DE3888986T2

DE3888986T2 - Verfahren zum Herstellen ringförmiger Zahnräder für Antriebswellen.

Info

Publication number: DE3888986T2
Application number: DE3888986T
Authority: DE
Inventors: Alvin Morton Sabroff; George Winfield Vollmer
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1987-02-12
Filing date: 1988-02-02
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2008-02-03
Also published as: US4761867A; MX165981B; CA1305316C; DE3888986D1; KR880010144A; ES2051275T3; JPS63251128A; BR8800694A; EP0278361A2; KR910003988B1; IN168206B; CN1011122B; CN88100761A; EP0278361A3; JP2662729B2; EP0278361B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Tellerrädern, insbesondere von Tellerräder mit Hypoidverzahnung Kegelrad-Geradverzahnung oder Kegelrad-Bogenverzahnung für Antriebsachsen von Schwerlastfahrzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Tellerrädern einschließlich dem Präzisionsschmieden von fast maßgenauen Tellerrad-Vorformlingen, die nach Aufkohlungswärmebehandlung an den Zahnprofilen fertig geschliffen werden, um ohne das Läppen des Tellerrad/Ritzel-Zahnradsatzes auskommen zu können.
Rechtwinklige Winkeltriebe für Schwerlastantriebsachsen, bei denen Ritzel/Tellerrad-Zahnradsätze verwendet werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie aus den US-Patenten Nr. 3 265 173, 4 018 097, 4 046 210, 4 050 534 und 4 263 834 sowie aus der zur Erteilung zugelassenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 761 262, die am 1. August 1995 von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung eingereicht worden ist, ebenso ersichtlich ist wie aus dem SAE Dokument Nr. 841 085, wobei die Offenbarung aller dieser Dokumente bezuggenommen ist. Derartige Zahnradsätze enthalten üblicherweise bogenverzahnte Kegelräder, hypoidverzahnte Kegelräder, Abwandlungen oder Ableitungen davon.
Schmiedeprozesse zur Herstellung von Zahnradschmiedestücken/Zahnradvorformlingen mit wenigstens teilweise ausgeformten Zähnen sind aus dem Stand der Technik insbesondere für relativ klein bemessene Kegelräder bekannt, wie beispielsweise für Differentialritzel und Seitenräder, wie aus den US-Patenten Nr. 3 832 763, 4 050 283 und 4 590 782 ersichtlich ist, auf deren Offenbarung hiermit bezuggenommen ist.
Der Ringwalzprozeß, bei dem aus Vorformlingen zum Ringwalzen im wesentlichen kreisförmige Ringe ringgewalzt werden, ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, wie dies die US-Patentschriften Nr. 1 971 027, 1 991 486, 3 382 693 und 4 084 419 sowie das "Metals Handbook", 8. Ausgabe, Band 5, American Society for Metals, Seiten 106 und 107, "Ring Rolling", zeigen, wobei auf die dortige Offenbarung bezuggenommen ist.
In der Vergangenheit sind Tellerräder für Schwerlastfahrzeuge wegen der relativ großen Masse durch ein Verfahren hergestellt worden, das folgende Schritte umfaßt, Schmieden eines Zahnradvorformlings mit einem Grat am äußeren Durchmesser sowie einem Innengrat oder Spiegel; Entgraten des geschmiedeten Zahnradvorformlings; Spannungsfreiglühen des entgrateten Zahnradvorformlings; ausgiebiges spanabhebendes Bearbeiten des Zahnradvorformlinges, um diesen vorzubearbeiten und dann die Zähne aus diesem herauszuarbeiten; weiteres spanendes Bearbeiten der Oberflächen und Befestigungsbohrungen; Aufkohlen; Läppen, bei dem das Tellerrad und ein Ritzel miteinander kämmend in Läppaste aufeinander abgewälzt werden und Beibehalten der Zuordnung des Tellerrades und des Ritzels als zusammengehöriger Satz, der nur zusammengehörend benutzt werden soll.
Während sowohl das Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Tellerrädern für Schwerlastfahrzeuge als auch die mit diesem Verfahren hergestellten Tellerräder und Tellerräder/Ritzelsätze jahrlang benutzt worden sind, ist das Verfahren doch insoweit nicht gänzlich zufriedenstellend, als die darin verwendeten Knüppel von einem wesentlich größeren Volumen sind als das fertigbearbeitete Tellerrad, was unerwünscht hohe Material- und Energiekosten verursacht, als das spangebende Einarbeiten der Zähne in die Zahnradvorformlinge ein teurer und zeitaufwendiger Prozeß ist und als die in einem spangebenden Bearbeitungsvorgang ausgebildeten Zähne nicht den gewünschten Faserverlauf aufweisen, der bei Zahnrädern gegeben ist, die durch einen Umformvorgang hergestellt worden sind, und somit nicht die Leistung von im Umformprozeß hergestellten Zahnradzähnen aufweisen. Weil außerdem die geläppten Tellerrad/Ritzel-Zahnradsätze lediglich als eingeschliffene Paare üblich sind, muß große Sorgfalt aufgewendet werden, um die Zahnradsätze in zusammengehörigen Paaren zu behalten, wobei ein Schaden entweder an dem Tellerrad oder an dem Ritzel den gesamten Zahnradsatz unbrauchbar macht.
Das Schmieden eines hohlen Teiles aus gewalzten Ringen, um Material zu sparen, ist im wesentlichen aus dem Stand der Technik bekannt. Jedoch ist dieses Verfahren im allgemeinen nur bei einer Produktion im großen Umfang wirtschaftlich, weil das Ringwalzen der Vorformlinge einen Formgebungsvorgang erfordert (auf einer Schmiedepresse oder -hammer), um den ringzuwalzenden ringförmigen Vorformling herzustellen. Die Materialersparnis oder andere damit verbundene Ersparnisse sind nicht ausreichend, um ein solches Verfahren wirtschaftlich interessant zu machen, insbesondere hinsichtlich der relativ größeren und kostenintensiveren Tellerräder unter Berücksichtigung der Menge und der Vielzahl von Größen und Übersetzungsverhältnissen, wie sie bei Schwerlastantriebsachsen vorkommen (d. h. Antriebsachsen, die bei Schwerlastfahrzeugen, Geländefahrzeugen und ähnlichen verwendet werden). Bei der Herstellung von Vorformlingen gemäß dem Stand der Technik, wie bei den meisten anderen Schmiedevorgängen, galt es als feststehendes Wissen, daß das Gesenk für den Zwischenformling zu nahezu hundert Prozent (100%) seines theoretischen Aufnahmevermögens gefüllt werden muß und somit, daß jeder abweichend bemessene Vorformling ein gesondertes Gesenk erfordert und daß bei relativ kleinen Losgrößen die Materialersparnis von den normalerweise erforderlichen zusätzlichen Aufwendungen für Werkzeuge und Pressen zum Vorformen mehr als überschritten wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind die Nachteile des Standes der Technik überwunden oder minimiert, indem ein Verfahren nach Anspruch 1 zur Produktion von Tellerrädern für Antriebsachsen von Schwerlastfahrzeuge vorgesehen wird, das im Hinblick auf die relativ großen Abmessungen das relativ geringe Volumen und die relativ große Vielzahl von Baugrößen und Übersetzungsverhältnissen wirtschaftlich durchführbar ist, wie bei solchen Schwerlastantriebsachsen auftreten. Das Verfahren gestattet im Hinblick auf die Verfahren nach dem Stand der Technik ansehnliche Material- und Energieeinsparungen und beseitigt das Erfordernis, das Tellerrad mit einem passenden Ritzel zur Herstellung eines Tellerrad/Ritzel-Zahnradsatzes zu läppen, um einen eingeschliffenen Satz aus Tellerrad und Ritzel herzustellen, wobei das Tellerrad nur noch als eingeschliffener Partner für das mit ihm geläppte Ritzel benutzt werden kann. Außerdem ist im Verhältnis zu der Herstellung von geschmiedeten Vorformlingen, die zu ringgewalzten Schmiedevorformlingen ringgewalzt werden müssen, die Notwendigkeit entfallen, ein jeweils individuelles Zwischenformschmiedegesenk für jeden unterschiedlichen Zwischenformling bereithalten zu müssen.
