CN101193717B - 用被表面致密的烧结材料制成的啮合齿的硬度和粗糙度 - Google Patents

用被表面致密的烧结材料制成的啮合齿的硬度和粗糙度 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用致密化的烧结材料制造啮合齿的方法和一种这样的啮合齿，其中采用迭代获得的数据将预致密的齿坯至少在一个区域上致密加工到其最终形状，和使该区域上的粗糙度与毛坯相比至少提高400％并且将表面硬度调节为至130少HB。

Description

用被表面致密的烧结材料制成的啮合齿的硬度和粗糙度
本发明涉及一种用于制造至少部分地被表面致密的金属的啮合式元件的方法以及所属的装置，其中该啮合式元件具有被致密的烧结材料。
烧结的啮合式元件如例如以粉末冶金方式制造的齿轮在广泛的领域中使用。与例如用钢制成的常规锻造材料相比，烧结的材料一般具有较小的密度。因此被烧结的工件的表面致密是人们所希望的。
本发明的任务是，实现对具有烧结材料的金属的啮合式元件的改进。
该任务通过通过权利要求1所述的方法解决，在该方法中，采用迭代获得的数据将预致密的齿坯至少在一个区域上致密加工到其最终形状，通过具有权利要求3的特征的啮合齿，通过具有权利要求8的特征的计算机程序产品和具有权利要求的9特征的机器解决。有利的实施例和扩展方案在各个从属权利要求中给出。在说明书中各给出的特征可以一般地以及特定地与其它特征一起结合成扩展方案。尤其是所给出的具有它们各自的特征的示例不是限制性的设计。这里给出的特征而是也可以与其它示例中的或者一般说明中的其它特征相结合。
按照本发明的一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，建议一种用于制造由被致密的烧结材料制成的啮合齿的方法，其中被预致密的齿坯在至少一个区域中借助于迭代地求得的数据被致密到它的最终形状，和在该区域中的粗糙度相对于毛坯改善了至少400％，其中表面硬度被调节到至少130HB。优选调节到至少具有7.3g/cm3的密度的最终形状的核心密度和形成具有从最终形状的表面到中心方向上的凸形的变化曲线的表面硬度。
由被预致密的材料制成的啮合齿在一个第一被表面致密的区域中具有的粗糙度比在一个被很少或者完全没有被表面致密的第二区域中的粗糙度小至少400％。粗糙度Rz例如在第一区域为小于1μm。另一个实施例规定，在最终形状的表面上的表面硬度具有至少700HV[0.3]，而在表面的0.4mm的深度下至少具有500HV[0.3]的硬度。另一个实施例在齿面的表面上和在齿根中具有至少700HV[0.3]的表面硬度，其中至少500HV[0.3]的硬度处于齿根中的表面的0.6mm的深度上和至少500HV[0.3]的硬度处于齿面上的表面的0.8mm的深度上。通过制造表面致密使得能够相应于希望的预先规定按照目标地调节出精确的致密以及硬化成为可能。
在一种用于制造至少部分地表面硬化的金属的啮合式元件的方法的扩展方案中，该啮合式元件具有被致密的烧结材料，制造具有局部选择的加工余量的啮合式元件的毛坯和借助于至少一个滚轧刀具将毛坯滚轧到最终尺寸，其中至少在啮合式元件的一个齿的至少一个齿面和/或一个齿根的区域中在一个表面上局部变化地致密该啮合式元件以产生一个被致密的表层。
其中啮合式元件例如是齿轮，齿条，凸轮，P-转子，齿环，链齿轮或类似物。被致密的烧结材料尤其采用粉末冶金方法制造。例如金属粉末在压力下结合热处理进行烧结。此外例如金属粉末与塑料结合地注塑以及尤其是在压力下优选结合热处理进行烧结。为了烧结工件的成形尤其使用烧结模具，该模具具有要制造的啮合式元件的至少大致的最终尺寸。作为毛坯优选使用直接从烧结加工中产生的工件。但是在另一种变型中，也可以附加地连接至少另一个表面加工步骤。毛坯此时具有加工余量，其可以理解为与最终尺寸的差值，其中该差值优选逐点地垂直于表面进行限定。
作为滚轧刀具例如使用配置有啮合齿的滚子，其啮合齿可以与啮合式元件的啮合齿啮合。这种滚轧刀具尤其是在压力下在啮合式元件的表面上滚动。优选地，尤其是同时使用两个或更多个这种滚轧刀具。例如要制造的齿轮可以布置在两个滚轧刀具之间的中部。随后通过两个滚轧刀具的进给可以产生啮合齿的烧结材料的表面致密。一般地，这种制造方法例如来自Takeya等的“烧结齿轮的表面滚轧”，SAE1982世界大会，技术论文820234。也从DE3325037，US4,059,879，EP0552272A1，EP1268102A1，US5,729,822，US5,711,187，US5,884,527，US5,754,937，US6,193,927，EP0600421A1，GB2,250,227中分别得到各种制造方法，烧结材料，刀具，致密的过程和用于烧结的啮合齿的装置，它们同样可以与本发明适应性地利用。相应于本公开的范围参见上面的文献。
例如也可以采用一个第一滚轧刀具在第一压力下基本上进行粗轮廓滚轧和接着采用一个第二滚轧刀具在第二压力下到达按照目标要调节的表面致密。
局部选择的加工余量尤其是这样地设定，使得至少在啮合式元件的一个齿的至少一个齿面和/或一个齿根的区域中在一个表面上的表层中局部变化地致密该啮合式元件。优选在被致密的表层内达到全密度，其中全密度优选相对于可以比较的粉末锻造的齿的密度的来理解。例如由烧结材料制成的毛坯在核心处具有的密度为至少6.8g/cm3，优选至少7.1g/cm3和尤其是至少7.3g/cm3。在被致密的表层中毛坯例如具有的密度为至少7.7g/cm3，优选至少7.8g/cm3，其对应于相同材料的粉末锻造的毛坯的密度。此时特别有利地实现与负荷相适应的强度变化曲线。此外通过局部可变化的和与负荷相适应的密度变化曲线优选提供一种可以承受高负荷的烧结的啮合齿。与较小负荷的直接相邻的区域相比，密度变化曲线可以尤其是在承受较高负荷的区域中具有在较大的区域上的较大的密度级。借助于优化的加工余量的确定，这样制造的啮合齿也可以在很少的几个加工步骤中经济地制造。
按照一个实施例通过不同的加工余量沿着毛坯的齿面和/或齿根一同产生各不同地被致密的表层。例如规定，被致密的表层的深度，分别从垂直于表面方向看，在大约最大负荷的地方显示密度的最大值。这可以例如位于齿的一半高度上和分别朝着齿顶和齿根连续地减小到零。尤其是为了避免点蚀例如规定，在基圆以下的20％和30％之间，尤其是在23％和25％之间的区域中调节烧结材料中的特别高的致密。但是也可以规定其它的变化曲线。尤其是在设计致密变化曲线时在啮合式元件的按照使用的应用目的上考虑在啮合式元件的齿面上的力的变化曲线。例如为此考虑在变速器中的齿轮的齿上出现的力和考虑由此产生的在表面下面的比较应力变化曲线。这种方法也可以在其它啮合齿中应用。
特别有利的是将齿的第一齿面上的加工余量选择得与齿的第二齿面上的不同。此时在啮合式元件的按照使用的应用目的上考虑尤其是力的传递方向。对于变速器中的齿轮，为此例如考虑，依据某个转动方向，沿着转动方向而不是逆着转动方向在齿面上出现其它的力。此外可以补偿由于滚轧刀具的转动方向引起的不同的致密。优选这样选择加工余量使得在致密加工之后沿着第一齿面和第二齿面产生相同的致密变化曲线。
例如为了避免在齿根或齿底区域中的应力裂纹，也考虑在该区域中设置局部被致密的表面层。特别有利的是，在齿根中选择不对称的加工余量。例如左齿根区域具有与右齿根不同的致密深度。尤其是可以通过加工余量的相应的变化分别在两个齿之间提供表层的深度的优选连续的变化。
