AT15793U1 - Verfahren zum Verdichten der Innenverzahnung eines Zahnrades - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten einer Innenverzahnung (2) eines pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrades (1) durch Walzen der Innenverzahnung (2) mit einem Walzwerkzeug (3), das eine Außenverzahnung (4) aufweist, wobei die Innenverzahnung (2) des Zahnrades (1) für das Walzen mit einer von der Endgeometrie der Zähne (5) der Innenverzahnung (2) abweichenden Vorgeometrie hergestellt wird, bei der die Zähne (5) in einer Höhe von 5 % bis 35 % der gesamten Zahnhöhe, gemessen von den Zahnfüßen aus, mit einem Aufmaß a hergestellt werden, und in Richtung auf einen Zahnfußkreis (8) das Aufmaß auf einen Wert zwischen 0 bis 1,5 a, in halber Zahnhöhe das Aufmaß zwischen 0,7 a bis 3 a und im Zahnkopf das Aufmaß zwischen -1 a und 0,5 a eingestellt wird.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten einer Innenverzahnung eines pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrades durch Walzen der Innenverzahnung mit einem Walzwerkzeug, das eine Außenverzahnung aufweist, wobei die Innenverzahnung des Zahnrades für das Walzen mit einer von der Endgeometrie der Zähne abweichenden Vorgeometrie hergestellt wird.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein nach dem Verfahren hergestelltes Zahnrad aus einem Sinterwerkstoff mit einer Innenverzahnung mit Zähnen, wobei die Zähne zumindest im Bereich von Zahnflanken oberflächenverdichtet sind.

[0003] Das Oberflächenverdichten von Zähnen eines Zahnrades ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt z.B. die DE 69 105 749 T2 die Oberflächenbearbeitung der Zähne eines Zahnrades mit einer Walzmaschine, wodurch deren Oberfläche im Bereich der Zähne durch Walzen verdichtet wird und über eine Tiefe von wenigstens 380 pm eine Verdichtung im Bereich von 90 bis 100 % erreicht wird. Bei den beschriebenen Einfach- und Zwillingswalzmaschinen wird ein zu bearbeitendes Zahnrad auf einer festen Achse drehbar gelagert und eine Walzform, die auf einer beweglichen, angetriebenen Achse angeordnet ist mit diesem in Eingriff gebracht. Dabei wälzen sich die Zähne der Walzform an den Zähnen des zu bearbeitenden Zahnrads ab und verdichten dessen Oberfläche. Während des Walzvorgangs wird die Achse der Walzform durch einen beweglichen Schlitten radial an die Achse des zu bearbeitenden Zahnrads angenähert, bis die gewünschte Oberflächenverdichtung erreicht ist.

[0004] Am häufigsten wird diese Art der Oberflächenverdichtung bei Außenverzahnungen von Zahnrädern angewandt, wie dies auch bei dem Verfahren nach der genannten DE 69 105 749 T2 der Fall ist. In einigen Druckschriften, wie beispielsweise der DE 10 2005 027 142 A1, wird prinzipiell auch die Verdichtung der Innenverzahnung eines Zahnrades als Ausführungsvariante erwähnt.

[0005] Die DE 10 2005 027 142 A1 beschreibt weiter die Verwendung einer Vorform zur Oberflächenverdichtung. Die Vorform weist ein negatives Aufmaß auf. Dieses Aufmaß wird mittels iterativer Berechnung ermittelt. Zweck des negativen Aufmaßes ist, dass das beim Walzen verdrängte Material in diese Bereiche mit negativem Aufmaß ausweichen kann und die Bereiche des negativen Aufmaßes ausfüllt.

[0006] Die Verdichtung der Innenverzahnung von Hohlrädern wird in der WO 2008/0139323 A2 beschrieben. Dazu wird die Innenverzahnung einer Vorform mit zumindest einem Walzwerkzeug gewalzt. Über eine spezielle Geometrie der Vorform selbst ist dieser Druckschrift nichts zu entnehmen.

[0007] Obwohl im Stand der Technik die Verdichtung der Zähne von innenverzahnten Zahnrädern mit Walzverfahren prinzipiell schon beschrieben wurde, hat sich in der Praxis herausgestellt, dass die Lehren zur Verdichtung der Zähne einer Außenverzahnung nicht ohne weiteres auf Innenverzahnungen übertragbar sind.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zumindest die Zahnflanken der Zähne eines innenverzahnten Zahnrades mit einer möglichst gleichmäßigen, festigkeitssteigernden Schicht zu versehen.