Das Obenstehende wird durch das Schmieden eines fast maßgerechten Tellerradschmiedestücks aus einem ringgewalzten Schmiedevorformling erreicht, der durch ein Ringwalzverfahren und mit sehr genau kontrolliertem Volumen hergestellt worden ist. Der gewalzte Ringvorformling wird auf einer Ringwalzmaschine aus einem geschmiedeten Ringwalzzwischenformling mit genau kontrolliertem Volumen und mit einer im wesentlichen Torusförmigen Form hergestellt, die in einem Zwischenformschmiedegesenk nach Anspruch 10 geschmiedet wurde, das zum Schmieden einer Familie von Zwischenformlingen geeignet ist, die eine gemeinsame Höhe, einen gemeinsamen Innendurchmesser und ein Volumen aufweisen, das in dem Bereich zwischen achtzig und hundert Prozent (80% bis 100%) des größten Zwischenformlinges der Familie liegt. Entsprechend kann ein gemeinsames oder universelles Zwischenformgesenk zum Schmieden einer großen Vielzahl von Ringwalzzwischenformlingen verwendet werden, wobei die mit den Zwischenformwerkzeugen und der Einrichtzeit für die Zwischenformpresse verbundenen Kosten minimiert sind.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung von Tellerrädern für Schwerlastantriebsachsen anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von geschmiedeten Ringwalzzwischenformlingen sowie ein verbessertes Schmiedegesenk dafür anzugeben, das es ermöglicht, daß eine Familie oder Gruppe von Zwischenformlingen unterschiedlicher Größe mit einem gemeinsamen Schmiedegesenk hergestellt wird.
Diese und andere Aufgaben und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine ausschnittsweise Querschnittsdarstellung einer typischen Schwerlastantriebsachse nach dem Stand der Technik, bei der Tellerrad/ Ritzel-Triebe verwendet sind.
Fig. 2A bzw. 2B zeigen bogenverzahnte bzw. hypoidverzahnte Tellerrad/Ritzel-Triebe nach dem Stand der Technik dar.
Fig. 3 bzw. 3A zeigen schematische Blockdiagramme des Metallumformungsprozesses bzw. der auf den Metallumformprozeß folgenden Prozeßabschnitte des Verfahrens nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Tellerrädern für Schwerlastfahrzeugantriebsachsen.
Fig. 4 bzw. 4A zeigen schematische Blockdiagramme des Metallumformungsprozesses bzw. der auf den Metallumformungsprozeß folgenden Prozeßabschnitte des erfindungsgemaßen Verfahrens zum Herstellen von Tellerrädern für Schwerlastfahrzeugantriebsachsen.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm des Produktionsabschnittes des Ringwalzen des Zwischenformlinges nach dem in den Fig. 4 und 4A dargestellten Verfahren.
Fig. 6 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von geschmiedeten Ringwalzzwischenformlingen verwendeten Schmiedegesenks.
Fig. 7 und 8 zeigen vergrößerte schematische Querschnittsdarstellungen des in Fig. 6 dargestellten Schmiedegesenks, wobei das Schmieden von Zwischenformlingen mit näherungsweise hundert Prozent (100%) bzw. fünfundachtzig Prozent (85%) des theoretischen Volumens der für den Zwischenformling vorgesehenen Gravur des Schmiedegesenks.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung des Ringwalzprozeßabschnittes des in den Fig. 4 und 4A dargestellten Verfahrens.
Fig. 10 zeigt eine Querschnittsdarstellung des fast maß gerechten Zahnradschmiedestücks, das mit dem in Fig. 4 dargestellten Verfahren hergestellt ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden bestimmte Begriffe lediglich zum Zwecke der bequemeren Bezugnahme und, ohne daß davon eine Einschrankung ausgeht, benutzt. Die Begriffe "nach oben", "nach unten", "nach rechts" und "nach links" beziehen sich auf Richtungen in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen ist. Die Begriffe "nach innen" bzw. "nach außen" beziehen sich auf Richtungen auf die geometrische Mitte des beschriebenen Teils zu bzw. von diesem weg. Diese Terminologie umfaßt die oben im einzelnen genannten Worte, Ableitungen davon sowie Worte von ähnlicher Bedeutung.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das Schmiedegesenk hierfür enthält einen Prozeßabschnitt zur Herstellung von Tellerrädern für Schwerlastfahrzeugantriebsachsen. Ein wesentliches Merkmal des Prozeßabschnittes zum Herstellen solcher Tellerräder ist das Präzisionsschmieden eines fast maßhaltigen Tellerradschmiedestücks aus Kohlenstoffstahl und Legierungsstahl mit niedrigem bis mittlerem Kohlenstoffgehalt (üblicherweise mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,05 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%), wie beispielsweise AISI 8620A, 8622A, 8625A, 8822A, 4817H und 9310A. Die Bezeichnung "AISI" bezieht sich auf das American Iron Steel Institute und die von diesem aufgestellten Steel Classification Standards. Jedoch ist das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ von Kohlenstoffstahl und Legierungsstahl mit niedrigem oder mittlerem Kohlenstoffgehalt beschränkt.
Die hier verwendeten Begriffe "Präzisionsschmieden" und Ableitungen davon bezeichnen einen Schmiedevorgang (d. h. eine Grobverformung eines Werkstückes unter Druck), der zur Herstellung von "maßgerechten Teilen", d. h. das Teil ist wie geschmiedet verwendbar (als Gegenstand einer Wärmebehandlung und anderen nicht spangebenden Bearbeitungsschritten), oder von "fast maßgerechtes Teilen" geeignet ist, d. h. von Schmiedestücken, die üblicherweise 0,7 mm oder weniger Materialabtrag von einer Funktionsfläche erfordern.
Die Verwendung von rechtwinkligen Tellerrad/Ritzel-- Zahnradsätzen in dem Antriebsstrang von Schwerlastantriebsachsen ist aus dem Stand der Technik bekannt. Fig. 1 zeigt eine einstufig untersetzende Antriebsachse 10, die solch einen Zahnradsatz 11 aufweist, der ein mit einem Tellerrad 14 kämmendes Ritzel 12 umfaßt. An dem Tellerrad ist mittels Schrauben 17 eine Ausgleichsanordnung 16 zum Antreiben der beiden Achswellen 18 und 20 befestigt. Die Drehachse 22 des Ritzels 12 ist im wesentlichen rechtwinklig zu der Drehachse 24 des Tellerrades 14 (und der Ausgleichsanordnung 16 sowie der Antriebswellen 18 und 20) angeordnet. Die Schwerlastantriebsachsen dieser Bauart, der Bauart mit zwei Gängen und der Bauart mit doppelter Planetenuntersetzung sind aus dem Stand der Technik bekannt und können detaillierter aus den oben genannten US- Patentschriften Nr. 4018097 und 4263824 sowie der am 1. August 1985 von dem Anmelder dieser Erfindung eingereichten und zur Erteilung zugelassenen US-Patentanmeldung mit der Serial Nr. 761 262 entnommen werden.
