DE4418251A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Zahnrades mit einer zentralen Bohrung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Zahnrades mit einer zentralen BohrungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Herstellen eines Zahnrads wie eines Stirnrades, ei
nes Schrägzahnrades, eines Kegelrades oder dgl. Im be
sonderen befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren
zum Herstellen eines Zahnrades mit einer zentralen
Durchgangsbohrung. Das Verfahren ist zweckmäßig zum Her
stellen eines Zahnrades, das eine zentrale Durchgangs
bohrung hat und durch verbessertes Warmmatrizen-Schmieden
mit höherem Wirkungsgrad, verbesserter Präzision und
verlängerter Preßform-Standzeit herstellbar ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Schmiede
preßform zum Herstellen eines Zahnrades aus Hohlmaterial
mit einem zentralen Durchgangskanal mittels verbesserten
Warmmatrizen-Schmiedens.
Eine bekannte Methode zum Herstellen eines Zahnrades wie
eines Stirnrades, eines Schrägzahnrades oder eines Ke
gelrades oder dgl. mittels spanabhebender Bearbeitung
wird
beispielsweise beschrieben in "Handbuch des Maschi
nenbauingenieurs", veröffentlicht durch "The Japan So
ciety of Mechanical Engineering", am 15.05.1988, S.
B2-136 bis B2-137, Abschnitt 5.2.7 "Zahnradfräsen und
Zahnradformen". Jedoch hat eine derartige Methode unter
Anwendung spanender Technik einen Nachteil, da
die Herstellungsleistungsfähigkeit und der Nutzungsgrad
des eingesetzten Materials bei diesem Verfahren gering
sind. Es hat sich deshalb in den vergangenen Jahren ein
Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades mittels Schmie
dens durchgesetzt, bei dem plastische Verformungen ein
gesetzt werden, wie dies in dem vorerwähnten "Handbuch
des Maschinenbauingenieurs", S. 32-100 bis B2-106, Ab
schnitt 4.2.4 "Schmieden" beschrieben wird.
Fig. 2 verdeutlicht beispielsweise einen konventionel
len Prozeß mit aufeinanderfolgenden Schritten (a) bis
(f) zum Herstellen eines Kegelrades durch Warmschmieden
und Abgraten. Das bedeutet, unter Bezugnahme auf das
Verfahren, daß in einem ersten Schritt (a) ein Vollma
terial 21 für das Zahnrad hergerichtet und in einem
zweiten Schritt (b) der Rohling 21 in einem Hochfre
quenz-Heizofen auf eine Temperatur von z. B. 1100°C er
hitzt wird. In einem dritten Schritt (c) wird der Roh
ling 21 in einen einem Kegelzahnrad ähnlichen Vorform
ling 23 durch Warmschmieden verformt, während in einem
vierten Schritt (d) die an den Enden der Zähne 23a des
geschmiedeten Vorformlings 23 geformten, folienartigen
Grate 23b mittels einer Entgratpresse entfernt werden.
Im fünften Schritt (e) wird eine Sandstrahlreinigung
durchgeführt, ehe der geschmiedete Vorformling 23 ge
bondert wird (mit einer Zinkphosphatbeschichtung).
Schließlich wird im sechsten Schritt (f) mittels einer
Formpresse die endgültige Gestalt des geschmiedeten
Körpers hergestellt.
Bei dem das Warmschmieden und Entgraten benutzenden Ver
fahren ist es erforderlich, das Entgraten mittels einer
Entgratpresse nach dem Warmschmieden durchzuführen, um
die folienartigen Grate 23b zu entfernen, die beim Warm
schmieden geformt worden sind. Dies ist ein Nachteil
dieses Verfahrens, weil die Effizienz der Herstellung
durch eine erhöhte Anzahl von Bearbeitungsschritten auf
grund des zusätzlichen Entgratungsschrittes gemindert
ist. Es wird deshalb auch "voll umschlossenes Matrizen
schmieden" zum Herstellen eines Zahnrades verwendet, wie
dies in der vorerwähnten Publikation "Handbuch des Ma
schinenbauers", S. 32-106, Abs. vii "voll umschlossenes
Matrizenschmieden" beschrieben ist.
Fig. 3 zeigt beispielsweise ein bekanntes Verfahren mit
aufeinanderfolgenden Schritten (a) bis (e) zum Herstel
len eines Kegelrades durch voll einschließendes,
Warm-Matrizen-Schmieden. Dieses Verfahren wird be
schrieben in "Komatsu- Engineering Report, Vol. 32, Nr.
1", herausgegeben von Komatsu Seisakusho Co., Ltd. 1986,
S. 34. Hierbei wird unter Bezug auf das Verfahren gemäß
Fig. 3, in einem ersten Schritt (a) ein Vollmaterialroh
ling 31 für das Zahnrad vorbereitet. Im zweiten Schritt
(b) wird der Rohling 31 in einem Hochfrequenz-Heizofen
32 erhitzt und auf die gewünschte Länge beschnitten. Im
dritten Schritt (c) wird die gesamte Oberfläche des Roh
lings 31 mit einem Schmiermittel 33 beschichtet. In ei
nem vierten Schritt (d) wird der Rohling 31 erneut in
einem Hochfrequenz-Heizofen 34 erhitzt. Schließlich wird
im fünften Schritt (e) der Rohling 31 zu einem kegelrad
ähnlichen, geschmiedeten Körper durch voll einschlossenes
Matrizenschmieden verformt.