[0009] Die Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, nach dem vorgesehen ist, dass die Zähne der Vorgeometrie in einer Höhe von 5 % bis 35 % der gesamten Zahnhöhe, gemessen von den Zahnfüßen aus, mit einem Aufmaß a hergestellt werden, und dass in Richtung auf die Zahnfüße das Aufmaß auf einen Wert zwischen 0 bis 1,5 a, in halber Zahnhöhe das Aufmaß zwischen 0,7 a bis 3 a und im Zahnkopf das Aufmaß zwischen -1 a und 0,5 a eingestellt wird.

[0010] Weiter wird die Aufgabe der Erfindung bei dem eingangs genannten, nach dem Verfahren hergestellten Zahnrad dadurch gelöst, dass eine Schichtdicke der Oberflächenverdichten

Bereiche um maximal ± 30 % variiert.

[0011] Von Vorteil ist dabei, dass durch die Vorgeometrie, d.h. die Geometrie der Vorform, die Innenverzahnung entlang der Zahnflanken mit einer relativ hohen Gleichmäßigkeit sowohl der Schichtdicke der verdichteten Randzone als auch der Dichte hergestellt werden kann. Somit können innenverzahnte Zahnräder hergestellt werden, die entlang der Zahnflanken eine zumindest annähernd gleichbleibende Festigkeit aufweisen. Es können damit der Verschleiß reduziert und das Laufverhalten des Zahnrades im kämmenden Eingriff mit einem weiteren Zahnrad verbessert werden. Darüber hinaus können für die für die Verdichtung erforderlichen Pressungen reduziert werden, was sich sowohl auf das Werkzeug als auch auf das innenverzahnte Zahnrad während der Verdichtung positiv auswirkt. Durch die Einhaltung des Aufmaßes in den genannten Relationen können Konizitäten der Zähne in Axialrichtung besser vermieden werden. Durch die Freistellungen im Walzwerkzeug werden Umformkanten gebildet, die eine bessere bzw. schnellere Verdichtung der Randzonen der Zähne ermöglichen.

[0012] Nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ausschließlich die Zahnflanken und gegebenenfalls die Zahnköpfe gewalzt werden. Es wird damit erreicht, dass die Porigkeit, die das pulvermetallurgisch hergestellte Zahnrad nach dem Sintern aufweist, in den Zahnfüßen erhalten bleibt. Dies wiederum ist von Vorteil in Hinblick auf nachfolgende Härtungsschritte des Zahnrades, da Medien, wie beispielsweise Stickstoff beim Nitrieren oder Kohlenstoff beim Carbonitrieren, besser in den Werkstoff über die Poren eindringen können.

[0013] Es kann auch vorgesehen werden, dass eine Anzahl der Zähne der Außenverzahnung des Walzwerkzeugs so bemessen wird, dass ein Zähnezahlverhältnis der Zähne von Zahnrad zu Walzwerkzeug zwischen 0,2 und 0,6 beträgt. Es kann damit die Überdeckung und damit die Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug und dem Zahnrad gering gehalten werden.

[0014] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Walzwerkzeug eingesetzt wird, dessen Zähne der Außenverzahnung teilweise Freistellungen aufweist. Es werden damit die voranstehend zum Walzwerkzeug genannten Effekte erreicht. Auf diese Weise können Zahnräder einfacher gewalzt werden, bei denen das voranstehend genannte Zähnezahlverhältnis größer als 0,6 ist.

[0015] Es kann aber auch ein Walzwerkzeug eingesetzt werden, das neben den Freistellungen in den Zähnen auch zumindest einen Glättzahn ohne Freistellung aufweist, wozu das Walzwerkzeug entsprechend ausgeführt sein kann. Mit dieser Ausführungsvariante kann die Innenverzahnung in einem Arbeitsschritt sowohl verdichtet als auch geglättet werden. Andererseits sind damit aber auch größere Umformkanten an dem Walzwerkzeug realisierbar, wodurch die Bearbeitungszeit reduziert werden kann.