Die meisten Schwerlastantriebsachsen benutzen rechtwinklige Tellerrad/Ritzel-Zahnradantriebsstätze mit Bogen- oder Hypoidkegelverzahnung, wie sie in den Fig. 2A bzw. 2B dargestellt ist. Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung und das dafür vorgesehene Schmiedegesenk sind für die Herstellung von Bogen- und Hypoidzahnrädern und/oder Ableitungen und Anwandlungen davon geeignet. Wie aus Fig. 2A ersichtlich ist, stehen in Bogenkegelzahnradsätzen die Drehachsen 22 und 24 rechtwinklig zueinander und schneiden sich, während bei einem Hypoidzahnradsatz nach Fig. 2B die Achsen 22 und 24 um einen Abstand 26 gegeneinander versetzt sind. Der Hypoidversatz liegt üblicherweise bei 2,5 bis 5 cm bei einem Zahnradsatz mit einem Tellerrad, das einen Teilkreisdurchmesser von 30,5 cm bis 46 cm aufweist. Die Tellerräder 14 sind jeweils mit einer Befestigungsbohrung 28 zur Aufnahme der Ausgleichseinrichtung 16 und der Antriebswellen 18 und 20 sowie mit einer Vielzahl von auf einem Schraubenkreis liegenden Bohrungen 30 zur Aufnahme der Schrauben- und Mutteranordnungen 17 zur Befestigung des Tellerrades an der Ausgleichseinrichtung 16 versehen.
Bekanntermaßen ergeben bogenverzahnte Kegelräder theoretisch eine vollständig abwälzende und keine gleitende Zahnradberührung auf dem Teilkreis, wohingegen Hypoidzahnradsätze kleiner sein können, jedoch einen größeren Anteil an gleitender Zahnradberührung auf dem Teilkreis haben. Infolge von in den vergangenen Jahren erfolgten Verbesserungen bei der Zahnradgestaltung und der -schmierung ist die gleitende Berührung nicht mehr das Hauptproblem, das es dereinst war, und Hypoidzahnradsätze für Schwerlastantriebsachsen werden besser akzeptiert. Die vorliegende Erfindung ist lediglich zum Zwecke der Erklärung in Verbindung mit einem bogenverzahnten Kegelradsatz erläutert und es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung gleich gut für Bogen- und Hypoidkegelzahnradsätze sowie für Abwandlungen davon geeignet ist. Die Eigenschaften und Vorteile von bogen- oder hypoidverzahnten Tellerrad/Ritzelzahnrad-Zahnradsätzen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie dies aus dem oben genannten SAE-Papier Nr. 841085 ersichtlich ist.
Die wesentlichsten Schritte des Prozesses nach dem Stand der Technik zur Herstellung von Tellerrädern 14 für Schwerlastfahrzeugantriebsachsen sind schematisch in Blockdiagrammform in den Fig. 3 und 3A dargestellt. Kurz gesagt, besteht der in Fig. 3 dargestellte Prozeßabschnitt nach dem Stand der Technik darin, daß dieser Schritt mit dem zu Beginn aufgeheizten Knüppel ausgeführt wird und hauptsächlich einen Umformungs- sowie einen Entgratungsvorgang aufweist, während der in Fig. 3A schematisch dargestellte Prozeßabschnitt die Bearbeitungsschritte zeigt, die nach der Metallumformung an dem entgrateten Zahnradvorformling 34 ausgeführt werden. Es sei angemerkt, daß sowohl das mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik, das in den Fig. 3 und 3A dargestellt ist, als auch das mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, das in den Fig. 4 und 4A dargestellt ist, letztlich erhaltene Tellerrad 14 miteinander vergleichbar sind und ein Gewicht von ungefähr 22,7 kg aufweisen.
Der Prozeßabschnitt der Metallumformung bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik umfaßt die folgenden, aufeinanderfolgenden Schritte, die detaillierter weiter unten beschrieben sind: Vorbereiten eines Knüppels und Aufheizen 36, Stauchen 38, Formen 40 zu einer Zwischenform, Schmieden 42 des Zahnradrohlings und Entgraten 44 des Zahnradrohlings.
Zum Zwecke der Beschreibung und des Vergleichs ist das herzustellende Tellerrad sowohl bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik als auch bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ein eingängiges Tellerrad mit einem äußeren Durchmesser von 42 cm (16 1/2 Zoll) und einem Nettogewicht von ungefähr 22,7 kg und im wesentlichen identischen Spezifikationen. Der Knüppel oder Stangenabschnitt 32 ist mit einer vorbestimmten Größe und Form von einer Vorratsstange aus geeignetem Zahnradmaterial abschnitten, nämlich einem Kohlenstoffstahl oder einem Legierungsstahl jeweils mit niedrigem oder mittlerem Kohlenstoffgehalt.
Der Knüppel 32 wird dann auf eine vorgewählte geeignete Schmiedetemperatur (normalerweise um 1232ºC bis 1288ºC) aufgeheizt, was das Verzundern (Oxidation) und die Dicke des Zunders des beheizten Knüppels minimiert, wobei der Knüppel vorzugsweise so schnell wie praktikabel aufgeheizt wird.
Bei den Stauch- und Formschritten 28 bzw. 40 wird das aufgeheizte Werkstück zuerst gestaucht, um einen im wesentlichen pfannkuchenformigen Rohling 46 zu bilden und Zunder zu entfernen, und dann geformt, um einen Schmiedezwischenformling 48 zu bilden. Die Schritte 38 und 40 erfordern gesonderte Aufschläge einer Presse und können wegen des relativ großen Volumens des Werkstückes nicht gleichzeitig durchgeführt werden. In dem Schmiedeschritt 42 zur Bildung des Zahnradvorformlings wird der Schmiedezwischenformling 48 zu einem nicht entgrateten Zahnradvorformling 50 geschmiedet. Es sei angemerkt, daß der nicht entgratete Zahnradvorformling 50 einen relativ großen Mittelgratabschnitt (Spiegel) 52 und einen relativ großen äußeren Gratabschnitt 54 aufweist, der an den Trennlinien des Schmiedegesenks ausgebildet wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. In dem Entgratungsschritt 44 werden der Mittelgratabschnitt 52 und der äußere Gratabschnitt 54 von dem Zahnradvorformling entfernt, um einen entgrateten Zahnradvorformling 56 zu erhalten. Der Zahnradvorformling 56 weist keinerlei auch nur teilweise ausgeformte Zähne auf.