In beiden Verfahren gemäß den Fig. 2 und 3 wird der aus
Vollmaterial bestehende Rohling 21, 31 zu einem kegel
radähnlichen geschmiedeten Körper 23, 35 durch das
Schmieden verformt, wodurch sich bei diesen beiden Ver
fahren als Nachteil eine gesteigerte Anzahl von Arbeits
schritten dadurch ergibt, daß zusätzliche spanabhebende
Schritte zum Ausbilden einer zentralen Bohrung erforder
lich sind. Es hat aus diesem Grund weitere Verfahrens-
Entwicklungen gegeben, bei denen ein hohler Vorformling
zum Herstellen eines Zahnrades durch Schmieden einge
setzt wird.
Fig. 4 zeigt beispielsweise ein bekanntes Verfahren mit
aufeinanderfolgenden Schritten (a) bis (f) zum Herstel
len eines Kegelrades mit einer zentralen Durchgangsboh
rung durch voll eingeschlossenes Matrizenschmieden. Die
ses Verfahren wird beschrieben in "Journal of The Iron
and Steel Institute of Japan, Vol. 78, Aug. 1992, Nr.
8", herausgegeben vom The Iron and Steel Institute of
Japan, 1992, S. 110 bis 116.
Hierbei wird, unter Bezugnahme auf das Verfahren der
Fig. 4, in einem ersten Schritt (a) Vollmaterial 41 für
das Zahnrad vorbereitet. In einem zweiten Schritt (b)
wird ein hohler Vorformling 42 aus dem Vollmaterial 41
durch spanende Bearbeitung gebildet. In einem dritten
Schritt (c) wird auf den inneren und äußeren Oberflächen
des Vorformlings 42 durch Einsatzhärten eine einsatzge
härtete Schicht geformt. In einem vierten Schritte (d)
werden die Verfahrensschritte des Bonderisierens und des
Graphitisierens angewandt an den Oberflächen des Vor
formlings 42 zum Schmier-Beschichten. Dann wird der Vor
formling 42 auf eine Temperatur von ca. 1000°C erwärmt
und zu einem hohlen, zahnradähnlichen geschmiedeten Kör
per 43 durch voll umschlossenes Matrizenschmieden ver
formt, wobei eine Preßform benutzt wird, in der für den
hohlen Teil ein Kern enthalten ist. Bei diesem Schritt
(d) werden Abschreckhärten und Tempern auf den geschmie
deten Körper 43 ausgeübt. Zum Ablösen von Schuppen wird
dann im fünften Schritt (e) eine Sandstrahl-Reinigung
auf den geschmiedeten Körper 43 ausgeübt, ehe schließ
lich im sechsten Schritt (f) ein fertiger Körper 44,
d. h. ein Kegelzahnrad, durch spanende Bearbeitung aus
dem Körper 43 geformt wird.
Es ist bei beiden Verfahren, d. h. beim Warmschmieden und
Entgraten gemäß Fig. 2, und beim voll umschlossenen Ma
trizenschmieden gemäß Fig. 3, erforderlich, eine mittige
Bohrung in dem zahnradähnlichen geschmiedeten Körper 23,
35 durch spanende Bearbeitung einzubringen, da der Voll
materialkörper 21, 31 nur zum Formen der Zähne geschmie
det wird. Nachher und nach dem Schmieden wird eine
Rückenfläche des geschmiedeten Körpers 23, 35 durch spa
nende Bearbeitung fertiggestellt, ehe durch Einsatzhär
ten, Härten und Tempern weitere Verfahrensschritte an
dem fertiggestellten Körper ausgeführt werden. Daraus
folgt, daß jeder der bekannten Prozesse einen Nachteil
einschließt, aufgrund dessen das Verfahren zum Verbes
sern der Produktionsausbeute unzweckmäßig ist. Hingegen
sind bei diesen Verfahren die Herstellungskosten erhöht,
weil das jeweilige Verfahren die Anzahl der erforderli
chen Arbeitsschritte aufgrund der spanenden Bearbeitung
und der Wärmebehandlungsschritte erhöht, die zusätzlich
zum Warmschmieden der Zahnradzähne durchgeführt werden.
Weiterhin hat jedes dieser bekannten Verfahren dahinge
hend einen Nachteil, daß die Formgenauigkeit der zentra
len Durchgangsbohrung gemindert ist.
