CN110023519A - 用于加工齿条的方法和根据所述方法加工的齿条 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加工齿条的方法及一种根据所述方法加工的齿条(1)，例如转向齿条。在所述方法中，将在使齿条硬化和/或矫直之后存在的且具有拉应力和压应力的混乱内部应力分布的应力模式转变成优化材料的强度和使用及齿条的直径的应力模式，而不改变结构，在加工过程的一系列功能性组合的步骤中，至少对齿轮齿(2)的区域施加预应力，有意地引入内部压应力而无拉应力，并且具有基本均匀的应力分布或应力平面。

Description

用于加工齿条的方法和根据所述方法加工的齿条
技术领域
本发明涉及一种用于加工齿条的方法和根据该方法加工的齿条，例如用于在车辆的转向系统中用作所谓的转向齿条。本发明还适用于其他系统的齿条。
背景技术
这种齿条主要由棒钢制成，并且包括以下操作中的至少一种，例如将所谓的短件切割成一定长度、将齿放在一个区段上、硬化、矫直、端部的端面加工、研磨、精加工、裂纹测试、清洗，以提供齿条以便安装在转向系统中或其他系统中。
在机动车辆的制造中，对于每个所安装的部件及对于转向齿条，在燃油经济性和安全性方面需要低重量和增加的疲劳强度，以及在齿条工件中需要基本均匀的应力分布。
根据技术领域中的经验，在放置齿轮齿之后及齿条的硬化和矫直之后，至少在齿轮齿的区段中存在压应力和拉应力的不利且不可确定的分布。从业者也将此效果叫做“混乱”应力分布，在本发明的上下文中，将在下文中提到该应力分布。
DE 102012100279 A1和DE 102014105780 A1描述了转向齿条，其在操作(例如，安装之前的变形和热处理或者齿轮切割和矫直)之后在工件中应该具有基本上均匀的应力分布。这种齿条：
通过用于感应硬化以实现均匀硬化区域的合适装置加工，或者
在矫直处理过程中进行参数化设计。
因此，不满足齿条工件中的均匀应力分布的目前需要的参数。
其他用于加工涉及控制应力状态的问题的普通齿条的解决方案显示以下内容：
DE 69312807 T2公开了一种传统的用于制造机动车辆中使用的转向齿条的方法，通过将圆柱形棒的一部分铣削成具有平面的半圆柱形形状，并进一步铣削平区段以在其表面上形成齿条来实现。这种齿条由于其较重的重量和高成本而不满足目前的要求。特别不利的是，铣削转向齿条的表面的一部分破坏微观结构。
为了更简单且更便宜地制造齿条，使用具有较小壁厚的管子，这导致其强度发生问题。根据JP 2247020，这些问题应该得到了解决。
因此，根据DE 69312807 T2，通过以下步骤在技术上相当复杂地用金属管制造齿条：
在第一步骤中，施加压力以产生齿条将形成于其上的横区段，
在第二步骤中，在与齿条具有互补关系的工具之间安装管子，并且将具有半圆形区段的芯轴挤压到金属管的孔中，并且
在进一步步骤中，将芯棒插入金属管的一端，并且使用挤出机围绕芯棒挤出管子，以减小管子的壁厚。
DE 112006000619 B4公开了一种用于车辆齿条齿轮转向系统的转向齿条，其具有齿轮齿和轴，轴在其大部分长度上具有恒定的外径和恒定的壁厚。为此目的，加工过程包括管状件上的锻造操作，其中，将细长件插入管状件的第一区域的孔中。锻造过程在第一区域上形成齿轮齿，从而将细长件保持在管状件中。在锻造过程之前，通过在管状件上执行成型操作使得第一区域的外径小于轴的恒定外径且第一区域的壁厚大于轴的恒定壁厚，来制造管状件。第一部分在捏合塑造(knead)操作中轴向压缩，并且在捏合塑造操作前将细长件插入管状件的孔中。将第一区域捏合塑造到细长件上。在捏合塑造操作过程中，将第一部分捏合塑造到可移除且可重复使用的捏合塑造芯轴上，由此通过成型操作在管状件的长度上减小外径。
尽管外径可能减小，但是此教导的技术追求将需要巨大的技术成本。
总的来说，这些解决方案对熟练技工没有以技术上有利的方式克服“混乱”或不利应力状态的问题的指导。
在文献“用于电动转向系统的转向杆的感应硬化”中已经报道，虽然对工件的疲劳寿命和磨损特性的要求可能增加，但是由于重量原因，不允许部件的尺寸和重量增加。因此，齿条的位置的感应硬化和相应的高质量感应热处理起始材料的使用，应使得可能满足这些要求(作者：工业工程师文凭，Dirk M.Schibisch，硕士工程师文凭，Martininternational 3-2013)。
