AT394330B - Verfahren zum herstellen einer nockenwelle - Google Patents

Description

AT 394 330 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle aus einer Grundwelle und aus auf die Grundwelle mit radialem Spiel aufgeschobenen, aus einer Sinterpulvermischung vorgeformten Formteilen, die zunächst auf der Grundwelle durch formschlüssig in radiale Ausnehmungen der Grundwelle und der Form-teile eingreifende Halterungseinsätze positioniert und anschließend unter einem das radiale Spiel übersteigenden Schrumpfen mit flüssiger Phase gesintert werden.

Um einerseits der Forderung nach Nockenwellen mit einem vergleichsweise geringen Gewicht nachzukommen und anderseits die Herstellung solcher Nockenwellen zu vereinfachen, wurde bereits vorgeschlagen (DE-A-35 00 653), die Nocken, die Lageransätze und andere Formteile der Nockenwelle sintermetallurgisch herzustellen, auf eine stählerne, vorzugsweise hohle Grundwelle aufzuziehen und dann mit der Grundwelle durch ein Sintern mit flüssiger Phase zu verbinden. Die Winkellage der vorgesinterten Formteile, insbesondere der Nocken soll dabei durch einen Preßsitz gewährleistet werden, was nicht nur das Festlegen der genauen Winkellage erschwert, sondern auch die Gefahr mit sich bringt, daß sich der Preßsitz während des Sintervoiganges lockert und damit die eingestellte Winkellage verlorengeht.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bereits bekannt (DE-A-32 09 980), die vorgesinterten Formteile mit radialem Spiel auf die Grundwelle aufzuschieben und zur Positionierung der Formteile in der Grundwelle und in den Formteilen fluchtende Bohrungen vorzusehen, in die ein Rohr als Halterungseinsatz eingepreßt wird, das zur Schmiermittelzufuhr dient. Die auf die Grundwelle bezogene Winkellage der Formteile kann zwar über die Bohrungen für die Halterungseinsätze auf der Grundwelle mit hoher Genauigkeit festgelegt werden, doch ergeben sich Schwierigkeiten, die vorgesinterten Nocken nachträglich genau zu bohren. Außerdem bedarf es zum Bohren der Formteile einer ausreichenden Festigkeit dieser Formteile, was eine entsprechende Vorsinterung bedingt, so daß die bei der Vorsinterung auftretende Schrumpfung der Formteile nicht mehr für die Verbindung der losen Formteile mit der Grundwelle ausgenützt werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu vermeiden und ein Verfahren zum Herstellen von Nockenwellen der eingangs geschilderten Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, daß nicht nur eine genaue Positionierung der Formteile auf der Welle sichergestellt, sondern auch eine besonders gute Verbindung zwischen den Formteilen und der Grundwelle erreicht wird.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Ausnehmungen für die Halterungseinsätze beim Formpressen der Formteile in eine Stirnseite der Formteile eingepreßt werden und daß die Formteile auf die Grundwelle bis zum Eingriff der jeweils vorher radial in die Grundwelle eingesetzten Halterungseinsätze in die Ausnehmungen der Formteile aufgeschoben werden, bevor die vorzugsweise auf den Halterungseinsätzen der stehenden Grundwelle aufliegenden Formteile mit flüssiger Phase gesintert werden.

Da zufolge dieser Maßnahmen die Ausnehmungen für die Halterungseinsätze beim Formpressen in die Formteile eingepreßt werden, hängt die Lagegenauigkeit dieser Ausnehmungen nicht von einer nachträglichen Bearbeitung der Formteile, sondern von der Genauigkeit der Preßformen ab, so daß im Zusammenhang mit der genau bohrbaren Grundwelle besonders vorteilhafte Voraussetzungen für eine Serienherstellung von Nockenwellen unter hohen Genauigkeitsanforderungen gegeben sind. Dazu kommt noch, daß wegen des Wegfalls einer zusätzlichen Bearbeitung der Formteile vor dem Aufbringen auf die Grundwelle eine Vorsinterung mit dem Vorteil entfallen kann, daß die beim Sintern der Formteile auftretende Gesamtschrumpfung für die Verbindung zwischen den Formteilen und der Grundwelle ausgenützt werden kann. Dies bedeutet zunächst, daß zwischen den Formteilen und der Grundwelle eine bessere Verbindung zufolge des erreichbaren Überdeckungsgrades möglich wird, also jenes Maßes, um das der Innendurchmesser eines für sich ohne Grundwelle gesinterten Formteiles kleiner als der Außendurchmesser der Grundwelle ist. Für einen vorgegebenen Überdeckungsgrad kann somit ein Werkstoff eingesetzt werden, der gegenüber dem vergleichbaren Stand der Technik ein geringeres Schwindungsmaß aufweist. Bei vergleichbarem Schwindungsmaß kann das radiale Spiel zwischen den Formteilen und der Grundwelle entsprechend größer gewählt werden, was sich auf die erforderliche Oberflächenqualität der Welle unmittelbar auswirkt.