优选地，在啮合齿的实施例中，不同的、尤其是不对称的加工余量不仅针对于一个齿面，而且优选针对于两个相互相对的齿面进行设置。附加地，在齿根中设置不同的加工余量，其优选是不对称的。啮合齿的齿面和齿根也可以是各不对称的。作为加工余量此时不仅仅是理解为供使用的附加的材料。相反尺寸不足也同样属于加工余量。此时应该理解的是，在一个区域中设置的烧结材料少于相对于在一个加工步骤之后的最终轮廓必须设置的烧结材料。求得的尺寸不足例如保证了在挤移烧结材料时不形成不希望有的隆起。该尺寸不足因此是带有啮合齿的毛坯的一个尤其是通过挤移烧结材料要填充的区域。
此外存在可能性，即在啮合齿的齿上设置不同的啮合角。因此齿的一个齿面的啮合角可与齿的另一个齿面的啮合角相差至少15％。
在一个实施例中规定，在齿的第一齿面的表面下面至少20μm处产生比在相同的高度上的齿的第二齿面上高2％，直到至少高15％的密度。优选在齿的第一齿面上实现的密度至少大约对应于为粉末锻造的啮合式元件所实现的密度，相反第二齿面具有较小的密度。例如在一个齿面上密度在7.2g/cm3和7.7g/cm3之间的范围中进行调节，而在第二齿面的相应的区域中密度在7.5g/cm3和7.82g/cm3之间进行调节。尤其是由此又考虑了两个齿面的例如与转动方向相关的不同的负荷。优选此时实现符合要求的弹性和硬度变化曲线。进一步优选地，由此减小例如在变速器中的噪音的增长。
此外规定在齿的第一齿面上的局部加工余量选择得比在相同的高度上的齿的第二齿面上的加工余量大至少10％。在一个第一变型中由此例如实现，由于在致密加工时依据转动方向施加不同的压力而在第一齿面和第二齿面上实现相同的致密变化曲线。在另一个变型中例如在第一齿面和第二齿面上实现不同的致密变化曲线。此时尤其是可以按照目标调节不同的最大密度，它们的深度以及它们的相对于啮合齿的高度所处的位置。
特别合适的是，最大局部加工余量的数值为至少15μm，优选至少100μm和特别优选至少400μm。当毛坯的密度在7.2g/cm3和7.5g/cm3之间的范围中时，优选最大加工余量设置在20μm和150μm之间。当毛坯密度在6.7g/cm3和7.2g/cm3之间时，优选使用在50μm和500μm之间的最大加工余量。加工余量此时也可以在局部上是负的，其中例如考虑材料的横向分布。横向分布可以通过由于滚轧过程产生的材料流动来实现。尤其是可以设置至少在局部上负的加工余量，其局部地低于最终尺寸。负的加工余量为优选最大100μm。按照一个实施例，最大负的加工余量小于50μm和尤其是小于20μm。尤其是最大负的加工余量在100μm和20μm之间的范围中。优选地实现一种致密，其至少在啮合齿的齿面的一个区域中到达在1mm和1.5mm之间的深度。相反在齿根中的致密可以较小。按照一个实施例，齿面的致密的最大深度比所属的齿根的区域中的致密的最大深度至少大6倍。这能够使得啮合齿一方面具有足够的强度，另一方面也具有一定的可变形性。由此避免断齿。
在方法的一个实施例中规定，毛坯和滚轧刀具相互在对方上滚动，直到在由此制造的啮合式元件和滚轧刀具之间产生最终的形状成形的运动为止。这例如用于制造相互啮合的齿轮。优选地，在滚轧刀具的滚动过程期间减小在滚轧刀具和毛坯之间的间距。相应地，为此尤其是对滚轧压力进行调节或适配。除了对力的控制的可能性以外还可以实施对机器的行程的控制。此外存在可能性，即在制造啮合齿时设置对力和行程的控制的组合。此时也可以在制造的一个阶段上进行纯粹的行程控制和在制造的另一个阶段上进行纯粹的力控制。它们也可以多次交替地进行。
在另一个实施例中规定，借助于在毛坯和滚轧刀具之间的滚轧运动形成摆线形的和/或渐开线形的啮合齿。
除了在齿轮意义下的啮合式元件以外还可以制造其它啮合式元件。例如规定，制造凸轮作为啮合式元件。尤其是可以制造一种凸轮，如它被例如用于机械操作调节装置，例如用于调节阀门或类似物。优选通过表层的局部变化的致密在凸轮的齿面上提供改进的具有磨损性较小的强度变化曲线。
表面硬化的进一步的改善尤其是可以这样地实现，即用于制造至少部分地被表面致密的金属啮合式元件的方法包括热的和/或化学的表面硬化处理。
在一个第一变型中，作为热的和/或化学的硬化处理例如使用渗物式表面硬化。优选地，此时除了提高硬度以外还实现了应力的减小。在另一个变型中例如使用碳氮共渗工艺。此外可以使用渗氮或渗氮碳硼工艺以及渗硼工艺。尤其是在这些工艺中结合热处理同样实现应力的减小。通过调节主要的压力同样可以影响硬化。例如可以调节真空度，尤其是当进行渗物式表面硬化时。也还存在感应硬化的可能性。
按照一个实施例只是部分地实施硬化，例如只是在啮合齿的区域中进行。
在一个优选的变型中规定，用于制造至少部分地表面硬化的具有被致密的烧结材料的金属的啮合式元件的方法包括步骤“冷态或热态挤压，烧结，整体和表面致密滚轧以及渗物式表面硬化”。例如首先在一个模具中进行金属粉末的冷态挤压，该模具具有至少大约为要制造的啮合式元件的最终尺寸。在一个第二步骤中例如在热作用下和在有或者没有压力作用下进行烧结加工。优选之后接着借助于滚子进行整体和表面致密。如已经在前面提及的，优选同时借助于至少两个滚轧刀具进行实体和表面致密滚轧。接着可以最后进行硬化，尤其是渗物式表面硬化，其可以使表面得到进一步的硬化。
其它可能的方法步骤或方法过程以及对工件的详细的说明在下面通过举例给出。但是该方法步骤也可以用其它的材料和达到的密度值实施。可以使用的烧结材料可如下地一般在本发明的范围内利用，其中例如给出的可以使用的材料有：
-混合的粉末(admixed powders)：例如铁粉末与其它优选基本元素粉末混合。例如：
Ancorsteel 1000+1.5-3.5重量％Cu+0.6-1.1重量％石墨+0.5-1.2重量％润滑剂
Ancorsteel 1000B+1.5-2.2重量％Ni+04-0.9重量％石墨+0.6-1.1重量％润滑剂
-部分合金的粉末(partially alloyed，扩散合金的粉末)：一种粉末，其中一种或多种合金成分以冶金方式与基本元素粉末或预合金的粉末结合。例如：Distaloy AB，Distaloy 4600A，Distaloy AE，Distaloy4800A；
-预合金的粉末(pre-alloyed powders)：两个或更多元素构成的粉末，这些元素在粉末制造期间被合金处理，其中粉末颗粒被相同地分布。例如：Ancorsteel 4600V，Ancorsteel 2000，Ancorsteel 86，Ancorsteel150HP；
-混合合金(hybrid alloy)：预合金的或部分合金的粉末与基本元素的或铁合金的添加物混合，以获得希望的材料组合。例如：
Ancorsteel 85P+1.5-2.5重量％Ni+0.4-0.8重量％石墨+0.55-1.1重量％润滑剂；
Distaloy AE+1.5-2.5重量％Ni+0.4-0.8重量％石墨+0.55-0.95润滑剂；
Ancorsteel 85HP+1.1-1.6重量％FeMn+0.35-0.65重量％石墨+0.6-0.95润滑剂。
1.工件具有在6.5和7.5g/cm3之间的核心密度。表面密度为大于7.5g/cm3。最大密度在直到0.1mm的深度范围上产生。
毛坯的原始材料是烧结金属粉末，尤其是预合金的材料、部分合金的材料或混合合金。
用预合金的材料进行冷压，在1100℃和1150℃之间的温度范围中烧结，表面致密加工，表面硬化和接着的磨削，以实现带有啮合齿的工件的最终形状。
用部分合金的金属的烧结材料进行在50℃和80℃之间的范围的挤压温度下的热压，优选在1250℃和1280℃之间的范围中的高温烧结，表面致密加工，接着的真空表面硬化和珩磨，以实现带有啮合齿的工件的最终形状。
用具有混合合金的烧结材料进行热压，其中粉末和刀具优选是加热的。优选地它们在120℃和150℃之间的范围中被加热。接着进行烧结步骤，例如高温烧结，表面致密加工和接着感应硬度。后处理例如可以取消。