Andererseits ist bei dem voll umschlossenen Matrizen
schmiedeverfahren gemäß Fig. 4 die Kontaktzeit des
Schmiede- und Preßwerkzeuges mit dem erwärmten Vor
formling 42 so lang, daß das Formwerkzeug durch den Wär
meeinfluß des Vorformlings 42 getempert wird. Dadurch
erhält das Formwerkzeug aufgrund der Temperung eine
niedrige Härte und die Tendenz zu unzweckmäßiger De
formation, wodurch die Formstandzeit verkürzt und die
Herstellungskosten erhöht werden.
Es wird nun vorgeschlagen, ein sehr formgenaues Zahnrad
mit einer zentralen Durchgangsbohrung mit hoher Herstel
lungsleistung und ohne Erhöhen der Produktionskosten
herzustellen. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfin
dung, ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades mit
einer zentralen Durchgangsbohrung anzugeben, das es er
möglicht, für ein Schmiedeformwerkzeug die Standzeit zu
erhöhen und ein formgenaues Zahnrad mit einer zentralen
Durchgangsbohrung mit hoher Herstellungsausbeute und
niedrigen Produktionskosten herzustellen. Es ist ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Schmiede
formwerkzeug zu schaffen, mit dem das Verfahren gemäß
der Erfindung durchführbar ist.
Das Verfahren der Herstellung eines Zahnrades mit einer
zentralen Durchgangsbohrung gemäß der Erfindung umfaßt
einen Schritt, bei dem für das Zahnrad ein Rohling aus
hohlem Material vorbereitet wird, der eine äußere Ober
fläche und eine innere periphere Oberfläche zur Defini
tion einer zentralen Durchgangsbohrung aufweist, einen
Schritt, bei dem eine gehärtete Oberflächenschicht im
Bereich der inneren peripheren Oberfläche und der äuße
ren Oberfläche des Rohlings aus hohlem Material geformt
wird, und einen Schritt, bei dem der aus hohlem Material
bestehende und die gehärtete Oberfläche aufweisende Vor
formling in einen hohlen, zahnradähnlichen und geschmie
deten Körper warmgeschmiedet wird mittels eines Schmie
depreßwerkzeuges, das ein erstes Gesenkelement mit einem
Lochdorn aufweist, der in die zentrale Durchgangsbohrung
des aus hohlem Material bestehenden Vorformlings von ei
ner Seite eintritt, und das ein zweites Gesenkelement
mit einem Lochdorn aufweist, der in die zentrale Durch
gangsbohrung des aus hohlem Material bestehenden Roh
lings von der anderen Seite eintritt.
Die Schmiedegesenke formen die Zähne des Zahnrades an
der Außenseite des Rohlings aus hohlem Material, während
ein ringförmiger Grat in der mittigen Durchgangsbohrung
des Rohlings aus hohlem Material zwischen den Lochdornen
erzeugt wird. In geschlossenem Zustand des Schmiedege
senks liegt zwischen den Lochdornen ein Spalt vor, der
die Dicke des ringförmigen Grates definiert und der
0,3 mm oder mehr beträgt, jedoch nicht größer als 1,3 mal
(130%) eine Tiefe der gehärteten Oberflächenschicht.
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt ferner einen
Schritt, bei dem der ringförmige Grat aus dem hohlen,
zahnradähnlichen und geschmiedeten Körper nach dem Warm
schmieden entfernt wird, und einen Schritt, bei dem an
dem hohlen, zahnradähnlichen und geschmiedeten Körper
durch beispielsweise Abschrecken und Tempern eine ther
mische Vergütung vorgenommen wird.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird für die Her
stellung eines Zahnrades ein Hohlmaterial mit einer zen
tralen Durchgangsbohrung verwendet. Es ist dabei darauf
hinzuweisen, daß das Verfahren zum Vorbereiten des hoh
len Materials zweckmäßig ausgewählt sein kann und nicht
speziell begrenzt ist. D.h., das Hohlmaterial kann aus
vollem Material durch spanendes Bearbeiten wie Bohren
geformt werden, oder kann aus Vollmaterial durch Durch
stoßen mit einem Kaltumformer in kaltem Zustand geschaf
fen werden, oder kann erreicht werden ohne Verwendung
von Vollmaterial, sondern durch Benutzen eines Mate
rials, das zylindrisch geformt ist wie ein Rohr.
Ein Material für das Hohlmaterial kann auf zweckmäßige
Weise ausgewählt werden und ist in keiner Weise be
schränkt. D.h., das Hohlmaterial kann z. B. aus Stahl
hergestellt sein, der als ein Stahl ausgewählt wird, wie
er für eine Einsatzhärtung brauchbar ist, oder auch ein
Stahl, der mit passenden Elementen legiert ist und von
folgender Gruppe stammen kann: SC-Stähle (Kohlenstoff
stähle für die Verwendung bei Maschinenelementen), SNC-
Stähle (Nickel-Chrom-Stähle), SNCM-Stähle (Nickel-Chrom-
Molybdän-Stähle), SCr-Stähle (Chromstähle), SCM-Stähle
(Chrom-Molybdän-Stähle), SMn-Stähle (Mangan-Stähle für
die Verwendung bei Maschinenelementen), SMcC-Stähle
(Chrom-Mangan-Stähle für die Verwendung bei Maschinen
elementen), und andere Stähle, wie sie im japanischen
Industriestandard vorgeschrieben sind.