Die stimseitig eingepreßten Ausnehmungen in den Formteilen gewährleisten eine besonders einfache und genaue Positionierung der Formteile auf der Grundwelle, weil ja die Formteile lediglich auf die Grundwelle aufgeschoben werden müssen, bis die vorher in die Grundwelle eingesetzten Halterungseinsätze in die Ausnehmungen der Formteile eingreifen, womit nicht nur die axiale Lage der Formteile auf der Welle, sondern auch deren Winkellage eindeutig festgelegt wird. Die Anschlagstellung der Formteile bedingt allerdings, daß die Halterungseinsätze erst in die radialen Ausnehmungen der Grundwelle eingesetzt werden können, wenn der in Aufschubrichtung vorangestellte Nockenteil auf die Grundwelle aufgeschoben ist. Werden die Formteile bei stehender Grundwelle gesintert, wobei die Halterungseinsätze Auflagen für die Formteile bilden, so wird einerseits die Gefahr einer axialen Verlagerung der Formteile ausgeschlossen und anderseits eine Biegebeanspruchung der Grundwelle während des Sintervorganges mit dem erheblichen Vorteil vermieden, daß kein Durchhang der Nockenwelle zu befürchten ist. Bei einer geeigneten Unterstützung der Grundwelle könnte allerdings der Sintervorgang in herkömmlicher Weise bei liegender Welle durchgeführt werden.

Zur Unterstützung des formschlüssigen Eingriffes der radial aus der Grundwelle vorragenden Halterungseinsätze in die stimseitigen Ausnehmungen der Formteile können die Ausnehmungen so eingepreßt werden, daß sie in den Formteilen zu einer axialen Ebene symmetrische Zentrierflächen für die Halterungseinsätze bilden, so daß beim Aufschieben der Formteile auf die Grundwelle durch das Eingreifen der Halterungseinsätze in die stimseiti- -2- 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