2.毛坯是粉末锻造的。该毛坯至少部分地在齿面和/或齿根的区域中被表面致密。工件的核心密度位于5.7g/cm3和7.7g/cm3之间。在区域的表面密度为大于7.8g/cm3，其中优选在该区域中所有在该表面上留下的孔隙都被封闭。但是直到1.5mm的深度范围上产生最大密度也是可能的。
制造方法可以如下地进行：选择粉末材料，冷压粉末材料，优选以约1120℃的温度烧结，接着优选在约1000℃的温度下锻造，可能时去除氧化层，尤其是通过滚轧进行表面致密加工，表面硬化，尤其是渗物式表面硬化，和可能时接着的部分磨削到最终轮廓。该方法可以全部地或部分地在生产线上实施。
另一个实施例规定，在表面硬化时实施真空渗物式表面硬化，接着进行对啮合齿的部分区域的珩磨步骤。
3.尤其是为了制造转子和油泵齿轮，由含铝材料制成的毛坯在齿面和/或齿根的区域中被表面致密。在表面致密加工时尤其实现啮合齿的最终形状。工件的核心密度为优选在2.6g/cm3和2.8g/cm3之间。
例如烧结材料在例如40℃和65℃之间的温度下热压，接着例如在大于400℃的温度下，尤其是在420℃和440℃之间的温度范围内去蜡，然后，例如在大于550℃的温度范围，尤其是在600℃和630℃之间的温度范围内烧结，然后均质化和冷却到例如在480℃和535℃之间的温度，其中接着尤其是通过滚子进行表面致密加工。接着可以例如在120℃和185℃之间的温度范围中在6小时和24小时之间的时间长度上进行完全硬化。
4.毛坯优选沿着齿面和齿根被致密，其中尤其是使用两个滚轧刀具，毛坯可以转动地布置它们的中间。依据不同的材料，工件的核心密度优选在7.2g/cm3和7.5g/cm3之间，表面密度取决于材料地至少分部段地大于7.8g/cm3。最大密度存在于尤其是直到1mm的深度范围内，必要时也超出该范围。
在制造步骤中，按照一个实施例建议，对预合金的材料冷压，接着尤其是在1100℃和1150℃之间的温度范围中烧结，进行表面致密，实施硬化和必要时部分地磨削该表面。
另一个实施例规定，尤其是在50℃和90℃之间的温度范围中对部分合金的烧结材料热压，尤其是在1240℃和1290℃之间的温度范围中实施高温烧结，进行表面致密，进行真空渗物式表面硬化和必要时接着进行珩磨。
另一个实施例规定，对混合合金进行热压，其中粉末和挤压刀具优选在120℃和160℃之间的温度范围中被加热。在烧结步骤之后进行表面致密，接着进行硬化，优选感应硬化。在烧结步骤之后进行表面致密，接着进行硬化，优选感应硬化。
5.此外存在可能性，即接着在预烧结之后进行表面致密加工和然后又设置再烧结作为在带有啮合齿的工件的制造中的方法步骤。预烧结可以例如在650℃至950℃之间的温度范围中进行。再烧结可以例如在对于该材料通常采用的烧结温度中进行，例如在1050℃和1180℃之间。还存在高温烧结的可能性，例如在1250℃和1280℃之间的范围中。之后可以接着有选择地进行硬化和/或再加工，例如珩磨或也可以磨削。
前述的挤压可以冷态，中温或高温地进行，其中在高温状态下优选挤压刀具和粉末是被加热的。例如加热挤压在120℃和160℃之间的温度范围内进行。
6.一个扩展方案规定，在再烧结步骤之后进行烧结硬化。可选择地可以接着进行磨削或珩磨。
7.另一个制造方法规定，在高于150℃尤其是高于500℃的温度下对毛坯进行致密加工。例如毛坯可以直接从烧结炉引导到机器中进行表面致密。此时毛坯可以具有例如高于600℃，尤其是也高于800℃的温度。优选地，该用于表面致密的一个或多个刀具被加热到例如约150℃的温度。按照另一个实施例，用于表面致密的刀具优选通过在刀具内部分布的冷却机构冷却。
8.另一个制造方法规定，在毛坯被至少部分地加热时进行表面致密。尤其是加热到可以简化表面致密加工的温度。优选地为此使用感应加热。接着进行快速冷却，以便形成马氏体结构。以这种方式例如可以将一种修整工艺与表面致密组合起来。
本发明的另一个方案规定，可以用及其不同的方法实施表面致密。一个实施例尤其规定，在一个第一区域中的表面致密用不同于在一个第二区域中的方法进行实施。作为方法此时可以采用喷射硬化，喷丸，借助于球丸，借助于滚子或借助于其它可以旋转的物体，借助于齿形构造的工具，尤其是滚轧刀具和类似物进行的致密。这些方法也适用于分别单独地相互分开地进行必需的表面致密。
例如齿根完全不用或者仅仅轻微地用也使齿面被致密的刀具进行致密。存在可能性，即表面在一个部段中被致密加工到这样的程度，使得只有表面上的孔隙被封闭。接着可以用另一个刀具或表面致密方法加工齿根。尤其是可以由此达到与齿根相比沿着齿面的不同的表面致密。例如可以因此调节出例如关于粗糙度的不同的表面质量。而且最大表面凹部由于采用各种不同的技术也可以是不同的。此外存在可能性，即例如在表面喷射时带有啮合齿的整个工件获得表面致密。以这种方式可以加工尤其是包括含铝的烧结材料或其它形成氧化物的烧结材料，因为通过表面致密还可以附加地也去除氧化物层。
本发明此外涉及用于制造至少部分地表面硬化的金属的啮合式元件的方法的毛坯，该啮合式元件具有被致密的烧结材料，其中齿的第一齿面和第二齿面具有相互不同的不对称的加工余量。此外还规定，齿的第一和第二齿根区域具有相互不同的，尤其是不对称的加工余量。
本发明还涉及一种具有金属的烧结材料的啮合式元件，其中啮合式元件至少在啮合式元件的齿的至少一个齿面的区域中具有局部地变化的致密。优选由此结合表面硬化可以实现对于许多应用适用的粉末冶金材料的弹性。特别优选地，例如在变速器齿轮中，可以降低在力传递时的噪音和同时提供很好的耐磨强度。
在一个第一变型中规定，啮合式元件是直齿齿轮。
尤其是为了改善在齿轮之间的力传递以及为了降低噪音，在另一个变型中规定，啮合式元件是斜齿齿轮。此外可以在另一种变型中规定锥形齿轮。相应于前面进行的描述，有利的是，啮合式元件的齿的相互相对的齿面具有不对称的致密。此外有利的是，不对称的致密位于齿根区域中。这种致密此时尤其是与在按照使用的应用中出现的力相适配。为了避免应力裂缝，尤其规定，被局部致密的表层的深度仅仅大到还保证齿的足够的弹性或刚度的程度。特别优选地，被致密的表层的深度在齿根区域中小于在齿面上的深度。
作为啮合式元件的特殊形式，可以规定啮合式元件是一种凸轮。前面的描述可以对其相应地应用，其中例如凸轮的侧面取代了齿的齿面。
对于啮合式元件的材料可以规定各种成分。在一个第一变型中选择铁材料作为烧结材料的主要成分和从碳，钼，镍，铜，锰，铬和钒的组中的至少一种合金成分。一种铁合金相对于参照物15CrNiMo6例如是Fe-1.0Cr-0.3V+0.2。另一种铁合金相对于20MnCr5例如是Fe-1.5Mo+0.2C。此外例如作为含铁的合金相对于16MnCr5规定Fe-3.5Mo。同样地可以例如使用合金C0.2％Cr0.5％Mn0.5％Mo0.5％，其中剩余部分包括铁和杂质。除此以外可以规定其它成分。
优选地，为了减小啮合式元件的重量，规定选择铝或镁作为烧结材料的主要成分。按照本发明的一个方面规定，由烧结材料制成的被表面致密的啮合齿具有至少80％的铝以及至少铜和镁作为其它烧结材料。一个第一实施例规定，附加地还使用硅作为烧结材料。例如硅可以在从约0.45％至约0.8％的范围，优选在0.6％和0.75％之间。但是硅也可以位于更大的范围上，例如在13％和17％之间，尤其是在14.5％和15.5％之间。如果硅含量较高，那么烧结材料中的铜含量就减小。因此第一种混合物例如可以具有4％至5％含量的铜，0.45％至约0.8％含量的硅，约0.35％至0.7％含量的镁和至少主要是铝的剩余部分。附加地，优选添加一种挤压辅助剂。它可以具有在0.8和1.8％之间的含量。为此例如可以使用蜡，尤其是酰胺基蜡。第二种混合物例如可以具有2.2％至3％含量的铜，13％至约17％含量的硅，约0.4％至0.9％含量的镁和至少主要是铝的剩余部分。同样可以例如如上面所述的一样使用挤压辅助剂。在表面致密之后啮合齿的至少一个区域具有例如大于2.5g/cm3优选直到最大密度的密度。这种制造的具有啮合齿的工件优选具有至少240N/mm2的抗拉强度和至少90HB的硬度。如果硅的含量较高那么密度也可以尤其是大于2.6g/cm3。