Weiterhin wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine
Oberflächenhärtung auf das Hohlmaterial ausgeübt, um ei
ne gehärtete Oberflächenschicht sowohl an der inneren
Oberfläche als auch an einer äußeren Oberfläche des
Hohlmaterials bilden. Diesbezüglich kann das Oberflä
chenhärten aus der Gruppe folgender Härteverfahren ge
wählt sein: Karburieren, Karbunitrieren und Nitrieren,
und dgl. Fallweise kann, z. B. bei der Anwendung des Kar
burierens, ein spezielles Karburisierverfahren verwendet
werden, und zwar entweder gewöhnliches Karburieren,
Hochtemperatur-Karburieren oder Vakuumkarburieren.
Im Anschluß an das Oberflächenhärten wird beim erfin
dungsgemäßen Verfahren das mit einer zentralen Durch
gangsbohrung ausgestattete Hohlmaterial warmgeschmie
det, und zwar zu einem hohlen, zahnradähnlichen ge
schmiedeten Körper. Dazu wird ein Schmiedegesenk mit
zwei Gesenkelementen benutzt. Beim Schließen des
Schmiedegesenkes für das Warmschmieden dringt ein
Lochdorn eines Gesenkelementes des Schmiedegesenks in
die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials
von einer Seite der Durchgangsbohrung ein, während ein
anderer Lochdorn eines anderen Elementes des Schmiede
gesenks in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Ma
terials von einer anderen Seite der Bohrung her ein
dringt. Es ist dabei hervorzuheben, daß der jeweilige
Lochdorn ein ähnliches Element wie ein Kern sein kann.
Vorgreifend zum vorerwähnten Formschmieden, kann die
Oberfläche des hohlen Materials in Abstimmung auf be
sondere Erfordernisse zweckmäßig geschmiert werden. Die
Oberflächenschmierung formt eine Schmierbeschichtung
die aus zumindest einem der nachfolgenden Schmierstoffe
bestehen sollte: Z.B. Phosphat-Beschichtung, Molybdän-
Disulfid-Beschichtung und Graphit-Beschichtung.
Während des Warmschmiedevorgangs formt das Schmiedege
senk die Zähne des Zahnrades an der äußeren Seite des
hohlen Materials, während die Gesenkelemente einen ring
förmigen Grat innerhalb der zentralen Durchgangsbohrung
des hohlen Materials zwischen den Lochdornen formen.
Während des Schmiedevorgangs wird verbessertes Warmma
trizenschmieden angewendet, wobei ein Abstand zwischen
den Lochdornen eine Dicke des ringförmigen Grates defi
nieren, die bei ca. 0,3 mm oder mehr liegt, jedoch nicht
größer als 1,3×(130%) eine Tiefe der gehärtete Ober
flächenschicht beträgt, und zwar bei voll geschlossenem
Schmiedegesenk.
Der Grund für den Abstand zwischen den Lochdornen, der
die Dicke des ringförmigen Grates definiert und der
0,3mm oder mehr beträgt, jedoch nicht größer ist, als
1,3×eine Tiefe der gehärteten Oberflächenschicht bei
geschlossener Kondition des Schmiedewerkzeugs, ist wie
folgt.
Wäre der Abstand zwischen den Lochdornen und damit die
Dicke des ringförmigen Grates weniger als 0,3mm, dann
würde der ringförmige Grat zu schnell abkühlen und den
Lochdornen würde ein stärkerer Widerstand entgegenste
hen, der eine größere Deformation und/oder mehr Abrasion
für die Lochdorne bedeutete, so daß deren Standzeit un
zweckmäßig verkürzt würde. Auf der anderen Seite und
falls der Abstand zwischen den Lochdornen und damit die
Dicke des ringförmigen Grates größer sind als 1,3×tmm,
d. h., 1,3×(130%) eine Tiefe t mm der gehärtete Ober
flächenschicht, dann würde die gehärtete Oberflächen
schicht in den ringförmigen Grat verlagert, woraus nach
dem Entgraten ein Teilbereich entstünde, der an der in
neren peripheren Oberfläche der zentralen Durchgangsboh
rung keine gehärtete Oberflächenschicht aufweist, sobald
der ringförmige Flansch bei der Endbearbeitung entfernt
wird. Es könnte dann das geschmiedete Zahnrad auf uner
wünschte Weise auf einer tragenden Welle während des Ge
brauchs fressen. Es könnte auch passieren, daß die inne
re periphere Oberfläche der zentralen Durchgangsbohrung
in unerwünschter Weise zumindeste teilweise abgeschabt
wird.