Während es nach dem Stand der Technik bekannt war, daß es wünschenswert ist, geschmiedete Zahnradvorformlinge, ähnlich den mit 56 bezeichneten, mit wenigstens teilweise daran ausgeformten Zähnen zu formen, ist dieses mit der herkömmlichen, in Fig. 3 dargestellten Schmiedemethode wegen der relativ umfangreichen Größe des Tellerrades für Schwerlastantriebsachsen nicht wirtschaftlich durchführbar gewesen. Die Gründe dafür liegen in der Anzahl der involvierten Schritte, nämlich das Stauchen, das Formen zu einer Zwischenform, das Fertigschmieden, das Entgraten und das anschließende Schmieden der Zähne würde eine so große Anzahl von Schritten umfassen, daß das Werkstück zu viel von seiner Wärme verlieren würde (d. h. es würde zu kalt werden), um die Zähne richtig schmieden zu können. Dieses gilt insbesondere im Hinblick auf die relativ größeren Oberflächenbereiche des Werkstückes, die mit der Werkzeugeinrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, in Berührung stehen. Zusätzlich würde, wenn die Zähne nach den Stauch- und Formschritten ausgeformt werden, der in diesen Schritten erzeugte Zunder eine inakzeptable Oberflächenqualität hervorrufen. Zusätzlich würden bei dem Versuch, Zähne in das Werkstück 56 in seinem relativ kalten Zustand zu schmieden, die relativ großen Ausmaße der erforderlichen Presse sowie die relativ großen Drücke zum Schmieden der Zähne bei verhältnismäßig niedriger Temperatur die Werkzeuganordnung schnell zerstören, was den Prozeß zusätzlich wirtschaftlich undurchführbar machen würde.
Der Rest bzw. die Schritte nach der Metallumformvorgang des Verfahrens nach dem Stand der Technik sind schematisch in Fig. 3A dargestellt und umfassen die folgenden sequentiellen Schritte, die in detaillierterer Form weiter unten beschrieben sind: spannungsfrei Glühen 58, Abdrehen 60 der Oberflächen, Bohren 62 der auf dem Schraubenkreis liegenden Bohrungen, Grobzurichten 64 der Zähne, spangebendes Feinbearbeiten 66 der Zähne, Aufkohlen 68 des Werkstückes, spangebendes Finishing 70, Läppen 72 mit einem passenden Ritzel und Markieren 74 des aneinander angepaßten Tellerrad/Ritzel-Zahnradsatzes sowie Bewahren der Zahnradsatzzuordnung.
Der entgratete Zahnradrohling oder das Werkstück 56 wird dann einer Behandlung zum Spannungsfreiglühen unterworfen, um seine metallurgische Struktur zur Vorbereitung auf die spangebenden Bearbeitung zu optimieren. Das Spannungsfreiglühen von geschmiedeten Zahnradstählen der typischerweise verwendeten Art weist einen Aufheizschritt, einen Warmhalteschritt und/oder einen kontrollierten Abkühlschritt auf. Nach dem Spannungsfreiglühen werden alle Flächen des spannungsfreigeglühten Zahnradvorformlings einer Drehbearbeitung unterworfen, um geeignete Flächen zur späteren Positionierung und Bearbeitung zu erhalten. In Schritt 62 werden die Bohrungen 30 auf dem Schraubenkreis in den Befestigungsflansch 70 gebohrt.
Es sei angemerkt, daß zur Beschreibung des Verfahrens nach dem Stand der Technik und zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zwecks Vereinfachung der Beschreibung Abschnitte von unfertigen Werkstücken durchwegs mit denselben Namen und Bezugszeichen wie Abschnitte des fertig bearbeiteten Tellerrades 14 bezeichnet sind. Beispielsweise ist die Mittenöffnung des entgrateten Zahnradvorformlings 56 als Befestigungsbohrung 28 bezeichnet, obwohl weitere Bearbeitungsschritte erforderlich sind, bis die Mittenbohrung die exakten Maße der Befestigungsbohrung des fertig bearbeiteten Tellerrades 14 aufweist.
In den Bearbeitungsschritten 64 bzw. 66 werden die Zähne in einer Grobbearbeitung in das Werkstück spangebend eingearbeitet und dann entsprechend fertig bearbeitet. Die spangebende Bearbeitung zum Erzeugen der bogenförmigen, Hypoid- und/oder abgewandelten Verzahnung ist ein bekannter Vorgang und kann auf Zahnradfräsmaschinen ausgeführt werden, die von der Firma Gleason Works unter der Handelsbezeichnung "Gleason Generator" oder der Firma Örlikon unter der Handelsbezeichnung "Spiromatic" vertrieben werden. Nach den Bearbeitungsschritten zur Verzahnung werden die Werkstücke in Schritt 68 einer Wärmebehandlung zum Aufkohlen unterworfen. Wie bekannt ist, umfaßt die Wärmebehandlung zum Aufkohlen ein Aufheizen des Werkstückes (üblicherweise auf 871ºC bis 927ºC) in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre, um eine Diffusion von Kohlenstoff in die Oberfläche zu erreichen, um die Oberflächen zu härten und eine harte, kohlenstoffreiche Oberfläche für ein verbessertes Verschleißverhalten des fertigen Produkte zu erhalten. Nach der Wärmebehandlung zum Aufkohlen wird das gehärtete Werkstück einer Fertigbearbeitung des Schraubenkreises und der Befestigungsbohrungen 28 und 30 unterworfen.
Da die erzeugten oder spangebend hergestellten Zahnradflächen nach der spangebenden Bearbeitung der Zahnflächen einer Wärmebehandlung unterzogen werden, ergeben sich auch bei einem sorgfältig kontrollierten Wärmebehandlungsprozeß eine gewisse Gestaltsänderung. Entsprechend ist es, um eine akzeptable Leistungsfähigkeit des Tellerrad/Ritzelzahnrad-Zahnradsatzes, d. h. um die erforderliche Oberflächenqualität zu erhalten, erforderlich, daß ein aufgekohltes Tellerrad und ein Ritzel einem Läppvorgang in Schritt 72 unterworfen wird. Bei dem Läppvorgang stehen ein ausgewählter Satz aus einem Tellerrad und einem Ritzel kämmend in Eingriff und drehen sich unter einer simulierten Last, während Läppmittel zwischen die kämmenden Zähne gesprüht wird. Typischerweise wird die Drehachse 22 des Ritzelzahnrades in Bezug auf die Drehachse 24 des Tellerrades geschwenkt, so daß eine gute Oberflächenbehandlung der gesamten Zahnflächen sowohl des Tellerrads als auch des Ritzels erreicht wird. Das Läppmittel ist ein relativ feines, in einem Schmiermittel aufgeschlammtes Schleifmittel. Wenn das geläppte Tellerrad und das Ritzel einmal geläppt sind, bilden sie einen zusammengehörigen Satz und sind ausschließlich als zusammengehöriger Satz befriedigend verwendbar und können ausschließlich als Paar richtig verwendet oder ersetzt werden. Entsprechend ist es erforderlich, daß der zusammengehörige Satz als solcher markiert wird und daß große Sorgfalt aufgewendet wird, diese Zuordnung aufrechtzuerhalten. Üblicherweise erfordert dies spezielle Paletten und Behälter bei der Zahnradherstellung, dem Achszusammenbau und ebenfalls am Serviceort. Die Notwendigkeit, die Tellerrad/Ritzel-Zahnradsätze ausschließlich als zugeordnetes Paar bereitzuhalten und zu verwenden, verursacht selbstverständlich zusätzliche Kosten. Dies gilt insbesondere für solche Typen von Zahnradsatzgestaltungen, bei denen ein gemeinsames Tellerrad mit Ritzelzahnrädern verwendet werden kann, die unterschiedliche Zähnezahlen haben, wie in der erteilungsreifen US-Patentanmeldung Nr. 761 262 offenbart ist, die am 1. August 1985 von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung eingereicht worden ist.