[0016] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0017] Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung: [0018] Fig. 1 ein innenverzahntes Zahnrad mit einem Walzwerkzeug; [0019] Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Zahn der Innenverzahnung; [0020] Fig. 3 eine Ausführungsvariante eines Walzwerkzeugs.

[0021] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0022] Fig. 1 zeigt eine Zahnrad 1 in Form eines ringförmigen Hohlrades mit einer Innenver zahnung 2.

[0023] Das Zahnrad 1 ist nach einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt. Dazu wird bekanntlich aus einem Sinterpulver, das aus den einzelnen (metallischen) Pulvern durch Mischen hergestellt werden kann, wobei die Pulver gegebenenfalls vorlegiert eingesetzt werden können, ein Grünling in einer entsprechenden Pressform hergestellt. Der Grünling wird in der Folge bei üblichen Temperaturen entwachst und ein- oder zweistufig bzw. mehrstufig gesintert und danach vorzugsweise auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Sintern kann beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 1100°C und 1350 °C erfolgen.

[0024] Da diese Verfahrensweisen und die dabei verwendeten Verfahrensparameter aus dem Stand der Technik bekannt sind, sei zur Vermeidung von Wiederholungen dazu auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

[0025] Das Zahnrad 1 wird durch eine entsprechende Auslegung der Pressform als Vorform mit einer Vorgeometrie hergestellt. Die Vorgeometrie weist in Hinblick auf die Innenverzahnung 2 eine von der Sollgeometrie abweichende Geometrie auf. Die Abweichungen werden vorgesehen, um aus der Vorgeometrie nach dem Sintern durch Verdichten der Oberfläche, d.h. einer Randzone beginnend an der Oberfläche der Innenverzahnung 2, die Sollgeometrie herzustellen.

[0026] Die Oberflächenverdichtung wird mit einem Walzwerkzeug 3 durchgeführt. Das Walzwerkzeug 3 weist eine Außenverzahnung 4 auf, die während des Walzens der Innenverzahnung 2 der Vorgeometrie mit dieser in kämmenden Eingriff steht. Dazu wird das Walzwerkzeug 3 der Innenverzahnung 2 zugestellt und gegen diese mit einem bestimmten, vordefinierbaren Anpressdruck gepresst. Der Anpressdruck richtet sich nach der Verdichtung der Randzone der Innenverzahnung, die erreicht werden soll. Es ist dabei auch möglich, dass das Walzwerkzeug während des Walzens relativ zum Zahnrad 1 nachgestellt wird. Es kann damit der Verringerung des Anpressdruckes des Walzwerkzeuges 3 aufgrund der Fortschreitenden Verdichtung der Innenverzahnung Rechnung getragen werden.

[0027] Für das Walzen der Innenverzahnung kann das Zahnrad 1 in einer entsprechenden Aufspannvorrichtung einer Walzmaschine aufgespannt und das Walzwerkzeug 3 danach eingeführt werden. Es kann entweder der Walzwerkzeug 3 oder das Zahnrad 1 angetrieben werden, d.h. in eine entsprechende Drehbewegung (Rotation) versetzt werden, und das Zahnrad 1 oder das Walzwerkzeug 3 läuft nach. Es ist aber auch möglich, dass sowohl das Zahnrad 1 als auch das Walzwerkzeug 3 angetrieben werden, wobei es in diesem Fall von Vorteil ist, wenn die beiden Antriebe miteinander synchronisiert werden. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass das Zahnrad 1 und das Walzwerkzeug 3 von einem einzigen Antrieb gemeinsam angetrieben werden. Daneben kann auch vorgesehen werden, dass eine ungleichförmige Drehbewegung des Zahnrades 1 in Bezug auf das Walzwerkzeug 3 bewusst zur Verdichtung der Innenverzahnung ausgenutzt wird.

[0028] In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen Zahn 5 der Innenverzahnung 2 des Zahnrades 1 (Fig. 1) dargestellt. Wie bereits erwähnt, wird für die Oberflächen- bzw. Randzonenverdichtung der Zähne 5 der Innenverzahnung 2 das Zahnrad 1 als Vorform mit einer Vorgeometrie hergestellt. Dazu ist vorgesehen, dass die Zähne 5 der Vorgeometrie in einer Höhe 6 von 5 % bis 35 % der gesamten Zahnhöhe 7, gemessen von den Zahnfüßen aus, mit einem Aufmaß a hergestellt werden. Die gesamte Zahnhöhe 7 bezieht sich dabei auf die auf die Höhe der Zähne 7 gemessen von einem Zahnfußkreis 8 aus bis zu einem Zahnkopfkreis 9 der Sollgeometrie der Zähne 5. Das Aufmaß a ist ein Abstand 10 zwischen einer Zahnflanke 11 der Vorgeometrie von der Zahnflanke 12 der Sollgeometrie.