Nach dem verbesserten Warmmatrizenschmieden werden der
ringförmige Grat und die Grate an den Zähnen von dem aus
dem Schmiedegesenk entnommenen, geschmiedeten Körper
entfernt, ehe der geschmiedete Körper einer thermischen
Vergütung unterworfen wird, z. B. durch Abschrecken und
Tempern, wobei beim Abschrecken und Tempern zunächst der
geschmiedete Körper auf eine Abschrecktemperatur in pas
sender Atmosphäre wie potentiell erhöhter Kohlenstoffat
mosphäre, einer Inertgas-Atnosphäre oder einer nicht
oxidierenden Atmosphäre erwärmt und zum Abschrecken ge
kühlt wird. Danach kann der geschmiedete Körper voll
ständig getempert werden.
Nach der thermischen Vergütung kann sich Sandstrahlen
oder eine Kugelstrahlreinigung des geschmiedeten Körpers
anschließen, um die Schuppen zu entfernen. Im Anschluß
daran kann der geschmiedete Körper zu einem gewünschten
Zahnrad durch Bearbeitung fertiggestellt werden.
Unter Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte
werden eine Erhöhung der Arbeitsschritte und eine Ver
ringerung der Formgenauigkeit wie bei den bekannten Ver
fahren vermieden. Die Kontaktzeit zwischen dem Schmiede
gesenk und dem erhitzten Material wird kürzer, so daß
der Wärmeeinfluß des Materials auf das Schmiedegesenk
geringer ist und die Standzeit des Schmiedegesenks er
höht wird. Konsequenterweise und aufgrund der verringer
ten Anzahl der Arbeitsschritte und der verlängerten Ge
senkstandzeit werden die Herstellungskosten verringert.
Das erfindungsgemäße Schmiedegesenk zum Herstellen eines
Zahnrades aus einem hohlen Material, das eine äußere
Oberfläche und eine innere periphere Oberfläche auf
weist, die einen zentrale Durchgangsbohrung definiert,
umfaßt ein Gesenkelement mit einem Lochdorn, der in die
zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials von ei
ner Seite der Durchgangsbohrung her eintritt, sowie ein
weiteres Gesenkelement mit einem Lochdorn, der in die
zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials von der
anderen Seite der Bohrung her eintritt, wobei das
Schmiedegesenk so ausgebildet ist, daß es die Zähne des
Zahnrades auf der Seite der äußeren Oberfläche des Hohl
materials formt, während in der zentralen Durchgangsboh
rung des hohlen Materials zwischen den Lochdornen ein
ringförmiger Grat gebildet ist. Zwischen den Lochdornen
wird bei geschlossenem Schmiedegesenk bewußt ein Abstand
eingehalten, mit dem der Grat eine Dicke von 0,3mm oder
mehr erhält, wobei die Dicke des ringförmigen Grates
nicht größer sein darf als 1,3×(130%) die Tiefe der
gehärteten Oberflächenschicht des Hohlmaterials.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit dem vorer
wähnten Schmiedegesenk durchführen.
Eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird im
Detail anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines
Schmiedegesenks, das bei einer
Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Verfahrens zur Herstel
lung eines Kegelrades mit einer
zentralen Durchgansbohrung ver
wendet wird,
Fig. 2 ein herkömmliches Verfahren zum
Herstellen eines Kegelrades mit
tels früherer Warmschmiede- und
Beschneideverfahren,
Fig. 3 ein herkömmliches Verfahren zum
Herstellen eines Kegelrades mit
voll eingeschlossenem Gesenk
schmieden, und
Fig. 4 ein Verfahren zum Herstellen ei
nes Kegelrades mit einer zentra
len Durchgangsbohrung aus hohlem
Material unter Anwendung eines
konventionellen, voll umschlie
ßenden Gesenk-Schmiedeverfah
rens.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein Vollmaterialstab aus SCM418H-Stahl mit einem
Durchmesser von 28 mm auf eine Länge von 31mm geschnit
ten, um einen Vollmaterialrohling für ein Zahnrad zu er
halten. Dann wird das Vollmaterial durchbohrt, um eine
zentrale Durchgangsbohrung zu schaffen und auf diese
Weise ein Hohlmaterial für ein Zahnrad vorzubereiten,
das einen äußeren Durchmesser von 28 mm, einen inneren
Durchmesser von 16 mm und eine Höhe von 31mm hat. Die
vorerwähnte Stahlqualität bezieht sich beispielsweise
auf Chrom-Molybdän-Stähle mit einem spezifizierten Härt
barkeitsbereich mit 0,17% C, 0,30% Si, 0,62% Mn, 0,09%
Ni, 1,02% Cr, 0,16% Mo, 0,019% Al, 0,0012% O, 0.0155% N,
und Fe und unvermeidbare Unreinheiten, wie dies in dem
japanischen Industrie Standard für Stähle erläutert
wird.
Das Hohlmaterial wird dann gas-karburiert bei einer Tem
peratur von 920°C und über fünf Stunden, um ein karbu
riertes Hohlmaterial mit einer gehärteten Oberflächen
schicht bis zu einer Tiefe (wirksame Einsatzhärtungstie
fe von 0,9mm) zu schaffen.