一个第二实施例规定，除了铜和镁作为添加物和铝以外附加地使用至少锌作为烧结材料。优选地，铜的含量在1.2％和2.1％之间，尤其是在1.5％和1.65％之间的范围，镁在1.9％和3.1％之间，优选在2.45％和2.65％之间，锌在4.7％和6.1％之间，尤其是在2.3％和5.55％之间。剩余部分至少主要是铝。如上述那样，附加地此处也可以使用挤压辅助剂由这种混合物制造的带有啮合齿的工件优选在表面致密之后具有其中密度从至少2.58g/cm3直到最大密度分布的至少一个啮合齿区域。这样制造的带有啮合齿的工件优选具有至少280N/mm2的抗拉强度和至少120HB的硬度。
特别合适的是，啮合式元件与另一个功能部件，尤其是一个轴或另一个齿轮，烧结起来。尤其是由此便于保持在例如变速器中的更多个啮合式元件之间的精确的工作间距。
在另一个实施例中规定，啮合式元件是一个泵的组成部件。例如涉及与另一个渐开线齿轮啮合的渐开线齿轮。
此外本发明涉及一种用于制造至少部分地被表面致密的啮合式元件尤其是用于实施上述方法的装置，其具有与不同的加工余量适配的刀具控制机构。该装置此时包括尤其是至少一个滚轧刀具，它可以优选借助于适配的刀具控制机构优选在适配的压力和/或受控制的行程下以适配的啮合作用到毛坯上。该装置尤其是包括带齿形表面的滚轧刀具，该齿形表面可以与啮合式元件的啮合齿啮合并且在其上滚动。
此外本发明的主题是一种用于由至少在一个表面区域中由烧结材料制成的毛坯制造至少部分地表面硬化的啮合式元件的装置，其中该装置包括刀具，该刀具借助于对毛坯的要致密的齿的滚轧运动具有对第一齿面和第二齿面上的不同的加工余量的补偿。滚轧刀具此时可以只在齿的一个齿面上或者在两个齿面上具有用于形状成形所必需的轮廓，例如一种渐开线啮合齿。但是在另一种变型中也可以规定，分别在滚轧刀具的啮合齿的一个齿的第一齿面和第二齿面上设置不同的加工余量。这例如可以是不同的渐开线啮合齿。
此外本发明涉及一种用于设计加工余量以实现在滚轧过程中烧结金属的啮合式元件的表面致密的方法，其中加工余量迭代地求得。在第一步骤中，预先规定例如几何形状以及尤其是扭矩和/或压力分布。在另一个步骤中，限定例如滚轧刀具的设计。此外求得具有局部地限定的加工余量的毛坯。可以例如根据数据库进行选择。这种数据库含有例如根据各种参数求得的实验密度变化曲线。此外可以进行致密或滚轧过程的模拟。为此结合模拟毛坯以及必要时滚轧刀具的弹性特性和塑性特性来模拟例如滚轧过程的运动学。为了模拟毛坯的弹性或塑性特性，借助于例如有限元法或有限体积法，采用与离散解法结合的连续力学模型。
在一个优选实施例中规定，在考虑加工余量下迭代地求得滚轧刀具的几何形状。例如可以求得滚轧刀具的渐开线啮合齿的加工余量。相应地可以求得另一个非渐开线啮合齿的加工余量。
在一个特别优选的实施例中规定，在第一步骤中至少在齿的一个齿面的区域中啮合式元件的毛坯的局部地变化的、至少可以逐点地限定的加工余量根据至少一个设计的预先规定自动地产生，在第二步骤中滚轧刀具的几何形状自动地产生，在第三步骤中对滚轧加工和啮合式元件的至少一个表层的此时产生的局部的致密变化曲线进行模拟和在第四步骤中将产生的致密变化曲线的自动的评价与预先规定进行比较以及必要时该方法自第一步骤起在应用至少一种变化下为了优化而重复地进行，直到满足中断标准为止。该变化此时例如借助于优化方法实现。中断标准例如是在希望的密度变化曲线和在模拟中实现的密度变化曲线之间的公差。此外中断标准也可以是超过了可以预先给定的迭代次数。
特别合适的是，设计的预先规定从材料密度，几何形状，扭矩和压力分布的组中选择。扭矩此时应该理解为在啮合式元件的按照使用的应用目的下出现的扭矩。
尤其是为了避免材料裂缝，合适的是，对至少在致密的区域中的材料应力进行模拟和尤其是用于评价。由此优选地避免，表面虽然被足够地硬化，但是由于应力的作用而易脆和易于产生应力裂纹。
此外有利的是使用在储存在数据库中的数据用于变化。尤其是此时可以例如借助于神经网络使用优化和数据分析的方法。此外例如为了优化借助于遗传学算法使用在数据库中储存的特征。
在另一个实施例中，步骤中的至少一个步骤可以通过一个预先规定进行替代。优选地，滚轧刀具几何形状被固定地预先规定。由此例如考虑这样的事实，即修改滚轧刀具的费用比例如毛坯要大得多。另一个实施例规定反向的操作过程。优选地，从最终形状出发，计算毛坯或用于制造最终形状的滚轧刀具以及也用于制造毛坯的挤压刀具。
最后本发明的主题是具有储存在计算机可读的介质上的程序编码机构的计算机程序产品，用于当在计算机上应用该程序时实施至少一个上述的方法。计算机可读的介质例如是磁性的，光磁的或光学的存储介质。此外例如使用存储芯片。除此以外计算机可读的介质也可以借助于远距离存储，例如借助于计算机网络实现。
计算机程序可以例如存储在用于表面致密的机器中。也可以与用于表面致密的机器分开地进行计算。但是机器具有控制机构，尤其是行程和/或力引导的控制机构，其中可以输入坐标和运动变化曲线，用于对毛坯进行致密加工。
按照本发明的另一个方面，设置压模，用它可以挤压由烧结材料制成的毛坯，其随后被表面致密加工到最终形状。该压模是迭代地计算的。优选地，此时同样以带有啮合齿的工件的最终轮廓的数据为依据
也可以设置滚轧检验台，其提供这样的可能性，即可以对非常不同的表面致密进行试验性的滚轧。由此尤其是也可以求得这样的数据，其可以被评估地使用到计算方法中。例如为此可以由多个测量值形成适合的特征值。由此例如可以实现用于毛坯，刀具或挤压刀具的迭代计算的起始值。滚轧检验台也可以对被表面致密的具有啮合齿的工件进行自动化测量。
以下建议了一些其它的构思，它们与到目前为止建议的方面进行组合，但是也可以与它们独立地实施。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征独立地和结合地使用，设置一种用于制造由被致密的烧结材料制成的啮合齿的方法，其中被预致密的齿坯至少在一个区域中借助于迭代地求得的数据至少在它的表面上的0.05mm处被致密到它的最终形状，和至少在一个至少fHa＝4，Fa＝7和Ffa＝7的范围中实现最终形状的质量。其中fHa是指相对于啮合齿的偏差，Fa是指总的偏差和Ffa是指齿面的轮廓形状偏差。给出的值对应于涉及偏差的DIN等级。
按照一个扩展方案规定，迭代计算考虑涉及在齿形的表面致密加工中的材料性能的参数。一个实施例规定，用于确定毛坯的迭代计算从输入的数据出发，该数据来自于最终形状的预先规定。优选地使用至少一个滚轧刀具，它具有与以后制造的最终形状相同的质量。通过在表面致密时迭代的确定和由此非常精确的加工，使得能够将刀具的质量传递到毛坯上成为可能。尤其是能够实现非常精确的表面致密，使得啮合齿在表面致密加工之后不需要进行其它的材料减少的再加工步骤就具有最终形状的质量。例如制造出核心密度为至少7.4g/cm3的带有啮合齿的工件，其具有的表面密度至少在齿面的一个区域中是最大的，其中最大表面密度在该区域中延伸至少0.02μm的深度。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，提出一种用于设计由烧结材料制成的啮合齿的毛坯的计算方法，其中计算方法中应用了由啮合齿的预先规定的最终形状求得的数据，依据最终形状的至少一个使用条件求得啮合齿的一个或更多个负荷参数，计算毛坯的局部的加工余量，该毛坯与毛坯在表面的期望的致密相关联，其中在表面下面的烧结材料的负荷被一同输入到计算中。