[0029] Die weitere Ausgestaltung des Aufmaßes der Zähne 5 der Innenverzahnung 2 des Zahnrades 1 (Fig. 1) wird auf dieses Aufmaß a bezogen. So wird in Richtung auf den Zahnfußkreis 8 das Aufmaß auf einen Wert zwischen 0 bis 1,5 a, in halber Zahnhöhe das Aufmaß zwischen 0,7 a bis 3 a und im Zahnkopf das Aufmaß zwischen -1 a und 0,5 a eingestellt, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist.

[0030] Hinsichtlich der Festlegung der Bereiche der Zahnflanken, der Zahnköpfe und der Zahnfüße, des Zahnfusskreises, etc. sei auf die DIN 3998 in der zum Anmeldetag gegenständlicher Anmeldung gültigen Fassung verwiesen.

[0031] Es ist möglich, dass das Aufmaß erst beginnend ab einem Abstand 13 vom Zahnfußkreis 8 beginnend ausgebildet wird bzw. ist. Die Zahnfüße werden bei dieser Ausführungsvariante also ohne Aufmaß hergestellt. Der Abstand 13 kann dabei zwischen 1 % und 2 % der gesamten Zahnhöhe 7 betragen.

[0032] Es kann weiter vorgesehen sein, dass an den Zahnköpfen das Aufmaß Null beträgt, also die Zahnköpfe ohne Aufmaß ausgebildet werden. Es ist aber auch möglich, die Zahnköpfe mit negativem Aufmaß auszubilden, um damit eine Materialverdrängung in den Bereich der Zahnköpfe zu ermöglichen.

[0033] Das Aufmaß a kann generell einen Wert zwischen 0,05 mm und 0,5 mm annehmen.

[0034] Nach einer Verfahrensvariante kann vorgesehen werden, dass ausschließlich die Zahnflanken gewalzt werden. Es kann dabei gegebenenfalls auch vorgesehen sein, dass die Zahnköpfe mitgewalzt werden. Jedenfalls werden bei dieser Ausführungsvariante die Zahnfüße der Innenverzahnung 2 (Fig. 1) nicht mitgewalzt.

[0035] Es sei jedoch angemerkt, dass es im Rahmen des Verfahrens natürlich möglich ist, auch die Zahnfüße mitzuwalzen. Gewalzt wird jedenfalls zumindest ein Teil der Zahnflanken 11 der Zähne 5, wobei vorzugsweise beide Zahnflanken 11 pro Zahn 5 gewalzt werden. Insbesondere werden die Zahnflanken 11 der Zähne 5 zur Gänze gewalzt.

[0036] Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist das Walzwerkzeug 3 einen im Vergleich zum Innendurchmesser des Zahnrades 1 kleineren Außendurchmesser auf. Bevorzugt ist dabei nach einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens, wenn eine Anzahl an Zähnen 14 der Außenverzahnung 4 des Walzwerkzeugs 1 so bemessen wird, dass ein Zähnezahlverhältnis der Zähne 5, 14 von Zahnrad zu Walzwerkzeug zwischen 0,2 und 0,6 beträgt. Es kann damit der Überdeckungsgrad zwischen dem Walzwerkzeug 3 und dem Zahnrad 1 gering gehalten werden.

[0037] Die Außenverzahnung 4 des Walzwerkzeuges 1 kann jede Form aufweisen, abhängig von der Sollgeometrie der Innenverzahnung 2 des Zahnrades 1. Insbesondere kann die Außenverzahnung 4 auch eine Gerad- oder Schrägverzahnung sein.

[0038] Das Walzwerkzeug 1 kann in Art einer Spindel mit der Außenverzahnung 4 ausgeführt sein.