Nach dem Karburieren wird das Hohlmaterial auf eine
Warmschmiedetemperatur von 1000°C ± 10°C durch Hochfre
quenzerhitzen in Stickstoffgas aufgeheizt, um Oxidieren
und Dekarburieren zu verhindern. In weiterer Folge wird
das Hohlmaterial zu einem zahnradähnlichen geschmiedeten
Körper durch verbessertes Warmmatrizenschmieden mit ei
nem Schmiedegesenk 1 gemäß Fig. 1 verformt.
Unter Bezug auf Fig. 1 weist das Schmiedegesenk 1 ein
oberes Gesenkelement 2 und ein unteres Gesenkelement 3
auf. Das obere Gesenk 2 besitzt einen oberen Lochdorn 4,
der einstückig am oberen Gesenkelement 2 angebracht ist
und von einem feststehenden Typ ist. Andererseits weist
das untere Gesenkelement 2 einen unteren Lochdorn 5 auf,
der in Richtungen parallel zu einer Achse des Lochdornes
5 bewegbar ist, d. h. in Fig. 1 nach oben und nach unten.
Das Schmiedegesenk 1 enthält ferner ein unteres Hilfsge
senkelement 6 im unteren Gesenkelement 3, das den unte
ren Lochdorn 5 umgibt. Das Hilfsgesenkelement 6 weist
einen kugeligen Sitz 6a an seinem oberen Ende auf. In
Fig. 1 ist das Schmiedegesenk mit seinen Elementen 2, 3
und 6 in geschlossenem Zustand dargestellt. In dem
Schmiedegesenk 1 werden Zähne 7a an einer Außenseite des
hohlen, zahnradähnlich geschmiedeten Körpers 7 gebildet,
während in einer zentralen Durchgangsbohrung 7b des hoh
len, zahnradähnlich geschmiedeten Körpers 7 zwischen dem
oberen Lochdorn 4 und dem unteren Lochdorn 5 ein ring
förmiger Grat 7c geformt wird.
Bei dieser Ausführungsform des Schmiedegesenks 1 wird
für die Elemente 2, 3 und 6 SKD2-Stahl verwendet, der
ein legierter Stahl, wie im Japanischen Industrie Stan
dard beschrieben, ist. Beim Herstellen der Gesenkelemen
te 2, 3 und 6 wird ein aus Kupfer hergestelltes
Master-Modell mit Zahnformen eines Kegelrades verwendet
zur Elektrofunkenbearbeitung. Nach dem Herstellen der
Gesenkelemente 2, 3 und 6 werden diese gehärtet und ge
tempert, um ihre Härte auf HRC 60 zu erhöhen (Rockwell
Härte mit C-Skala).
Bei der Verwendung des Schmiedegesenks 1 mit seinen Ge
senkelementen 2, 3 und 6 zum Durchführen des verbesser
ten Warmmatrizenschmiedens des Hohlmaterials mit ring
förmiger Gestalt, wird das untere Hilfsgesenkelement 6
angehoben und das Hohlmaterial auf dem kugeligen Sitz 6a
des Hilfsgesenkelements 6 angebracht, während der Loch
dorn 5 in einer Höhe positioniert ist, in der der Ab
stand zwischen dem Lochdorn 5 und dem oberen Lochdorn 4
0,9mm beträgt, sobald das Schmiedegesenk 1 geschlossen
wird. D.h., das obere Gesenkelement 2 wird an einem un
teren Hubende angeordnet. Dann wird das Schmiedegesenk 1
durch Absenken des oberen Gesenkelementes 2 geschlossen,
während der Lochdorn 5 in der vorerwähnten Höhe positio
niert wird.
Beim Schließen des Schmiedegesenkes 1 wird der obere
Lochdorn 4 in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen
Materials von einer oberen Seite der Bohrung eingesetzt.
Durch Absenken des unteren Hilfsgesenkelementes 6 wird
der positionierte untere Lochdorn 5 in die zentrale
Durchgangsbohrung von einer unteren Seite her einge
setzt. Auf diese Weise wird der hohle, zahnradähnliche
geschmiedete Körper 7 erreicht, der den ringförmigen
Grat 7c mit einer Dicke von 0,9 mm zwischen den Lochdor
nen 4, 5 aufweist.
Es ist hervorzuheben, daß der hohle, zahnradähnlich ge
schmiedete Körper 7 so geformt wird, daß er ein Endbe
arbeitungsübermaß in einem Bereich von 0,3 bis 0,5 mm für
die spätere spanende Bearbeitung einer Hinterfläche des
geschmiedeten Körpers 7 und einer inneren Fläche der
zentralen Durchgangsbohrung des geschmiedeten Körpers 7
aufweist.
Nach dem Herausnehmen des geschmiedeten Körpers 7 aus
dem Schmiedegesenk 1 werden der ringförmige Grat 7c und
Grate an den Zähnen 7a von dem geschmiedeten Körper 7
entfernt. Dann wird der geschmiedete Körper 7 durch Här
ten und Tempern einer thermischen Vergütung unterzogen.