AT 394 330 B gen Ausnehmungen der Formteile eine selbsttätige Zentrierung auftritc. In diesem Zusammenhang ergeben sich besonders vorteilhafte Verhältnisse, wenn Ausnehmungen mit einem U-förmigen Querschnitt eingepreßt werden, der an den Querschnitt der Halterungseinsätze, üblicherweise Halterungsstifte, angepaßt ist Um die spielfreie Aufnahme der Halterungsstifle in den radialen Ausnehmungen der Grundwelle sicherzustellen, können die Halterungsstifte konisch ausgebildet sein. Bei Formteilen, die mit einem vergleichsweise geringen Spiel auf die Grundwelle aufgeschoben werden, reicht ein einziger Halterungseinsatz aus, um einen Formteil bei stehender Grundwelle in einer achsnormalen Ausrichtung zu halten, zumal ja beim Schrumpfen des Formteiles geringfügige Verkantungen rückgängig gemacht werden. Bei größeren Radialspielen muß allerdings für eine zusätzliche, ein Verkanten der Formteile auf der stehenden Welle verhindernde Abstützung gesorgt werden. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, die Formteile auf wenigstens drei in die Grundwelle eingesetzten Halterungsstücken während des Sintervorganges aufzulegen, von denen eines als Halterungseinsatz formschlüssig in eine Ausnehmung des jeweiligen Formteiles eingreift, während die anderen Halterungsstücke gegenüber dem Formteil Bewegungsspiel in Umfangsrichtung aufweisen. Durch diese Maßnahme wird einerseits ein unzulässiges Verkanten der Formteile auf der stehenden Welle unterbunden und anderseits eine genaue Positionierung sichergestellt, weil wegen des Bewegungsspiels der Halterungsstücke mit Ausnahme des Halterungseinsatzes eine Überbestimmung der Winkellage ausgeschlossen ist. Um die Halterungsstücke in einer Axialebene anordnen zu können, sind für alle Halterungsstücke stimseidge Ausnehmungen in den Formteilen vorzusehen, allerdings unter Berücksichtigung des geforderten Bewegungsspieles in Umfangsrichtung. An Hand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Grundwelle für eine erfindungsgemäß herzustellende Nockenwelle in einer Seitenansicht, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie CD-Π) der Fig. 1, Fig. 3 einen vorgeformten Nocken für die Grundwelle in einer stimseitigen Ansicht, Fig. 4 diesen Nocken in einem Schnitt nach der Linie (IV-IV) der Fig. 3, Fig. 5 einen Schnitt durch die Grundwelle nach der Linie (V-V) der Fig. 1, Fig. 6 einen vorgeformten Nocken für die Grundwelle im Bereich des Schnittes (V-V) in einer gegenüber dem Schnitt (V-V) um 90° gedrehten Stimansicht, Fig. 7 einen Schnitt durch den Nocken nach der Fig. 6 entsprechend der Linie (VD-VII), Fig. 8 eine in einen Drehtisch eingesetzte, stehende Grundwelle mit zum Teil aufgeschobenen Formteilen in einer Seitenansicht und Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie (IX-IX) der Fig. 8. Zur Fertigung einer Nockenwelle mit sintermetallurgisch hergestellten Formteilen (1) werden die aus einer Sinterpulvermischung gepreßten Formteile (1) auf eine Grundwelle (2) mit radialem Spiel aufgeschoben, positioniert und dann mit flüssiger Phase gesintert. Zur Positionierung der Formteile (1) werden stiftförmige Halterungseinsätze (3) verwendet, die in radiale Ausnehmungen (4) der Grundwelle (2) spielfrei eingesetzt werden und formschlüssig in stimseitige Ausnehmungen (5) der Formteile (1) eingreifen. Die Formteile (1) werden zu diesem Zweck auf die Grundwelle (2) aufgeschoben, bis die Halterungseinsätze (3) in die Ausnehmungen (5) eingreifen. Zusätzlich zu den Halterungseinsätzen (3) können noch Halterungsstücke (6) vorgesehen werden, um bei stehender Grundwelle (2) eine achsnormale Lage der Formteile (1) auch bei größeren Radialspielen sicherzustellen. Diese zusätzlichen, ebenfalls stiftförmigen Halterungsstücke (6) sind mit den Halterungseinsätzen (3) in einer gemeinsamen achsnormalen Ebene angeordnet, wie dies insbesondere die Fig. 2 erkennen läßt. Diese Halterungsstücke (6) greifen jedoch nicht formschlüssig in die zugehörigen stimseitigen Ausnehmungen (7) der Formteile (1) ein, sondern weisen innerhalb dieser Ausnehmungen (7) ein Bewegungsspiel in Umfangsrichtung auf, um die Winkellage der Formteile (1) ausschließlich über die Halterungseinsätze (5) festzulegen. Aus der Fig. 3 kann ersehen werden, daß die Ausnehmungen (7) eine entsprechend größere Breite als die Ausnehmung (5) haben. Ist aufgrund eines geringen Radialspieles keine unzulässige Verkantung der Formteile (1) auf der stehenden Grundwelle zu befürchten, so kann auf die zusätzlichen Halterangsstücke (6) verzichtet werden, wie dies in den Fig. 5 bis 7 dargestellt ist. Um ein spielfreies Eingreifen der Halterungseinsätze (3) in die stimseitigen Ausnehmungen (5) der Formteile (1) zu erleichtern, können die Ausnehmungen (3) zu einer Axialebene symmetrische Zentrierflächen für die Halterangseinsätze (3) bilden, wie dies bei einem U-förmigen Ausnehmungsquerschnitt der Fall ist. Sollen die Halterangseinsätze (3) innerhalb der Stirnflächen der Formteile (1) liegen, so müssen die Ausnehmungen (5) eine den Durchmesser der Halterungseinsätze (3) übersteigende Tiefe aufweisen, um die axiale Schwindung der Formteile (1) berücksichtigen zu können. Gleiches gilt auch hinsichtlich der Länge der Ausnehmungen in den Formteilen (1). Gemäß der Fig. 8 wird zur Herstellung einer Nockenwelle die vorbereitete Grundwelle (2) in einem Drehtisch (8) mit vertikaler Drehachse eingesetzt, um die mit der Grandwelle zu verbindenden Formteile auf die stehende Grundwelle (2) auffädeln zu können. Zu diesem Zweck wird zunächst der auf der stehenden Welle unterste Formteil (1), beispielsweise ein Lagerring, auf die Grandwelle (2) aufgeschoben, bis der vorher in die Grund- -3- 60 0