Die Fig. 4 bzw. 4A zeigen die wichtigsten Schritte des Metallumformprozeßabschnittes bzw. der sich daran anschließenden Prozeßabschnitte gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Tellerrädern für Schwerlastfahrzeugantriebsachsen. Der Prozeß umfaßt die folgenden sequentiellen Schritte, die detaillierter weiter unten beschrieben ist: Vorbereitung und Erwärmung 80 des Rohlings, Schmieden 82 eines Ringwalzzwischenformlings, Ringwalzen 84 eines gewalzten Ringschmiedevorformlings, Präzisionsschmieden 86 eines fast maßgerechten Zahnradschmiedestücks, Spannungsfreiglühen, das bei vielen der erwartungsgemäß in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Legierungsstählen nicht erforderlich ist, einen Halbfertigbearbeitungsschritt 90, eine Aufkohlungswärmebehandlung 92, ein Fertigbearbeiten 94 der Mittenbohrung und Befestigungsbohrungen sowie ein Fertigschleifen 96 der endgültigen Zahnprofile. Wie in detaillierterer Form weiter unten dargestellt ist, ist es wichtig anzumerken, daß das Fertigschleifen 96 der endgültigen Zahnprofile nach der letzten Wärmebehandlung 92 des Zahnrades (und des Ritzels) erfolgt und somit die Zahnprofile keiner Störung bei einer folgenden Wärmebehandlung ausgesetzt sind. Wenn die Ritzel 12 in einem ähnlichen Prozeß hergestellt werden, entfällt die Notwendigkeit eines späteren Läppvorganges sowie die Einschränkung, die Tellerräder lediglich in Verbindung mit einem angepaßten Ritzel verwenden zu können.
Ein Knüppel oder Stangenabschnitt 100 wird auf eine sorgfältig kontrollierte vorbestimmte Größe und Form von einer Vorratsstange aus einem aufkohlbaren Legierungsstahl oder Kohlenstoffstahl mit niedrigem oder mittlerem Kohlenstoffgehalt geschnitten, die blank gemacht worden ist. Im Gegensatz zu der Vorgehensweise bei dem Stand der Technik, die ein Säubern durch Schleifen der Rohlinge, üblicherweise ein Centerless-Schleifen, erfordert, die für fast maßgerechte Schmiedevorgänge verwendet werden, benötigt die vorliegende Verfahrensweise keinen Reinigungsschritt, weil der Ringwalzschritt 84 ein ausreichendes Endzundern bewirkt, wie in detaillierterer Form weiter unten dargestellt ist. Der Knüppel oder Stangenabschnitt 100 wird dann auf eine für die Umformvorgänge geeignete Temperatur aufgeheizt, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Es hat sich herausgestellt, daß infolge der weitgehend minimierten Wärmeverluste, die im Gegensatz zu dem in Fig. 3 dargestellten Prozeß bei der vorliegenden Verfahrensweise festgestellt worden sind, ein Aufheizen des Rohlings auf eine geeignete Temperatur in dem Bereich von 1093ºC bis 1260ºC ausreichend ist. Es hat sich darüber hinaus herausgestellt, daß für das fast maßgerechte Schmieden von vielen der oben aufgelisteten Legierungen, wie beispielsweise AISA 8620A und 9310A die Normalglühwärmebehandlung des Schrittes 88 nicht erforderlich ist. Die Erfahrung hat gezeigt, daß das in Fig. 4 dargestellte Verfahren für gewisse der oben aufgelisteten Legierungen eine gute Bearbeitbarkeit von präzisen, fast maßgerechten Schmiedeformlingen erbringt, wenn diese eine polygonal Ferrit- und Perlitmikrostruktur mit gleichachsigem Korn mit keinem oder lediglich mit einem Minimum von unerwünschten Widmanstatten-Strukturen aufweist. Die Korngröße ist im allgemeinen klein (d. h. geringer als 7 bis 8 auf der ASTM-Skala). Außerdem braucht im Hinblick auf die dem Ringwalzprozeß inhärente Entzunderungseigenschaft das Aufheizen der Rohlinge für das Präzisions schmieden von fast maßerechten Schmiedestücken nicht in einer kontrollierten Atmosphäre stattzufinden.
Der aufgeheizte Stangenabschnitt 100 wird dann in Schritt 82 zu einen gratfreien Ringwalzzwischenformling 102 geschmiedet, der im wesentlichen eine Torusform aufweist. Die Einzelheiten bei dem Schmieden des Ringwalzzwischenformlings, die durch den Schritt 82 symbolisch angedeutet sind, sind detaillierter in den Fig. 5, 6, 7 und 8 dargestellt und werden im einzelnen weiter unten diskutiert.
In Schritt 84 ist der Ringwalzzwischenformling 102 zu einem ringförmigen Schmiedevorformling 104 mit im wesentlichen rechteckigem Wandquerschnitt ringgewalzt. Der ringgewalzte ringförmige Schmiedevorformling 104 wird dann in Schritt 86 zu einem fast maßgerechten Tellerradschmiedestück 106 geschmiedet.
Eine vergrößerte Darstellung der Einzelheiten des fast maßgerechten Tellerradschmiedestücks 106 ist aus Fig. 10 ersichtlich. Wie weiter unten dargestellt ist, ist es erforderlich, daß die Höhe 108, die Wanddicke 110, der Innendurchmesser 112 sowie der Außendurchmesser 114 des ringgewalzten ringförmigen Schmiedevorformlings 104 in einer spezifischen Beziehung zu dem fast maßgerechten Tellerradschmiedestück 106 in Bezug stehen. Die Abmessungen des ringgewalzten Schmiedevorformlings 104 bestimmen wenigstens teilweise die Abmessung des Ringwalzzwischenformlings 102.
Der bei Schritt 84 schematisch dargestellte Ringwalzprozeß ist aus dem Stand der Technik bekannt und kann der Fig. 9 entnommen werden. Kurz gesagt, wird der Ringwalzzwischenformling 102 über einem drehbaren Walzdorn 116 gesteckt, der einen Außendurchmesser aufweist, der etwas geringer ist als der Innendurchmesser 118 des Zwischenformlings. Eine Hauptwalze 118 mit verhältnismäßig größerem Durchmesser liegt an der Außenfläche des Werkstückes an und ist in Drehrichtung angetrieben, um durch Reibung das Werkstück zwischen dem Walzdorn und der Hauptwalze zu drehen. Entweder die Hauptwalze oder der Walzdorn wird dann gezwungen, sich radial auf die jeweils andere Walze zu zu bewegen, um das Werkstück zwischen sich zusammen zu drücken. Ringwalzen ist aus dem Stand der Technik relativ gut bekannt und kann den oben genannten US-Patenten Nr. 4 084 419, 3 382 693, 3 230 370, 1 991 486 und 1 971 027 sowie dem Metals Handbook, 8. Ausgabe, Band 5, American Society for Metals, Seiten 106 und 107 "Ring Rolling" entnommen werden.
Zwei dem Ringwalzprozeß innewohnende Eigenschaften sind wichtig zu betrachten. Weil der Ringwalzprozeß die Höhe 120 des Zwischenformlings nicht wesentlich vergrößert, ist somit die Höhe 120 des Zwischenformlinges gleich der Höhe 108 des ringgewalzten ringförmigen Schmiedevorformlings 104. Der Ringwalzprozeß entzundert das Werkstück von sich aus, ohne daß ein separater Entzunderungsstauchvorgang erforderlich ist, und darüber hinaus weisen der Zwischenformling 102 und der ringgewalzte Ring 104 eine relativ kleine mit der Werkzeugeinrichtung in Berührung stehende Fläche auf, womit während des Ringwalzprozesses ein minimaler Wärmeverlust entsteht. Die erzeugte Umformwärme vermag in der Tat die Temperatur des Werkstückes zu erhöhen, was ein nachfolgendes Schmieden eines fast maßgerechten Tellerradschmiedestücks bei dem gewünschten Schmieden ermöglicht.
In Fig. 4A sind nach der Metallumformung liegender Prozeßabschnitte der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie oben ausgeführt, können gewisse Legierungen eine Wärmebehandlung zum Spannugsfreiglühen erforderlich machen, die ähnlich den für den Schritt 58 des Prozesses nach dem Stand der Technik ist. Viele der bei der vorliegenden Erfindung benutzten Legierungsstähle erfordern keine solche Wärmebehandlung zum Spannnungsfreiglühen des fast maßgerechten Tellerradschmiedestücks 106.
In Fig. 10 ist das fast maßgerechte Tellerradschmiedestück 106 dargestellt, das in dem Präzisionsschmiedeschritt 86 der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Gemäß der Darstellung von Fig. 10 muß der Bereich des fast maßgerechten Schmiedestücks, der außerhalb der gestrichelten Linien liegt, abgetragen werden, um das fertige Tellerrad 14 herzustellen.
Das fast maßgerechte Schmiedestück 106 wird halbfertig bearbeitet, indem die Bohrungen 30 für den Schraubenkreis in den Befestigungsflansch 76 sowie die Befestigungsbohrung 28 gebohrt und die Rückseite 122 bearbeitet werden. Das Bohren der Bohrungen auf dem Schraubenkreis ist identisch mit dem Schritt 62 des Verfahrens nach dem Stand der Technik, während das Halbfertigbearbeiten der Befestigungsbohrung 28 und der Rückseite 122 erforderlich ist, um Bezugsflächen für weitere Bearbeitungsschritte zu schaffen. Während des Halbfertigbearbeitungsschrittes 90 kann außerdem eine Bearbeitung des Kopfflankenwinkels und/oder der Zehenbohrung erforderlich sein, was von der Qualität des fast maßgerechten Schmiedestücks 106 abhängt. Das halb fertig bearbeitete Werkstück wird dann einer Aufkohlungswärmebehandlung 92 unterworfen, die im wesentlichen mit dem Schritt 38 identisch ist, der in Verbindung mit dem Prozeß nach dem Stand der Technik beschrieben worden ist.
Nach der Aufkohlungswärmebehandlung des Schrittes 92 werden die Schraubenkreisbohrungen 30 und die Befestigungsbohrung 28 in Schritt 94 fertig bearbeitet.
Das Verfahren wird durch das Fertigschleifen der Wurzel und der Flanken der Zahnprofile in Schritt 96 vervollständigt. Weil das Schleifen der endgültigen Zahnprofile nach der Aufkohlungswärmebehandlung erfolgt, ist ein bevorzugtes Schleifverfahren das Schleifen mit kubischem Bornitrid ("CBN"), das eine geeignete ökonomische Form des Schleifens von kohlenstoffhaltigen metallischen Flächen darstellt. Es ist eine sehr wünschenswerte Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, daß die endgültigen Zahnprofile nach der letzten Wärmebehandlung erzeugt werden und somit das Zahngrundprofil keinerlei fehlerträchtigen Wärmebehandlungen ausgesetzt wird. Angenommen, ein Ritzel wird entsprechend in einem ähnlichen Prozeß hergestellt, ist der Tellerrad- und Ritzelläpprozeß sowie die Beibehaltung einer Paarung eines geläppten Tellerrades und eines Ritzels als Satz nicht erforderlich.
Wie oben dargestellt, erbringt das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, wie es schematisch in den Fig. 4 und 4A dargestellt ist, wesentliche Material- und damit Energie- sowie Handhabungsersparnisse im Vergleich zu dem Verfahren nach dem Stand der Technik, wie es in den Fig. 3 und 3A dargestellt ist. Beispielsweise und um die beiden Prozesse zur Herstellung eines im wesentlichen identischen Teils (Eaton Corporation, Axle and Brake Division, Part No. 86374) zu vergleichen, hat das Endprodukt, das Tellerrad 14, ein Gewicht von ungefähr 22,7 kg (49,75 pound). Der bei dem Prozeß nach dem Stand der Technik benutzte Knüppel 32 weist ein Gewicht von ungefähr 47 kg (103 pound) im Vergleich zu ungefähr 32 kg (70 pound) Knüppelgewicht des Knuppels 100 auf, der in dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Dies stellt selbstverständlich eine Materialersparnis von über dreißig Prozent (30%) dar. Außerdem beträgt das Gewicht des nicht entgrateten Zahnradvorformlings 52 47,7 kg bis 46,6 kg (100 bis 102 pound, d. h. Knüppelgewicht minus Gewicht des entfernten Zunders) verglichen zu ungefähr 29 kg Gewicht des fast maßgerechten Tellerradschmiedestücks 106. Entsprechend ist erkennbar, daß eine wesentlich geringere Pressenkapazität bei der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, was die nutzbare Lebensdauer der Schmiedewerkzeugeinrichtung erheblich erhöht. Außerdem kann bei Verwendung eines ringförmigen Schmiedevorformlings 104 ein gratloses oder im wesentlichen gratloses Schmiedegesenk zum fast maßgerechten Schmieden verwendet werden. Bei einem weiteren Vergleich hat der nach dem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellte entgratete Zahnradvorformling 56 ein Gewicht von ungefähr 35,6 kg, verglichen mit ungefähr 29 kg Gewicht des fast maßgerechten Schmiedestücks 106 der vorliegenden Erfindung, was ein Anzeichen für die Menge des in den spangebenden Grobbearbeitungs- und Feinbearbeitungsschritten zu entfernenden Materials bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik ist. Ahnliche Materialersparnisse und damit verbundene prozentuale Einsparungen sind sowohl an größeren als auch an kleineren Tellerrädern für Schwerlastantriebsachsen demonstriert worden, die mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind.
Zusätzlich zu den Materialersparnissen liegt die Menge an erforderlicher Prozeßenergie, die die Summe ist aus: für die Knüppelbereitstellung erforderliche Energie, Energie zur Knüppelaufheizung, Schmiedeenergie zur Wärmebehandlung zur Erzielung einer guten Bearbeitbarkeit nach dem Schmieden, für die Aufkohlwärmebehandlung erforderliche Energie, die Energie für Bearbeitungsschritte nach dem Aufkohlen (Läppen) sowie die Energie für das spangebende Bearbeiten bei einem minimalen oder nahezu minimalen Niveau.
Es sei angemerkt, daß viele der mit den Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellten Zahnradsätze ein Kugelstrahlen oder eine andere spannungsabbauende Behandlung nach der Aufkohlungswärmebehandlung 68 erfordern, um unerwünschte Zugspannungen in den aufgekohlten Werkstücken abzubauen. Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Kugelstrahlen oder anderweitiger Zugspannungsabbau nicht erforderlich, weil Schleifen, insbesondere CBN-Schleifen dazu neigt, Zugspannungen abzubauen und gewünschte Druckspannungen in der Werkstückoberfläche aufzubauen.
Wie in den Fig. 4 und 10 dargestellt, müssen bestimmte Größenverhältnisse des gewalzten ringförmigen Schmiedevorformlings 104 in Bezug auf die Abmessungen des präzisionsgeschmiedeten, fast maßgerechten Tellerradschmiedestücks 106 aufrechterhalten werden, um den Prozeß der vorliegenden Erfindung optimal nutzen zu können. Es hat sich herausgestellt, daß die Höhe 108 des gewalzten ringförmigen Schmiedevorformlings 104 zum Erzielen einer befriedigenden Füllung des Präzisionsschmiedegesenks und zur Herstellung eines befriedigenden, fast maßgerechten Tellerradschmiedestücks 106 in einem Bereich von ein (1) bis vier (4), vorzugsweise einundeinhalb (1 1/2) bis zweiundeinhalb (2,5) mal größer als die Wanddicke 110 des Schmiedevorformlings 104 sein muß. Außerdem muß der Innendurchmesser 112 des Schmiedevorformlings 104, um diesen richtig in dem Präzisionsschmiedegesenk plazieren zu können, gleich oder im wesentlichen gleich der Zehenbohrung 124 sein (auch bezeichnet als der Gravurdurchmesser des Gesenks) und der Außendurchmesser 114 des gewalzten ringförmigen Schmiedevorformlings 104 muß kleiner sein als der Außendurchmesser 126 des fast maßgerechten Tellerradschmiedestücks 106.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist der Faserverlauf in Zähnen, die durch einen Umformvorgang erzeugt worden sind, wie beispielsweise durch Schmieden, - wünschenswerter als der Faserverlauf in Zähnen, die durch spangebende Metallbearbeitungsvorgänge erzeugt worden sind und somit haben diese bessere Kennwerte hinsichtlich ihrer Biegeermüdung und ähnlichem. Es wird angenommen, daß der erwünschte Kornverlauf in den Zähnen, die mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, größtenteils infolge der Ausbildung der Zähne durch den Umformvorgang hervorgerufen sind; jedoch ist ebenso anzunehmen, daß diese Tendenz durch die Verwendung eines ringgewalzten Zahnradschmiedevorformlings verstärkt wird. Der durch Formschmieden in den Zähnen ausgebildete Faser/Kornverlauf verbessert sowohl die Stoß- als auch Ermüdungseigenschaften gegenüber Zahnrädern, die durch spangebende Bearbeitung der Zähne aus einem kompakten Vorformling, wie beispielsweise Vorformling 56, hergestellt sind.
Der Präzisionsschmiedevorgang, bei dem die fast maßgerechten Tellerradschmiedestücke 106 hergestellt werden, schließt ein Schmiedegesenk ohne oder ohne nennenswerten Gradspalt ein, womit das Volumen des ringgewalzten Schmiedevorformlings 104 sorgfältig kontrolliert werden muß. Die Ringwalzausrüstung kann über einen weiten Bereich von Zwischenformlingen benutzt werden, die zu Schmiedevorformlingen zu walzen sind, weil die Höhe 120 des Zwischenformlings die Höhe 108 des Vorformlings 104 bestimmt und somit durch Kontrollieren des Abstandes zwischen dem Walzdorn 116 und der Hauptwalze 118 die Wandstärke 110 und der Durchmesser 114, wie gewünscht, variiert werden können. Es ist jedoch höchst wünschenswert, daß der für jedes fast maßgerechte Zahnradschmiedestück 106 erforderliche Zwischenformling nicht eine ganz spezielle Form haben muß und nicht eine spezielle Form zum Schmieden desselben erfordert.
Die Anmelderin hat herausgefunden, daß ein sehr befriedigender Präzisionsschmiedeprozeß erreicht werden kann, solange die Höhe 108 des gewalzten Rings 104 und somit die Höhe 120 des geschmiedeten Zwischenformlings 102 in dem Bereich zwischen dem Ein- (1) bis Vierfachen (4), vorzugsweise dem Einundeinhalb- (1 1/2) bis Zweiundeinhalb- (2 1/2) der Wandstärke 110 des gewalzten Ringes liegt. Basierend auf dieser Möglichkeit und der Feststellung seitens der Anmelderin, daß eine einzige Gravur des Schmiedegesenks für den Zwischenformling brauchbare, im wesentlichen torusförmige Zwischenformlinge unter der Voraussetzung liefert, daß das Volumen des Zwischenformlings in dem Bereich von hundert Prozent (100%) bis achtzig Prozent (80%) des theoretischen Maximums des Torusvolumens des Gesenks liegt, ist die Anmelderin in der Lage, eine Familie von Zwischenformlingen mit unterschiedlichem Gewicht unter Verwendung desselben Gesenks zu schmieden.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist eingehender in der Fig. 5, die die weiteren Einzelheiten der Schritte 80 und 82 des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung darstellt, der Fig. 6, die das dabei verwendete einheitliche Gesenk darstellt, sowie in den Fig. 7 und 8 dargestellt, die das zu hundert Prozent (100%) bzw. zu achtzig Prozent (80%) seines theoretischen Volumens gefüllte Gesenk zeigen.
Die Form des gradfreien Ringwalzzwischenformlings 102 ist vorzugsweise torusförmig mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt an beliebiger Stelle längs des Umfangs. Der im wesentlichen kreisförmige Querschnitt ist wichtig und in hohem Maße wünschenswert insofern, als der Ringwalzprozeß dazu neigt, einen Ring mit im wesentlichem rechteckigen Wandquerschnitt zu erzeugen, und während des Ringwalzvorganges die im wesentlichen runden Flächen des Werkstückes der Fischmaulbildung und Materialüberwerfung vorbeugen, wobei jeder dieser Fehler einen Fehler bei dem fast maßgerechten Schmieden erzeugen würde, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Um es zu wiederholen, minimiert die im wesentlichen kreisförmige Querschnittsgestalt eines im wesentlichen toroidförmigen Zwischenformlings die Wahrscheinlichkeit von Fehlern, weil der Ringwalzprozeß dazu tendiert, die Flächen in einen rechten Winkel zueinander zu drücken und die abgerundeten Flächen eine geringere Neigung zu Ausbildung irgendwelcher Faltungsfehler oder überlappender Bereiche haben.
Mit Bezug auf Fig. 5 wird in Schritt 80 des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung der runde oder mit runden Ecken versehene quadratische Knüppel 100, wie oben beschrieben, aufgeheizt und dann zu einem pfannkuchenformigen Knüppel 130 gestaucht, wie in Schritt 82A gezeigt. In Schritt 82B wird der pfannkuchenförmige Knüppel 130 zu einem nicht entgrateten Zwischenformling 132 geschmiedet, der einen im wesentlichen torusförmigen oder ringförmigen Abschnitt 184 sowie einen Mittelgratabschnitt 136 aufweist, indem das einheitlichen Zwischenformschmiedegesenk 138 verwendet wird, das in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellt ist. In einem Schritt 82C ist der Mittelgrat von dem nicht entgrateten Zwischenformling 132 entfernt, um den geschmiedeten Zwischenformling 102 für den Ringwalzprozeß zu erhalten.
Das Zwischenformschmiedegesenk 138 weist ein Ober- und ein Untergesenk 140 und 142 auf, die an der Fuge 144 zusammenpassen, um eine Gesenkgravur 146 zwischen sich zu begrenzen. Die Gesenkgravur 146 umfaßt einen radial innenliegenden, im wesentlichen scheibenförmigen Abschnitt oder Gratspalt 148, einen im wesentlichen torusförmigen Abschnitt 150, der sich von dem scheibenförmigen Abschnitt 148 radial nach außen erstreckt, und einen Ring mit einem im wesentlichen dreieckig geformten Überlaufabschnitt oder Gratspalt 152, der sich radial von dem im wesentlichen torusförmigen Abschnitt 150 nach außen erstreckt und durch im wesentlichen gerade Flächen 154 begrenzt ist, die sich von einem tangential auf dem im wesentlichen torusförmigen Abschnitt 150 liegenden Punkt radial nach außen auf die Fuge zu erstrecken und die einen eingeschlossenen Winkel 156 zwischen sich definieren. Der eingeschlossene Winkel 156 liegt in dem Bereich von 75º bis 105º. Die radial äußere Grenze des im wesentlichen torusförmigen Abschnitts 150 ist durch die gestrichelte Linie 158 in den Fig. 6 bis 8 markiert.