Beim Abschrecken wird der geschmiedete Körper auf eine
Abschrecktemperatur erhitzt, indem er einen Tunnelheiz
ofen passiert, wobei eine Innentemperatur des Heizofens
in einem Bereich zwischen 820°C bis 840°C gesteuert wird
und dabei eine Gasatmosphäre mit einem Kohlenstoffpoten
tial in einem Bereich von 0,7% bis 0,8% aufrechterhalten
wird, einerseits um die Abschreckungstemperatur zu ver
gleichmäßigen und andererseits um Dekarburieren zu ver
hindern, und auch um eine Rekristallisierung zu unter
stützen. Danach wird der geschmiedete Körper 7 in Ab
schrecköl mit einer Temperatur in einem Bereich von 80°C
bis 100°C geworfen, um den geschmiedeten Körper 7 abzu
kühlen. Es ist herzuheben, daß die Benutzung eines iner
ten Gases zum Verhindern des Dekarburierens ebenfalls
gute Resultate erbrachte.
Beim Tempern nach dem Abschrecken wird der geschmiedete
Körper 7 auf einer Temperatur von 71°C für zwei Stunden
getempert. Nachfolgend wird zum Entfernen von Schuppen
der geschmiedete Körper 7 sandstrahlgereinigt.
Nach der thermischen Vergütung wird der geschmiedete
Körper zu dem gewünschten Zahnrad durch spanende Bear
beitung fertiggestellt. Beim Bearbeiten wird der ge
schmiedete Körper 7 mit den Zahnoberflächen als Posi
tionierreferenzflächen an einem Spannkopf festgelegt.
Nur die sphärische Rückenfläche des geschmiedeten Kör
pers 7 und eine Innenfläche der zentralen Durchgangs
bohrung des geschmiedeten Körpers 7 werden durch Hart
drehen überarbeitet, d. h. Bearbeiten eines hochharten
Materials mit einem cBN-Werkzeug (kubisches Bornitrid).
Es wird dabei im Rahmen des vorerwähnten Übermaßes fein
bearbeitet, damit letztendlich das gewünschte Kegelrad
erreicht ist.
Dieses Kegelrad hat eine sehr hohe Formgenauigkeit und
es gibt keinen Teil im Inneren der peripheren Oberfläche
der zentralen Durchgangsbohrung an dem eine nicht-karbu
rierte Oberflächenschicht vorläge. Es handelt sich also
um ein hochpräzises Kegelrad mit hoher Ermüdungsfestig
keit.
Wurde der Abstand zwischen dem oberen Lochdorn 4 und dem
unteren Lochdorn 5, d. h. die Dicke des ringförmigen Gra
tes 7c auf 0,27mm reduziert, um die Schmiedezustände zu
testen, litten die Lochdorne 4, 5 aufgrund der schnelle
ren Abkühlungsgeschwindigkeit des ringförmigen Grates 7c
unter einem größeren Widerstand an ihrem Spitzen, der zu
stärkeren Deformationen und stärkerer Abrasion der Loch
dorne 4, 5 führte, so daß sich bereits nach nur 150
Schmiedevorgängen Schwierigkeiten an den Lochdornen 4, 5
ergaben. Wurde hingegen der Abstand zwischen dem oberen
Lochdorn 4 und dem unteren Lochdorn 5, d. h. die Dicke
des ringförmigen Grates 7c, auf 0,9 mm gemäß der Erfin
dung gesetzt, dann wurde bei diesem korrekten Abstand
der Lochdorne 4, 5 kein erhöhter Widerstand an den
Spitzen der Lochdorne festgestellt, und wurde die Le
bensdauer des Schmiedegesenkes 1 so lange, daß die
Herstellungskosten reduziert werden konnten.