AT 394 330 B welle (2) eingesetzte unterste Halterungseinsatz (3) in die stirnseitige Ausnehmung (5) dieses Formteiles (1) formschlüssig eingreifL Danach kann der Halterungseinsatz (3) für den nach oben anschließenden Formteil (1), beispielsweise einen Nocken, in die hiefür vorgesehene Ausnehmung (4) in der Grundwelle (2) eingesetzt und der Formteil auf die Grundwelle (2) aufgeschoben werden, wobei jedoch die Winkellage des Formteiles zu berücksichtigen ist Werden die Formteile einheitlich ausgerichtet der Grundwelle (2) zugeführt, so kann die Grundwelle (2) über den Drehtisch (8) in die entsprechende Winkelstellung gedreht werden, um den Formteil lagerichtig aufzunehmen. In Fig. 9 ist der Winkelschritt α zwischen zwei aufeinanderfolgenden Drehstellungen zur Aufnahme aufeinanderfolgender Formteile (1) angedeutet. Daraus läßt sich auch ohne weiteres erkennen, daß die Drehverstellung der Grundwelle mit Hilfe des Drehtisches (8) vorteilhaft dazu ausgenützt werden kann, die Ausnehmungen (4) zum Einsetzen der Halterungseinsätze (3) lagerichtig zu bohren.

Nach dem aufeinanderfolgenden Aufschieben der einzelnen Formteile kann dann entsprechend Fig. 8 der oberste Lagerring aufgeschoben werden, bevor die so vorbereitete Nockenwelle einem Sintervorgang mit flüssiger Phase unterworfen wird, die eine feste metallische Verbindung zwischen den Formteilen (1) und der Grundwelle (2) bewirkt, da ja die Formteile (1) beim Sintern eine Schrumpfung in einem Ausmaß erfahren, das das Radialspiel erheblich übersteigen kann.

Das Schwindungsmaß hängt von der für die Formteile (1) eingesetzten Sinterpulvermischung, einem legierten Eisenpulver, ab und beträgt im allgemeinen 1 bis 6 %. Diese Sinterpulvermischung kann außerdem bis zu 20 Gew. % Bronze enthalten, die nicht nur eine Verbesserung der Gleiteigenschaften der Formteile mit sich bringt, sondern auch ein Verlöten der Formteile mit der Grundwelle bedingt, wenn beim Sintern der Dampfdruck des Kupfers unterschritten wird. Die für die Formteile gewählte Pulvermischung wird unter gleichzeitiger Einpressung der Ausnehmungen (5) und (7) für die Halterungseinsätze (3) bzw. die Halterungsstücke (6) zu den Formteilen (1) verpreßt, und zwar mit einer Preßdichte von 6,5 bis 6,7 g/cnA Diese Preßdichte erlaubt eine ausreichende Grünfestigkeit für die nachfolgende Handhabung, ohne eine Vorsinterung anwenden zu müssen, ln besonderen Fällen kann zwar dem Formpressen ein Sintervorgang zur Erhöhung der Grünfestigkeit angeschlossen werden, doch muß dann darauf besonders geachtet werden, daß beim Sintervorgang die Schwindung in Grenzen bleibt, um die wesentliche Schrumpfung der Formteile während der Hauptsinterung nicht merklich vorwegzunehmen.

In einem Ausführungsbeispiel wurde für die Formteile (1) ein mit 6 Gew. % Molybdän legiertes Eisenpulver eingesetzt, dem 2,8 Gew. % eines 16%igen Ferrophosphorpulvers, 1,85 Gew. % Graphit und 0,8 Gew. % Wachs als Gleitmittel zugemischt wurden. Aus dieser Sinterpulvermischung wurden Nocken gepreßt, deren Gründichte 6,5 g/cm^ betrug. Diese Formteile wurden entsprechend der Darstellung nach Fig. 8 auf eine Grundwelle aus Stahl St 58 aufgeschoben, deren Mantelfläche geschliffen war. Der Außendurchmesser der Grundwelle, deren Wandstärke 5 mm betrug, wurde mit 25,0 mm gemessen. Der Innendurchmesser der Nocken betrug 25,1 mm, so daß die Nocken problemlos auf die Stahlwelle aufgeschoben werden konnten. Nach der erfindungsgemäßen Positionierung der Formteile auf stiftförmigen Halterungseinsätzen mit einem Durchmesser von 2,5 mm wurde die so gefügte Nockenwelle stehend in einem Vakuumofen bei einer Sintertemperatur von 1060 °C während einer Zeit von zwei Stunden gesintert, wobei die Temperaturabweichungen im Ofen mit ± 5 °C gemessen wurden. Der