Das theoretische Volumen der Gravur 146 des Schmiedegesenks 138 für den Zwischenformling ist das Volumen der Abschnitte 150 und 148. Das theoretische Volumen des torusförmigen Abschnittes 150 der Gravur 146 ist von dem Volumen der Abschnitte 150 und 148 abzüglich des Volumens des Abschnitts 148 definiert, das im wesentlichen konstant bleibt. Die Anmelderin hat festgestellt, daß torusförmige Zwischenformlinge mit einem Materialvolumen, das die torusförmige Gravur 150 des Gesenks 138 in dem Bereich von achtzig Prozent (80%) (siehe Fig. 8) bis hundert Prozent (100%) (siehe Fig. 7) des theoretischen Volumens der Gravur 150 füllt, Zwischenformlinge liefert, die einen hinreichend kreisförmigen Querschnitt aufweisen, um ein Ringwalzen zu einem fehlerfreien ringförmigen Schmiedevorformling mit rechteckigem Wandquerschnitt zu gestatten. Das liegt daran, daß die Form der Gesenkgravur 150 und 152 dazu tendiert, das Material des Knüppels zu einem Ring mit im wesentlichen runden Querschnitt mit relativ glatten Kreisflächen und einer Höhe 120 zu drücken, die gleich der Höhe der Ausnehmung 150 ist. Selbstverständlich weist der scheibenförmige Abschnitt 148 der Gravur 146 einen Durchmesser 112 auf, der gleich dem Innendurchmesser 112 des Ringwalzvorformlings ist, wobei der Innendurchmesser 112 etwas größer als der Außendurchmesser des Walzdorns 116 ist. Es sei ebenso angemerkt, daß für ein richtiges Fließen des Materials die Höhe 162 des scheibenförmigen Abschnittes 148 ungefähr zehn Prozent (10%) des Durchmessers 112 desselben betragen sollte. Sollte die Vielgestaltigkeit von Tellerradzwischenformlingen 106, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellen sind, mehr als ein Zwischenformlingsgesenk 138 erfordern, bleiben der Durchmesser 112 und die Dicke 162 des scheibenförmigen Abschnittes 148 für alle erforderlichen Gesenke im wesentlichen konstant.
Um demgemäß zu bestimmen, ob ein Ringwalzzwischenformling 102, der zunächst zu einem Ring gewalzt und dann zu einem fast maßgerechten Tellerradschmiedestück 106 mit gegebenem Außendurchmesser, gegebener Zehenbohrung und gegebenem Volumen präzisionszuschmieden ist, in einem gegebenen Zwischenformlingsgesenk 138 mit torusförmigem Gravurabschnitt 150 von bekanntem theoretischen Volumen und bekannter Höhe 120 (oder Querschnittsdurchmesser des Kreises) geschmiedet werden kann, müssen die folgenden Kriterien erfüllt sein: Das Volumen des fast maßgerechten Tellerradschmiedestücks 106 darf nicht größer als hundert Prozent (100%) und nicht geringer als achtzig Prozent (80%) und vorzugsweise nicht geringer als fünfundachtzig Prozent (85%) des theoretischen Volumens des torusförmigen Gravurabschnittes 150 sein; und ein im Querschnitt im wesentlichen rechteckiger Schmiedevorformling 104, der ein Volumen, das gleich dem Volumen des fast maßgerechten Schmiedestücks 106 ist, der eine Höhe 108, die gleich der Höhe 120 des Gravurabschnittes 150 ist, und der eine Innendurchmesser 112 aufweist, der im wesentlichen gleich der Zehenbohrung 124 des Schmiedestücks ist, muß auf einen Außendurchmesser 114, der geringer ist als der Außendurchmesser 126 des Schmiedestücks, sowie auf eine Wandstärke 110 bringbar sein, die ein Verhältnis zu der Höhe 108 derart aufweist, daß die Höhe weder geringer ist als einmal die Dicke noch größer ist als vier mal die Dicke der Ringwand (vorzugsweise liegt das Verhältnis im Bereich von 1,5 bis 2,5).
Wenn die obenstehenden Kriterien erfüllt sind, kann ein Zwischenformling in dem gegebenen Gesenk 138 geschmiedet werden, das einen befriedigenden ringförmigen Schmiedevorformling im Hinblick auf das Ringwalzen desselben liefert. Durch Aufstellen dieser Kriterien und Bereiche ist das Erfordernis, eine Vielzahl von Zwischenformlingsschmiedegesenken vorzusehen, erheblich reduziert, ohne von der Qualität und Genauigkeit der gebildeten fast maßgerechten Zahnradschmiedestücken Abstriche zu machen. Die Form der Gesenkgravur 146 einschließlich insbesondere der toroidförmigen Abschnitte und der im wesentlichen flachseitigen Überlaufabschnitte, die das Material veranlassen, sich radial nach innen zu bewegen, sind für die vorliegende Erfindung wichtig. Wie sich aus dem Obenstehenden ergibt, ist der Prozeß nach der vorliegenden Erfindung ein neues und sehr vorteilhaft verwendbares Verfahren für die Herstellung von Tellerrädern für Schwerlastantriebsachsen, und insbesondere für das Schmieden von Zwischenformlingen zum Ringwalzen, die zu ringförmigen Schmiedevorformlingen ringzuwalzen sind, die zum Präzisionsschmieden zu fast maßgerechten Tellerradschmiedestücken gegebener Abmessung vorgesehen sind.

Claims

1. Verfahren zu Herstellen von Tellerrädern (14) für Tellerrad/Ritzel-Zahnradsätze von Antriebsachsen von Schwerlastfahrzeugen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

es wird ein fast maßhaltiges Tellerradschmiedestück (106) aus niedrigem bis mittlerem Kohlenstoffgehalt aufweisenden Kohlenstoffstahl oder Legierungsstahl hergestellt, wobei die Zahnflanken und die Zahnwurzeln des fast maßhaltigen Tellerradschmiedestücks zum nachfolgenden Abtragen durch Schleifen genügendes Aufmaß haben;

sodann werden mit Ausnahme der Flächen an den Zahnwurzeln und den Zahnflanken alle übrigen Flächen des fast maßhaltigen Tellerradschmiedestücks spangebend fertig bearbeitet (90);

dann wird das spangebend bearbeitete Werkstück einer aufkohlenden Wärmebehandlung (92) unterzogen;

dann erhalten die Flächen an den Zahnwurzeln und an den Zahnflanken durch Schleifen in ihr endgültiges Finishprofil durch Schleifen, wobei für die Schleifwerkzeuge ein Schleifmittel mit kubischem Bornitrid verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die spangebende Bearbeitung des fast maßhaltigen Tellerradschmiedestücks an einem Schmiedestück erfolgt, das vor der spangebenden Bearbeitung keiner Wärmebehandlung unterzogen wurde.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Tellerrader anders als im zusammenpassenden Satz mit einem Ritzel verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch die Schleifoperation weniger als 0,76 mm Material abgetragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 4, bei dem das Tellerrad nach dem Schleifen der Zahnprofile keiner Spannungen abbauenden Behandlung unterzogen wird.