Claims (12)
1. Verfahren zum Herstellen eines eine zentrale Durch
gangsbohrung aufweisenden Zahnrades, gekennzeichnet
durch:
- A) Einen Schritt, bei dem für das Zahnrad Hohlmaterial mit einer äußeren Oberfläche und einer eine zentrale Durchgangsbohrung für das Zahnrad definierenden, in neren peripheren Oberfläche vorbereitet wird;
- B) einen Schritt, bei dem im Bereich der inneren peri pheren Oberfläche und der äußeren Oberfläche des Hohlmaterials eine gehärtete Oberflächenschicht ge formt wird;
- C) einen Schritt, bei dem das die gehärtete Oberflächen schicht aufweisende Hohlmaterial in einen hohlen, zahnradähnlichen geschmiedeten Körper mit einem Schmiedegesenk warmgeschmiedet wird, das ein erstes Gesenkelement mit einem Lochdorn aufweist, der in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials von einer Seite der Bohrung eintritt, und ein zweites Ge senkelement mit einem Lochdorn aufweist, der in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials von der anderen Seite der Bohrung her eintritt, wobei
- i) das Schmiedegesenk Zähne des Zahnrades an der äuße ren Seite des Hohlmaterials formt, während in der zentralen Durchgangsbohrung des Hohlmaterials zwi schen den Lochdornen ein ringförmiger Grat erzeugt wird,
- ii) ein Abstand zwischen den Lochdornen bei geschlosse nem Zustand des Schmiedegesenkes eine Dicke des ringförmigen Grates definiert, die 0,3 mm oder mehr beträgt, jedoch nicht größer als 1,3×(130%) die Tiefe der gehärtete Oberflächenschicht ist;
- D) einen Schritt, bei dem der ringförmige Grat von dem hohlen, zahnradähnlichen, geschmiedeten Körper nach dem Warmschmieden entfernt wird, und
- E) einen Schritt, bei dem der hohle, zahnradähnliche ge schmiedete Körper einer thermischen Vergütung unter worfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Schritt A) das Hohlmaterial aus Vollmaterial
durch Bearbeiten, insbesondere spanendes Bearbeiten,
geformt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hohlmaterial aus Vollmaterial durch Durchdrin
gen mit einem Kaltverformer geformt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Schritt A) das Hohlmaterial aus einem Mate
rial hergestellt wird, das als Rohr geformt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im Schritt A) das Hohlmaterial aus einem Stahl her
gestellt wird, der als für eine Einsatzhärtung geeigne
ter Stahl oder ein mit passenden Elementen legierter
Stahl ausgewählt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Schritt A) das Hohlmaterial aus einem Stahl
hergestellt wird, der aus einer Gruppe von Kohlen
stoffstählen für die Verwendung bei Maschinenstruk
turen oder aus Chrom-Nickel-Stählen, Chrom-Nickel-
Molybdän-Stählen, Chrom-Stählen, Chrom-Molybdän-
Stählen, Mangan-Stählen für Maschinenstrukturen, und
Chrom-Mangan-Stählen für Maschinenstrukturen ausge
wählt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Schritt B) das Oberflächenhärten durch Karbu
rieren durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Schritt B) die Oberflächenhärtung durch Kar
bonitrieren durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Schritt B) die Oberflächenhärtung durch Ni
trieren durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß vorgreifend zum Warmschmieden im Schritt C) eine
Oberflächenschmierung auf das Hohlmaterials aufge
bracht wird, um eine Schmierbeschichtung zu formen, die
zumindest aus einem der folgenden Beschichtungssorten
besteht: Phosphatbeschichtung, Molybdän-Disulfidbe
schichtung und Graphitbeschichtung.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Schritt E) die thermische Vergütung durch Ab
schrecken und Tempern durchgeführt wird.
12. Schmiedegesenk zum Herstellen eines Zahnrads aus
hohlem Material mit einer äußeren Oberfläche und einer
inneren, eine zentrale Durchgangsbohrung definierenden
peripheren Oberfläche, wobei das Schmiedegesenk gekenn
zeichnet ist durch
ein erstes Gesenkelement (2) mit einem Lochdorn (4), der in die zentrale Durchgangsbohrung (7b) des Hohlmaterials von einer Seite der Bohrung her eintritt, und
ein zweites Gesenkelement (3) mit einem Lochdorn (5), der in die zentrale Durchgangsbohrung (7b) des Hohlma terials von der anderen Bohrungsseite her eintritt,
wobei das Schmiedegesenk (1) so ausgebildet ist, daß in ihm Zähne (7a) des Zahnrades von einer Seite der äußeren Oberfläche des Hohlmaterials bildbar sind, während in der zentralen Durchgangsbohrung (7b) des Hohlmaterials zwischen den Lochdornen (4, 5) ein ringförmiger Grat (7c) herstellbar ist, wobei ein Abstand zwischen den Lochdornen (4, 5) bei geschlossenem Schmiedegesenk (1) eine Dicke des ringförmigen Grates (7c) definiert, die 0,3 mm oder mehr beträgt, jedoch nicht größer ist als 1,3×(130%) die Tiefe der gehärteten Oberflächenschicht des Hohlmaterials.
ein erstes Gesenkelement (2) mit einem Lochdorn (4), der in die zentrale Durchgangsbohrung (7b) des Hohlmaterials von einer Seite der Bohrung her eintritt, und
ein zweites Gesenkelement (3) mit einem Lochdorn (5), der in die zentrale Durchgangsbohrung (7b) des Hohlma terials von der anderen Bohrungsseite her eintritt,
wobei das Schmiedegesenk (1) so ausgebildet ist, daß in ihm Zähne (7a) des Zahnrades von einer Seite der äußeren Oberfläche des Hohlmaterials bildbar sind, während in der zentralen Durchgangsbohrung (7b) des Hohlmaterials zwischen den Lochdornen (4, 5) ein ringförmiger Grat (7c) herstellbar ist, wobei ein Abstand zwischen den Lochdornen (4, 5) bei geschlossenem Schmiedegesenk (1) eine Dicke des ringförmigen Grates (7c) definiert, die 0,3 mm oder mehr beträgt, jedoch nicht größer ist als 1,3×(130%) die Tiefe der gehärteten Oberflächenschicht des Hohlmaterials.
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