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Sinterdruck im Ofen betrug 4.10 mb. Im Anschluß an den Sintervorgang wurde die Nockenwelle auf 900 °C langsam abgekühlt und dann zur Härtung unter Stickstoff abgeschreckt Nach einem Anlaßvorgang bei 550 °C konnte für die Welle eine Härte HRC 51 ± 1 festgestellt werden. Die maximale Durchbiegung der 500 mm langen, gesinterten Nockenwelle war wegen der stehenden Anordnung während des Sintervorganges kleiner als 0,1 mm. Die metallurgischen Untersuchungen haben ergeben, daß nach dem Flüssigphasensintem eine vollkommene metallische Verbindung zwischen den Formteilen und der Grundwelle durch Diffusion gegeben war. Die freie Schwindung der Formteile wurde mit 5,3 % ermittelt, so daß ein Überdeckungsgrad von 1,23 mm erreicht wurde. Dieser vergleichsweise große Überdeckungsgrad bedingte einen sicheren Schrumpfsitz der Formteile auf der Grundwelle, wobei aufgrund der der Schrumpfung entgegenstehenden Wirkung der Grundwelle die flüssige Phase eine Verdichtung der Formteile ergab. Die Sinterdichte wurde mit 7,7 g/cm^ ermittelt. Die Torsionsfestigkeit der Verbindung zwischen den Formteilen und der Grundwelle konnte nicht bestimmt werden, weil die Torsionsfestigkeit der Welle kleiner als die der Verbindung war.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wurde von einem mit 18 Gew. % Cr legierten Eisenpulver ausgegangen, dem 3,44 Gew. % eines 16%igen Ferrophosphorpulvers, 2,40 Gew. % Graphit, 17,0 Gew. % Elektrolytkupfer, 1,2 Gew. % Zinnpulver, 0,8 Gew. % Molybdän und 0,5 Gew. % Wachs als Gleitmittel zugemischt wurden, um aus dieser Pulvermischung Formteile für eine Nockenwelle mit einer Preßdichte von 6,6 g/cm zu pressen. Der Bohrungsdurchmesser der Formteile betrug 31,0 mm, die axiale Nockenbreite 15,0 mm. Der Außendurchmesser der hohlen Grundwelle (Wanddicke 5 mm) aus einem Stahl St 58 wurde mit 29,95 mm berechnet, damit bei einer freien Schwindung von 5 % ein Übeideckungsgrad von 0,5 mm sichergestellt werden konnte. Die auf die Grundwelle aufgeschobenen Formteile wurden bei stehender Grundwelle in einem Vakuumofen bei 1085 °C während einer Zeit von zwei Stunden gesintert und im selben Ofen gehärtet, und zwar bei einer Härtetemperatur von 1050 °C. Nach einem Anlassen bei 550 °C während einer Zeit von zwei Stunden konnte eine Härte HRC 50 ± 1 festgestellt werden. Die maximale Durchbiegung der 500 mm langen Welle wurde mit -4-

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1. AT394 330 B 0,14 mm gemessen. Die metallurgischen Untersuchungen ergaben neben einer metallischen Verbindung der Grundwelle mit den Formteilen durch Diffusion eine zusätzliche Lötung durch die flüssige Bronzephase während des Sintems. Die Dichte der Formteile betrug 7,63 g/cnA Die Torsionfestigkeit der Verbindung war größer als die da-Welle. PATENTANSPRÜCHE 10 1. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle aus einer Grundwelle und aus auf die Grundwelle mit radialem 15 Spiel aufgeschobenen, aus einer Sinterpulvermischung vorgeformten Formteilen, die zunächst auf der Grundwelle durch formschlüssig in radiale Ausnehmungen der Grundwelle und der Formteile eingreifende Halterungseinsätze positioniert und anschließend unter einem das radiale Spiel übersteigenden Schrumpfen mit flüssiger Phase gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen für die Halterungseinsätze beim Form-pressen der Formteile in eine Stirnseite der Formteile eingepreßt werden und daß die Formteile auf die Grundwelle 20 bis zum Eingriff der jeweils vorher radial in die Grundwelle eingesetzten Halterungseinsätze in die Ausnehmungen der Formteile aufgeschoben werden, bevor die vorzugsweise auf den Halterungseinsätzen der stehenden Grundwelle aufliegenden Formteile mit flüssiger Phase gesintert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen so eingepreßt werden, daß 25 sie in den Formteilen zu einer Axialebene symmetrische Zentrierflächen für die Halterungseinsätze bilden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ausnehmungen mit einem U-förmigen Querschnitt eingepreßt werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile auf wenigstens drei in die Grundwelle eingesetzten Halterungsstücken während des Sintervorganges aufliegen, von denen eines als Halterungseinsatz formschlüssig in eine Ausnehmung des jeweiligen Formteiles eingreift, während die anderen Halterungsstücke gegenüber den Formteilen Bewegungsspiel in Umfangsrichtung aufweisen. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 35