[0039] Es sind aber auch andere Walzwerkzeuge 1 einsetzbar. In Fig. 3 ist dazu eine spezielle Ausbildung eines Walzwerkzeugs 3 gezeigt. Bei dieser Ausführungsvariante weist zumindest ein Teil der Zähne 14 des Walzwerkzeuges 3 jeweils zumindest eine Freistellung 15 auf. Die Zähne 14 können über ihren Verlauf also zumindest eine Ausnehmung aufweisen.

[0040] Generell ist es möglich, dass alle Zähne 14 mit diesen Freistellungen 15 versehen sind.

[0041] Es ist aber nach einer Ausführungsvariante dazu auch möglich, dass zumindest ein Zahn 14 oder ein Teil der Zähne 14 als Glättzahn 16 oder Glättzähne 16 ausgebildet sind, diese also ohne Freistellungen 15 ausgeführt sind. Vorzugsweise weist die Außenverzahnung 4 mehrere Glättzähne 16 auf, die gleichmäßig über den Umfang der Außenverzahnung 4 verteilt angeordnet sind.

[0042] Nach dem Verfahren können Zahnräder 1 mit einer Innenverzahnung 2 mit Zähnen 5 hergestellt werden, wobei die Zähne 5 zumindest im Bereich von Zahnflanken 12 (Fig. 2) oberflächenverdichtet bzw. randzonenverdichtet sind, und wobei eine Schichtdicke 17 der oberflä-chenverdichten Bereiche über deren Verlauf entlang der Zahnflanken 12 um maximal ± 30 % variiert. Es ist damit gemeint, dass die Schichtdicke 17 der oberflächenverdichteten Bereiche entlang der Zahnflanken 12 um maximal 15 % von einer gemittelten Schichtdicke abweicht. Die gemittelte Schichtdicke wird als arithmetisches Mittel aus zumindest fünf voneinander gleich beabstandeten Messpunkten an einer Zahnflanke 12 bestimmt.

[0043] Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.

[0044] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Zahnrades 1 bzw. des Walzwerkzeuges 3 diese nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt wurden.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Zahnrad 2 Innenverzahnung 3 Walzwerkzeug 4 Außenverzahnung 5 Zahn 6 Höhe 7 Zahnhöhe 8 Zahnfußkreis 9 Zahnkopfkreis 10 Abstand 11 Zahnflanke 12 Zahnflanke 13 Abstand 14 Zahn 15 Freistellung 16 Glättzahn 17 Schichtdicke

Claims (6)

1. Ansprüche

   1. Verfahren zum Verdichten einer Innenverzahnung (2) eines pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrades (1) durch Walzen der Innenverzahnung (2) mit einem Walzwerkzeug (3), das eine Außenverzahnung (4) aufweist, wobei die Innenverzahnung (2) des Zahnrades (1) für das Walzen mit einer von der Endgeometrie der Zähne (5) der Innenverzahnung (2) abweichenden Vorgeometrie hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (5) der Vorgeometrie in einer Höhe von 5 % bis 35 % der gesamten Zahnhöhe, gemessen von den Zahnfüßen aus, mit einem Aufmaß a hergestellt werden, und dass in Richtung auf einen Zahnfußkreis (8) das Aufmaß auf einen Wert zwischen 0 bis 1,5 a, in halber Zahnhöhe das Aufmaß zwischen 0,7 a bis 3 a und im Zahnkopf das Aufmaß zwischen -1 a und 0,5 a eingestellt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Zahnflanken (11) und gegebenenfalls die Zahnköpfe gewalzt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Zähne (14) der Außenverzahnung (4) des Walzwerkzeugs (3) so bemessen wird, dass ein Zähnezahlverhältnis der Zähne (5, 14) von Zahnrad (1) zu Walzwerkzeug (3) zwischen 0,2 und 0,6 beträgt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Walzwerkzeug (3) eingesetzt wird, dessen Zähne (14) der Außenverzahnung (4) teilweise Freistellungen (15) aufweist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Walzwerkzeug (3) eingesetzt wird, das neben den Freistellungen (15) in den Zähnen (14) auch zumindest einen Glättzahn (16) ohne Freistellung (15) aufweist.
6. 6. Zahnrad (1) hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aus einem Sinterwerkstoff mit einer Innenverzahnung (2) mit Zähnen (5), wobei die Zähne (5) zumindest im Bereich von Zahnflanken (12) oberflächenverdichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (17) der Oberflächenverdichten Bereiche um maximal ± 30 % variiert. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen