb der Rekristallisations temperatur liegt,
daß das Härten unterbrochen und das Werkstück abge kühlt wird, bis das Werkstück eine definierte untere Temperatur erreicht hat, die unterhalb der oberen Temperatur liegt, und
daß der erste Schritt so oft wiederholt wird, bis das Werkstück die vorgesehene Härte erreicht hat.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstück durch einen Laser entgratet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Schutzgas Diffusionselemente beigemengt
werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laser einen Laserstrahl erzeugt und
daß parallel zu dem Laserstrahl ein Schutzgasstrom
erzeugt wird, der den Laserstrahl umhüllt und von der
Umgebungsatmosphäre abschirmt.
Priority Applications (1)
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DE (1) | DE19854168C2 (de) |
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1998
- 1998-11-24 DE DE1998154168 patent/DE19854168C2/de not_active Expired - Fee Related
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