优选地，在计算时该计算附加地以刀具在要制造的工件中的挤入为基础，其中尤其是在挤入时和挤入之后可以考虑烧结材料的特性。例如该计算方法规定，考虑要致密的烧结材料的弹性变形。该计算方法也可以规定，考虑在表面上要致密的烧结材料的弹性-塑性变形。优选将例如在工件作为传力齿轮使用时在表面下面的最大负荷的深度应用到计算方法中。计算方法此外可以将在烧结时烧结材料的收缩输入到计算中。也可以将凭经验求得的数据同样输入到计算中。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，提出一种用于设计对尤其是由被致密的烧结材料制成的啮合齿的毛坯进行表面致密的刀具的计算方法，以制造出预先规定的齿几何形状，其中为了计算机床运动学，在考虑用于成形出要制造的刀具的工件和至少一个刀具成形装置的相互关联的机器轴、它们的耦联的系统坐标和它们的相对运动的条件下，迭代地一同输入由预先规定的、要制造的齿几何形状求得的数据。由此现在存在这样的可能性，即不用通过工件成形装置的重复的试验、测量结果和配合最后找到最终的形状，而是借助于迭代计算进行实施。这大大地节省了时间并且可以考虑非常不同的影响参数。尤其是也可以模拟设计，从而例如可以检查要制造的刀具的对在模拟中设计的毛坯的作用方式。
按照一个实施例，在要制造的工件和刀具成形装置之间在啮合齿的齿尖和齿根之间的接触条件应用到计算方法中。优选此时也在啮合齿的齿根的区域中将表面上的最大应力一起输入计算中。此外存在可能性，即在啮合齿的齿面的区域中将在表面下面的最大应力一起输入计算中。该方法尤其适用于烧结材料，但是也可以用于钢工件或由其它材料制成的工件。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，提出一种具有挤压几何形状的用于制造由烧结材料制成的啮合齿的毛坯的挤压成形刀具，其中挤压几何形状具有与啮合齿的表面致密加工相适配的具有至少一个隆起的变化曲线，该隆起至少在毛坯的啮合齿的区域产生一个凹部，该凹部可以用烧结材料在表面致密加工时填充。
优选地，在毛坯的一个端部上的隆起在啮合齿的齿的齿顶的区域中产生一个凹部。例如通过迭代计算可以确定隆起的高度或凹部的深度以及其它尺寸。另一个实施例不是设置单侧隆起，而是设置双侧隆起，以便在齿的两个端部各产生一个凹部。按照一个扩展方案，隆起布置在几何形状的一个区域中，该区域在毛坯的齿顶上产生一个凹部，其中该隆起具有这样的尺寸，使得成形凹部至少部分地减小了由于通过表面致密加工将毛坯加工到最终形状时齿顶产生的扩展。以这种方式可以例如计算和尤其是制造具有在啮合齿的端部上的至少一个凹部的毛坯，以便在表面致密加工啮合齿的工作面时补偿材料堆积。以这种方式也可以计算和尤其是制造具有啮合齿的齿顶上的至少一个凹部的毛坯，以在表面致密加工至少啮合齿的齿面时至少减小齿顶在高度上的扩展。用于确定毛坯或挤压成形刀具的几何形状的计算方法优选规定，从毛坯的最终形状的数据出发确定几何形状和计算至少一个凹部或隆起，其至少部分地补偿在表面致密加工时的材料移动。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，提出一种用于啮合齿的表面致密的方法，其中为了表面致密加工毛坯的表面，迭代地计算成形刀具的要重复的致密运动的次数。优选迭代地计算滚压，直到达到预先确定的表面密度。一种扩展方案规定，迭代地计算成形刀具的进给。按照一个实施例，对毛坯进行小于20次的滚压以实现表面致密加工的最终形状的预先规定的几何形状。优选进行小于10次滚压。尤其是对毛坯进行小于6次的滚压，直到达到表面致密加工的最终形状的预先规定的几何形状。此时要考虑在达到之后表面致密的结束还没有发生。相反刀具在表面上接着还要多次地，尤其是小于25次，优选小于15次地移动。由此保证表面形状的精确性。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，提出一种方法，在该方法中，为了将毛坯致密加工到表面致密加工的最终形状在由烧结材料制成的啮合齿上实施反转的滚动。优选地，在反向之前通过成形刀具使毛坯短暂地卸载。已经证明，通过该反向，这意味着，通过运动的反向可以形成较小的致密。此外，通过在进行运动反向之前减小刀具作用在工件上的压力，达到进一步减少制造中的问题。此时刀具可以保持与工件接触。但是也可以短时间地与表面脱开。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，提出了一种具有至少一个由烧结材料制成的啮合齿的工件的表面致密，其中工件的第一表面用与工件的第二表面不同的方法致密。工件的第一啮合齿优选具有与工件的第二啮合齿不同的致密。一个扩展方案规定，对工件的内啮合齿实施与工件的外啮合齿不同的表面致密。也存在可能性，即外啮合齿借助于一种滚轧方法被表面致密，而第二表面是孔，其用另一种方法被表面致密。优选地，工件中的孔在表面致密加工之后获得被硬化的表面和接着使之达到最终形状。这可以将该孔用于轴或轮轴。精确度可以通过在啮合齿硬化之后进行表面致密实现改进。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，提出了一种具有至少一个第一啮合齿和至少一个第二啮合齿的轴，其中由烧结材料制成的第一啮合齿被滚轧和被表面致密。以下给出涉及轴或啮合齿的特征。此时尤其是有关啮合齿、材料、制造步骤等等的其它公开内容也可以用于其它实施例。
按照一个实施例，该轴具有第二啮合齿，其按照一种与第一啮合齿不同的方法制造。这能够实现多种组合，其为每种负荷情况规定了各种材料的解决方案。按照另一个实施例，第二啮合齿与第一啮合齿一起形成一个工件。例如两个啮合齿可以一起在一个挤压机器中制造。优选地，迭代地计算和相应地制造第一啮合齿和第二啮合齿。按照一个实施例，该制造可以相继地进行，但是按照另一个实施例也可以同时进行。这尤其也适用于其它的加工步骤如例如表面致密。
一个扩展方案规定，第二啮合齿具有被硬化的没有表面致密的表面。对于一些负荷情况，通过烧结实现的密度或使用的材料所具有的强度是足够的。这适用于例如泵的应用。
此外已经证明是有利的是，至少第一啮合齿至少在一个齿上在该齿的相同的高度上分别具有不同的齿面导程。这在轴的主转动方向和尤其是仅仅一个转动方向是预先规定的应用中是有利的。由此可以低磨损和低噪音地设计不同的齿面导程。
另一个实施例规定，第二啮合齿是锻造的。它可以附加地被表面致密。该啮合齿例如可以比第一啮合齿承受更大的力传递。
优选地，第二啮合齿由一种不同于第一啮合齿的材料制成。例如第二啮合齿由钢制成。但是第二啮合齿也可以用不同于第一啮合齿的其它烧结材料制成。附加地，轴同样可以用烧结材料制成。它例如可以具有与第一啮合齿相同的材料。轴也可以至少与第一啮合齿一起形成，亦即由粉末材料挤压而成，优选在一个公共的挤压模具中。
一种用于制造上述轴的示例性的方法也可以规定，在轴和第一啮合齿相互连接起来之前，至少第一啮合齿获得表面致密和用于容纳该轴的孔被表面致密，硬化并且接着进行珩磨。为此优选从带有第一啮合齿的轴的最终形状出发进行第一啮合齿的毛坯的迭代计算。
这种轴在汽车技术中和在变速器制造中以及在家用设备中得到优选的应用。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，按照本发明的另一个构思，其可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，利用了一种用于制造由烧结材料制成的啮合齿的毛坯，其中该毛坯具有负的加工余量。优选该负的加工余量至少布置在啮合齿的齿的一个齿面上。负的加工余量尤其是可以不对称地沿着齿面分布。
一个扩展方案规定，在齿的每个齿面上设置负的加工余量。例如齿在相同的高度上具有在第一齿面上的第一负的加工余量和具有在第二齿面上的第二负的加工余量，其中第一齿面和第二齿面相互不对称地分布。
负的加工余量优选设置在齿的齿顶区域和齿的齿面上的加工余量之间。附加地或备选地，负的加工余量可以布置在齿根的角部区域中。此外存在可能性，即一个齿的齿面的齿面导程是不同的。
除了外啮合齿或其它的啮合齿类型以外，也对内啮合齿这样的啮合齿实施表面致密。由毛坯最后产生被表面致密的齿轮。
一个扩展方案规定一种用于制造由烧结材料制成的啮合齿的方法，其中毛坯配置至少一种借助于迭代计算求得的负的加工余量，其在啮合齿进行表面致密时至少部分地通过烧结材料的挤移而被填充。优选地，与负加工余量相邻的加工余量材料被挤入负的加工余量中。毛坯可以被表面致密加工到要求的最终形状，其中可选择地进行硬化和/或表面精加工。这可以事先进行或者在表面致密加工之后进行。作为精加工可以考虑珩磨以及磨削。
优选通过迭代计算实现负加工余量的形状，其中求得在毛坯上的表面致密的模拟，是否相邻的加工余量在它的形状上是这样设计的，即负的加工余量可以在追求的最终轮廓方向上被整平(gegl
Figure 2006800206474_0
ttet)。为此提供了用于对啮合齿的表面致密进行计算和/或实施的机器，其中可以输入计算的运动学，借助于它通过表面致密，啮合齿的齿面上的负的加工余量可以整平到追求的最终轮廓。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，建议了一种用于在啮合齿上制造表面致密的方法，其中至少两个毛坯在一个装置中同时获得表面致密。
按照一个实施例，毛坯布置在平行布置的轴上并且同时与至少一个用于表面致密的刀具啮合。
按照一个第二实施例，至少两个毛坯布置在一个公共轴上并且共同地与至少一个用于表面致密的刀具啮合。
此外建议了一种用于在啮合齿上制造表面致密的装置，其中至少两个毛坯为了表面致密可以保持在该装置中并且可以同时加工。
例如规定，设置至少一个轴的运动，在该运动中两个毛坯与用于表面致密的刀具啮合。一个扩展方案规定，用于至少两个毛坯的至少三个轴和至少一个刀具相互平行地布置和形成一个三角形，其中至少一个轴可以朝着另外两个轴运动。另一个实施例规定，至少两个毛坯可以安装在一个公共轴上，其中刀具的长度大于至少两个毛坯的相加的长度。毛坯优选可以通过它们的端面相互顶接在一起。另一个实施例规定，在毛坯之间设置一个间距，其中刀具沿着该轴突出超过毛坯的两个外端面。
按照本发明的另一个构思，该构思可以与本公开中的其它特征相独立地和相结合地使用，提出了一种具有被表面致密的由烧结材料制成的啮合齿的部件，其中该部件在一个横截面上看，具有一种相对于所使用的烧结材料的梯度。
该部件优选具有一种梯度，该梯度具有一种阶梯函数。烧结材料至少在该区域中设有过渡界线。按照一个实施例，该过渡界线沿着在第一和第二烧结材料之间的整个面设置。另一个实施例规定，在一个区域中没有固定的界线而是设置一个逐渐的过渡。尤其是可以规定，部件具有不同的烧结材料，它们相互延伸到对方中，而没有明显的带上升的或者下降的梯度的通混区。
部件的一个第一扩展方案包括，啮合齿的烧结材料具有比部件的连接在啮合齿上的区域的烧结材料更小的核心密度。部件的一个第二扩展方案规定，啮合齿的烧结材料具有比部件的连接在啮合齿上的区域的烧结材料更大的核心密度。
另一个实施例具有一种部件，它具有包括第一烧结材料的第一啮合齿和包括第二烧结材料的第二啮合齿。
啮合齿优选在一个齿上在相同的高度上具有不同的齿面啮合角。
第一烧结材料例如可以布置在部件的一个外部区域中和形成啮合齿，和第二烧结材料布置在部件的一个内部区域中和形成一个孔。
此外建议一种用于制造在部件上的被表面致密的啮合齿的方法，其中在将第二烧结材料加入之前，将第一烧结材料放入到一个模具中，接着进行挤压和烧结和借助于啮合齿的表面致密只对两个烧结材料中的一个烧结材料进行致密加工，而另一个烧结材料没有受到任何改变。
一个扩展方案规定，实施第二表面致密，其只涉及还没有被表面致密的烧结材料。优选规定，第一烧结材料形成啮合齿齿面的至少一个表面和第二材料形成啮合齿的底衬。
另一个建议的用于在部件上制造被表面致密的啮合齿的方法规定，在将第二烧结材料加入之前，将第一烧结材料放入到一个模具中接着进行挤压和烧结和借助于啮合齿的表面致密对第一烧结材料和第二烧结材料进行致密加工。
为了实施该方法，在考虑两个烧结材料中的至少一个烧结材料的材料特性下迭代地确定用于表面致密的运动过程，已经证明是有利的。
用于该两个方法的一个扩展方案规定，在该模具，尤其是挤压模具和填入的烧结材料之间产生相对转动，从而烧结材料依据相对转动的速度聚积在模具的一个外部区域中。
另外也可以规定，第一烧结材料和至少第二烧结材料至少在一定的时间长度上重叠地加入到模具中。
此外参见US5,903,815。该文献给出了各种烧结材料、用于烧结材料的条件、模具，关于加工两个或更多烧结材料的原理、应用和方法步骤。与此相关地，在本公开的范围内参见该文献的属于本发明的公开内容的内容。
按照本发明的另一个构思建议，尤其是在锻造的齿轮，链轮或齿环的情况下该制造方法除了啮合齿的表面致密化步骤以外还设置对被致密的齿面和/或齿根的磨削或珩磨。优选通过锻造实现至少7.6g/cm3的密度作为核心密度。表面致密加工因此可以达到啮合齿的完全致密和/或形状的精确性。一个扩展方案规定，对于在表面致密加工之后的材料减少的加工步骤，用于该步骤的加工余量在比最终尺寸多出4μm至8μm材料的范围上。如果不采用锻造而是进行挤压，烧结和硬化，尤其是渗物式表面硬化，那样供在表面致密加工之后使用的加工余量对于珩磨为优选30μm至50μm和对于磨削为50μm至0.3mm，优选0.1mm至0.2mm。通过迭代计算使得区域和加工余量可以预先确定和以后也因此能够在方法中转换。对于在齿轮，链轮或齿环中孔优选同样设置表面致密，随后是进行硬化和接着优选进行珩磨。孔可以为此同样在表面致密加工之后具有在30μm和50μm之间的加工余量。
在表面致密加工时进行润滑，则产生了另一个优点。除了利用乳化液以外尤其也可以用油润滑。该油优选用于热滚轧，例如在高于220℃的温度下。此外建议，在500℃和600℃之间的温度下实施热滚轧，其中优选利用油冷却，以便一方面进行润滑，另一方面也冷却刀具。
以下对照附图通过示例详细描述本发明。但是设计这些示出的实施例不是用于限制本发明的范围和细节。相反由附图中得到的特征不局限于各个实施例。而是这些特征可以与各个其它的在附图中和/或在说明书中包括在附图说明中给出的特征分别组合成没有详细示出的扩展方案。
附图中所示：
图1是滚轧装置，
图2是第一齿，
图3是第二齿，
图4是第三齿，
图5至7是各种啮合式元件的各种加工余量变化曲线，
图8是第一方法示意图，
图9是第二方法示意图，
图10是滚轧刀具的啮合式元件的加工余量变化曲线，
图11是在一个端部上的计算的凹部的示意图，
图12是刀具的计算的极端情况的示意图，
图13是在迭代计算下的工艺过程的示意图和在模拟下的逻辑电路，
图14是与使用的毛坯的各种初始密度相关的密度变化曲线的视图，
图15是对测定的误差的概括，该误差在不同的表面致密化步骤中出现并且同时表征材料特性，
图16是在各种表面致密化步骤下在一个齿面上的以HV为单位的硬度变化曲线，
图17是在各种表面致密化步骤下在一个齿根部位上的以HV为单位的硬度变化曲线，
图18是对于各种密度的各种计算的加工余量变化曲线的示意图，
图19是可以在迭代计算中应用的参数的示意表示。
图1示出了一种示例性的滚轧装置示意视图。带有第一啮合齿102的第一滚轧刀具101围绕第一轴103沿着转动方向104可转动地支承。第一啮合齿102与毛坯106的第二啮合齿105啮合。毛坯106围绕第二轴107可转动地支承。相应地产生第二转动方向108。此外第二啮合齿105与第二滚轧刀具110的第三啮合齿109啮合。该第二滚轧刀具110围绕第三轴111沿着第三转动方向112可转动地支承。第一轴103或第二轴107例如可以是固定轴，而其它两个轴可以实施进给运动。例如第三轴111可以在沿着第一轴103，第二轴107和第三轴111的连线114的移动方向113上移动。例如可以进行定径滚轧过程。此时尤其是齿面仅仅轻微地被致密和尤其不是齿根被致密。此时是在要求的区域中进行表面致密。另一方面，在表面致密时也可以只是或者附加地齿根被表面致密。例如为此在滚轧过程期间进行在移动方向113的方向上的向前移动。尤其是借助于第一和第二滚轧刀具101，110也使毛坯106的齿根区域被致密。为了调节第一和/或第二滚轧刀具110以及为了施加进行滚轧过程必需的压力设置了一个没有示出的优选带有传动机构的调节装置。由此也可以尤其是施加非常高的压力。
图2显示了一个没有示出的所属的啮合式元件的第一齿201。该啮合式元件涉及齿轮。啮合式元件或第一齿201的几何形状此时通过此时通过第一齿根圆202，第一齿根节圆203，第一基圆204和第一齿顶圆205表征。在第一齿面206上第一齿201在滚轧过程之前具有第一加工余量变化曲线207。在滚轧过程结束之后产生第一最终尺寸变化曲线208，其中相应地产生第一被致密的表层209。它示意表示地通过第一致密界线210限制。该线界定了第一齿201的在其内实现全密度的区域。全密度此时优选是相对于可以比较的粉末锻造的齿的密度而言的。
图3显示了一个没有示出的啮合式元件的第二齿301。该啮合式元件同样涉及齿轮。第二齿301和齿轮通过第二齿顶圆302，第二基圆303，第二齿根节圆304和第二齿根圆305表征。为了在第二齿面306和第三齿面307上实现相同的致密变化曲线设置了第二加工余量变化曲线308和第三加工余量变化曲线309。在滚轧过程之后在第二齿面306上产生第二最终尺寸变化曲线310和在第三齿面307上产生第三最终尺寸变化曲线311。此外产生第二致密界线312和第三致密界线313。由于通过沿着转动方向的滚轧运动在第二齿面306和第三齿面307上产生的不同的力，使得第二加工余量变化曲线308和第三加工余量变化曲线309被不同地构造。在滚轧过程中力在齿面306，307上的不同的作用通过所示的滑动速度方向说明。在第二齿面306上产生第一滑动速度方向314和第二滑动速度方向315。它们从第二基圆303出发在第二齿顶圆302的方向上指向或在第二齿根圆305的方向上指向。相反，在第三齿面307上产生第三滑动速度方向316和第四滑动速度方向317，它们是相互相对指向的。
图4显示了一个没有示出的啮合式元件的第三齿401。该啮合式元件同样涉及齿轮。齿轮和第三齿401也是通过第三齿顶圆402，齿顶节圆403，第三基圆404，第三齿根节圆405以及通过第三齿根圆406表征。该示出的第三齿401涉及带有齿顶后缩的、优选形式为齿顶倒圆的啮合齿。但是在该区域中的其它几何形状也是可能的。此时在齿顶区域401.1中在第三齿顶圆402和齿顶节圆403之间后缩成一种齿廓。这导致在该区域中该齿不与渐开线式的相对啮合齿啮合。在这种情况下，有效的齿区域仅仅位于在齿顶节圆403和齿根节圆405之间或在齿顶节圆403和第三齿根圆406之间的区域中。在第四致密界线408中的滚轧过程之后产生第四加工余量变化曲线407。此外在第四齿面409上到达第四最终尺寸变化曲线410。
图5显示了在没有示出的啮合式元件的两个相邻的齿之间的加工余量变化曲线。该啮合式元件也涉及齿轮。齿轮和齿通过第四齿根圆502，毛坯的第四齿根节圆503，在磨削过程之后的毛坯的第五齿根节圆504，在铣削过程之后的第四齿顶圆505和在精整过程之后的第五齿顶圆506表征。在滚轧过程之后产生第五最终尺寸变化曲线507。在横坐标轴上标出单位为mm的横向尺寸。在纵坐标轴上标出相应的与其垂直定向的同样单位为mm的横向尺寸。啮合齿此时完全在图平面中延伸。
图6示出了其它加工余量变化曲线的汇编图。在横坐标轴上表示沿着一个啮合式元件的齿面线的公称弧线长度。该弧线此时各涉及从第一齿的齿顶到相邻的齿的齿顶的变化曲线。在上方的横坐标轴上相应地以mm表示了相应的齿面线的绝对弧线长度。左边的纵坐标轴给出了以mm为单位的加工余量。右边的纵坐标轴描述了所属的啮合齿的相应的半径。示出了第六加工余量变化曲线601，第七加工余量变化曲线602和第八加工余量变化曲线603。此外示出了相应的啮合齿的所属的半径604。第六加工余量变化曲线601和第八加工余量变化曲线603此时相对于齿根对称线605对称地构造。相反，第七加工余量变化曲线607不对称地构造。在齿对称基线605附近，即在齿根区域中，加工余量各具有局部最小值。由此有利于减小应力裂纹的危险。
图7示出了另一个加工余量变化曲线。所示的是第九加工余量变化曲线，它从左边的齿顶702到右边的齿顶703不对称地分布。如已经在图6中所示的，此时在齿根704区域中的加工余量也小于第五齿面705和第六齿面706的区域中的加工余量。这尤其是用于避免应力裂缝。
图8示出了第一方法示意图。从目标预先规定801出发，其包括几何形状、要传递的齿轮扭矩和压力分布，由第一几何形状产生模块802产生滚轧刀具的几何形状。此外不仅依据目标预先规定801而且依据滚轧刀具的几何形状在第二几何形状产生模块803中产生毛坯的几何形状。在第一模拟模块804中模拟滚轧过程。此时不仅模拟滚轧过程的运动学也而且模拟在滚轧过程中产生的致密过程。其中此时尤其是考虑了材料的分布，如其例如在图3示意示出的那样。塑性变形的模拟此时例如借助于有限元法进行。这可以与CAD程序耦联。可选择地，可以考虑用于模拟应力的第二模拟模块805。在该模块中一方面不仅涉及目标预先规定801也而且涉及毛坯的几何形状。另一方面第二模拟模块805此外能够实现对求得的毛坯的几何形状进行修正。尤其是第一几何形状产生模块802，第二几何形状产生模块803，第一模拟模块804和必要时第二模拟模块805可以在一个优化回路中重复实施。
图9示出了第二方法示意图。在第一步骤901中产生齿廓903的第九加工余量变化曲线902。接着在第二步骤904中产生第三滚轧刀具906的第二齿廓905。接着之后在第三步骤907中模拟滚轧过程。此时模拟第一齿廓903在滚轧刀具905的第二齿廓上的滚轧过程和由此产生的致密。接着在一个变化908中必要时重复进行第一，第二和第三步骤901，904，907。
图10示出了一个滚轧刀具的啮合式元件的加工余量变化曲线。所示的是一个没有示出的滚轧刀具的第五齿1002的第十加工余量变化曲线1001。在第五齿1002的第七齿面1003和第八齿面1004上设置不同的加工余量。在第七齿面1003上设有通过第一箭头1005表示的材料添加量。相反在第八齿面1004上设有通过第二箭头1006表示的齿后缩量。加工余量在该示例中是相对于渐开线啮合齿的正常的轮廓而言的。通过两个齿面1003，1004的不对称的构造，尤其是考虑了由此要被致密的啮合式元件的不对称的材料负荷。而且也可以针对工件的最终形状借助于该滚轧刀具实现一个齿的两个齿面的对称的轮廓，为此优选在小于0.1μm的范围中进行补偿。
图11示出了在啮合齿端部上的计算的凹部的示意图。该凹部用于使通过表面致密实现的烧结材料的挤移的增长和由此伴随的齿在高度和/或宽度上的增长至少减至最小，如果不能够进行补偿的话。凹部的形状取决于齿的加工余量和偏差。形状可以迭代地通过计算方法进行优化。进行模拟可以估计毛坯的以后的实际性能。
图12示出了用于表面致密的可以计算的刀具的计算的极端情况的示意图。计算的出发点是啮合齿的左边的终端几何形状。通过考虑滚动条件，加工余量参数和其它影响因素，可以迭代地求出分别在中间和右边示出的刀具形状。
图13是在迭代计算下的操作方法的示意图和在模拟下的逻辑电路。从预先规定的工件的最终数据和它的啮合齿出发，可以使机器运动学模型化。此时例如从相互相配置的机器轴出发。此后通过运动学和功能逻辑电路可以借助于存在的自由度对要设计的刀具进行优化。此时再次参见图12。那里示出的示例具有相应的缺点，例如在中间的视图情况下齿根区域太弱或在右边的视图的情况下齿顶形状太尖。通过附加的影响参数如例如强度因素和/或材料中应力分布可以随后针对适合于各个要求轮廓的刀具轮廓进行迭代计算。对于用于制造毛坯的刀具，作为出发点例如采用用计算的加工余量求得的终端几何形状。
图14示出了与使用的毛坯的各种初始密度相关的密度变化曲线的视图。如果毛坯的密度在其核心和在向外方向的分布中都是变化的，那么产生涉及表面致密变化曲线的影响。这由图14的右边的图得出。通过改变各个毛坯同样可以在表面致密之后强烈影响密度变化曲线。因此原始核心密度以及毛坯的形状也是迭代和计算中的重要参数。
图15是对测定的误差的示例性的概括，该误差在不同的表面致密化步骤中出现并且同时表征材料特性。该误差按照DIN3972或DIN3970的误差等级给出。在通过滚轧求出适合的表面致密情况下的一个重要点是滚动的刀具的轮廓变化。通过应用上面的用于毛坯和滚轧刀具的计算方法，可以在求出的结果的基础上修改滚轧刀具。这在图15中针对一个具有核心密度为7.3g/cm3的毛坯而示出，该毛坯与没有修改的一组滚轧刀具啮合和被表面致密。对应于滚轧刀具的一个进给运动，齿轮的几何形状产生变化。其目标是达到要求的最终轮廓，如其被预先规定的那样。图15的图中可以看到不同程度的进给运动的各种状态。范例性地表示，左边是轮廓角度误差，中间是完全轮廓形状误差和右边是形状误差。这些是在各制造的齿轮上测量的。因此例如齿厚减小0.27mm将导致对应于按照DIN的等级7的轮廓角度偏差。为了达到齿厚减小的必需的最终形状，则必需有0.4mm的进给。但是这导致对应的误差的增大。这意味着，完成的最终轮廓位于必需的质量等级以外的另一个值上。因此改变刀具的几何形状是必要的。在考虑将得到的值作为输入值时则可以确定新的刀具，再次实施测试和这种方式迭代地确定刀具的优化的几何形状。通过该计算可以例如以两次或也可以只一次迭代就确定刀具的最终的轮廓。
图16示出了在一个啮合齿的齿面上的以HV为单位的硬度变化曲线，其在x轴上相对于与表面的距离(用mm为单元)标出。在各种表面致密化步骤下可以通过适合的加工余量选择以及进给运动影响硬度的轮廓变化曲线。例如该轮廓可以至少部分地是凸的或者是凹的。如给出的，用AVA7-1表示的毛坯具有比用AVA4-2表示的毛坯更大的加工余量。两者具有相反的硬度轮廓变化曲线：当在第一部分直到达到550HV时AVA7-1具有更趋于凸的形状，而AVA4-2具有更趋于凹的变化形状。在超过550HV之后这种情况产生变化。
图17是在各种表面致密化步骤下在一个啮合齿的齿根部位上的以HV为单位的硬度变化曲线。由于与齿面加工余量相比此处的加工余量较小以及由于几何形状的情况得到另一种硬度变化曲线。硬度开始时较陡地下降，但是然后以很小的倾斜度过渡到近似于直线的变化。
图18示出了在最终齿厚的基础上对于各种密度的各种计算的加工余量变化曲线的示意图。在y-轴上标注了直径。在x-轴上给出了加工余量。D_a或d_a表示齿顶节圆直径或齿顶圆直径，0是例如通过在节圆上的一个值的加工余量的规定值，d_b是齿根圆直径。A表示基圆区域的优选值的范围。B表示一个临界区域，因为那里已经可能在滚轧时出现材料失效。
图19示出了一些可以用于迭代计算的参数的示意表示。其尤其可以是最大负荷点。如左边的图所示，在齿面上可以出现点蚀损伤。因此优选使用一种比较应力变化曲线，在该曲线中满足：最大应力出现在表面之下，尤其是在负滑转率的区域中因此优选在给定的基圆直径d_w1之下。右边的图表示了由于过高的弯曲载荷产生的断齿。对于计算模型由此得出结论，即最大齿根负荷的地点被求出和考虑。这可以例如通过按照DIN标准的30°切线或者通过按照AGMA的刘易斯抛物线(Lewis-Parabel)求得。对于比较应力优选假定最大应力出现在表面上。
图20示出了另一种可能性的示意视图，如例如可以有至少两个毛坯被同时压实。除了刀具的运动以外，按照一个实施例也可以在刀具的方向上进行毛坯的运动。此外存在在一个毛坯轴上布置两个或更多个毛坯的可能性。
本发明可以例如应用于凸轮轴齿轮，行星齿轮，太阳齿轮，驱动齿轮，差动齿轮，变速器齿轮，离合器齿轮，泵齿轮，直齿齿轮，斜齿齿轮，电动机，内燃机，调速传动装置，外或内啮合齿，直齿或斜齿的外或内圆柱齿轮传动装置，直齿，斜齿或弧线齿的锥齿轮传动装置，交错轴斜齿轮传动装置或蜗轮蜗杆传动装置以及陡螺纹轴和陡螺纹轮毂连接器。另一个实施例规定一个齿轮由烧结金属的制成。另一个齿轮可以例如由塑料或另一种材料制成。此外存在可能性，即两个齿轮中至少之一具有覆层，其尤其是起着减小噪音的作用。优选也可以制造锥齿斜齿齿轮副，以由此形成准双曲面齿轮传动装置。该带有啮合齿的工件尤其可以用于汽车技术，发动机技术，传动装置技术，调节装置，力传递装置，玩具，精密机械装置，家用装置尤其是移动家用装置等等中。

Claims (10)

1.用于制造由被预致密的金属的烧结材料制成的啮合齿的方法，其中被预致密的齿坯在至少一个区域中以作为迭代参数的原始核心密度和毛坯形状为基础借助于计算机程序在计算机上进行迭代地求得的数据通过滚轧被致密到它的最终形状，并且在此情况下在该区域中的粗糙度相对于齿坯被减小至少400％，其中调节到至少130HB的表面硬度。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，调节最终形状的核心密度，其具有至少7.3g/cm3的密度，和形成具有从最终形状的表面到中心方向上的凸形的变化曲线的硬度。
3.按照权利要求1所述的方法制造的啮合齿，其中由被预致密的金属的烧结材料制成的啮合齿在一个第一表面致密区域中具有一种粗糙度，它比在一个几乎没有被表面致密的第二区域中的粗糙度至少小400％。
4.按照权利要求3所述的啮合齿，其特征在于，被预致密的金属的烧结材料具有至少7.3g/cm3的核心密度。
5.按照权利要求3或4所述的啮合齿，其特征在于，在第一表面致密区域中的粗糙度Rz小于1μm。
6.按照权利要求3或4所述的啮合齿，其特征在于，在被致密的表面上的表面硬度至少为700HV0.3，而在该表面的0.4mm的深度处具有至少500HV0.3的硬度。
7.按照权利要求5所述的啮合齿，其特征在于，在被致密的表面上的表面硬度至少为700HV0.3，而在该表面的0.4mm的深度处具有至少500HV0.3的硬度。
8.按照权利要求3或4所述的啮合齿，其特征在于，在一个齿面的被致密的表面上和在一个齿根中具有至少700HV0.3的表面硬度，其中在齿根中的被致密的表面下0.6mm深度处具有至少500HV0.3的硬度和在齿面上的被致密的表面下0.8mm的深度处具有至少500HV0.3的硬度。
9.按照权利要求5所述的啮合齿，其特征在于，在一个齿面的被致密的表面上和在一个齿根中具有至少700HV0.3的表面硬度，其中在齿根中的被致密的表面下0.6mm深度处具有至少500HV0.3的硬度和在齿面上的被致密的表面下0.8mm的深度处具有至少500HV0.3的硬度。
10.按照权利要求6所述的啮合齿，其特征在于，在一个齿面的被致密的表面上和在一个齿根中具有至少700HV0.3的表面硬度，其中在齿根中的被致密的表面下0.6mm深度处具有至少500HV0.3的硬度和在齿面上的被致密的表面下0.8mm的深度处具有至少500HV0.3的硬度。
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