DE 102012107501 A1描述了另一种用于避免由转向齿轮的齿条的变形产生的应力峰值和横区段变化的解决方案。因此，齿条和驱动转向齿轮布置为使得压力件在齿条上产生预应力。虽然由此在产生更低噪声的方面实现了改进的阻尼特性，但是熟练技工没有得到在工件中获得均匀应力分布的指导。
其他文献，例如，EP 1 640 467 B1，向熟练技工建议，通过改变微观结构，可对诸如转向齿条的齿条实现强度增加的要求。因此，这些在其材料微观结构中具有0.50％至0.60％重量的碳、0.05％至0.5％重量的硅、0.2％至1.5％重量的锰、0.0005％至0.003％重量的硼、0.005％至0.05％重量的钛、0.0005％至0.1％重量的铝和0.002％至0.2％重量的氮，以及由铁和附带杂质形成的残渣。这种用于齿条的钢棒通常经过淬火和回火，使得其至少在钢棒的一个区段中的特定深度处具有回火贝氏体结构和回火马氏体结构。这些结构是有意将齿条直径减到最小的先决条件。然而，这种通过将直径减到最小来节省重量的潜力，在添加齿轮齿后不能充分利用，以解决具有应力峰值的齿轮齿中的“混乱”应力分布的问题，而不会对微观结构造成任何变化。
AT 515352 A1(DE 102014225995 A1)描述了一种具有齿轮齿的烧结部件，其包括具有齿根和齿侧的齿。齿轮齿的所有齿和齿根都具有等离子渗氮层或等离子氮碳共渗层，根据DIN 3990，齿根具有至少200MPa的永久齿根强度。用于制造此烧结部件的方法包括粉末压制、烧结和硬化的步骤。虽然即使对于这种烧结部件也可实现较高的齿根强度，但是齿侧可具有从200MPa到1500MPa的范围内的固有压应力的最大值，可实现烧结部件的疲劳强度的进一步改进，可减小齿的区域中出现裂纹的危险，并且这些烧结部件可作为具有直齿轮齿或斜齿轮齿的齿条来实现，当加工普通齿条时，技术人员从这无法获得任何关于解决应力状态问题的建议。其中公开的技术集中在用于硬化烧结部件的等离子渗氮层等离子氮碳共渗，以避免例如与工艺相关的变形。
本领域技术人员已知，可对工件表面重新加工，以消除不利的固有拉伸应力，或者通过机械方式和热方式(例如上述喷丸处理或感应退火)将有利的压应力引入关键部件。因此，可改变靠近表面的材料状态，例如固有应力或凝固。喷丸处理主要用来增加工件的表面强度。
US 2006/0048867 A1建议，在用气体束处理的过程中，通过用射线照相的方式照射这种表面进行硬化，来处理由钢中的固有应力导致的应力裂纹，以测量可选的或预期的固有应力的形成。然而，此教导以微观结构中的技术性变化为基础。
DE 102013218413 A1公开了在焊接之前立即将拖臂和扭杆预热到120℃和150℃之间的温度，其中，拖臂和扭杆在焊接之后受到喷丸处理。喷丸处理应该能提高使用寿命。
US 6,544,360 B1公开了一种用于根据DE 102013218413 A1制造机动车辆弹簧的表面处理工艺，通过该工艺，当机动车辆弹簧被加热且随后通过喷丸处理进行处理时，相应处理的表面表现出更好的应力分布，以在表面实现预期的固有压应力。因此，提出了一种用于喷丸处理金属部件(特别是机动车辆稳定器)的方法，该方法具有以下方法步骤：
-提供金属部件，并将金属部件插入喷砂(blasting)系统，其中，在喷砂处理之前加热金属部件，
-以可定义的清洁射束速度进行清洁，并且
-以可定义的喷丸处理射束速度进行后续喷丸处理，
其中，喷丸处理射束速度大于清洁射束速度。由于喷砂是由速度控制的，所以固化的尺寸并不总是可定义的。
从专家角度看，可以添加的是，根据以上引用的DE 102012100279 A1，可通过逐步硬化将待硬化工件内的不均匀硬化区域和不均匀应力保持较小。感应器的横区段形状与待硬化齿条的横区段形状相适应，可产生与非硬化区域具有平坦界面的硬度区域。此平坦界面应该在工件中导致均匀的应力分布，由此齿条可获得较高的机械稳定性，然而这与相对较高的成本相关。
因此，这两种方法的组合也将不能充分地或完全地解决在齿轮齿中具有应力峰值的“混乱”固有应力的问题。
另一方面，DE 10140444A1不进行后续的喷丸处理以增加带齿部件的动态负载能力，从而能够增加齿根区域中的齿侧承载能力。
在评估这些具有除了这里要解决的问题以外的其他方法和目标的措施(其最多代表个别的解决方案)之后，熟练技工得不到以有针对性的或可定义的方式来控制之前在转向齿条的制造中解决“混乱”应力分布的建议。他甚至不确定，包括喷丸处理在内的喷砂处理所能达到的结果也会对工件产生不利影响，特别是如果喷砂处理是不可控的。
而且，其他领域中方法的其他考虑因素未提供解决方案，例如在DE 19500078 A1中描述的。此方法涉及通过用喷丸处理冷变形来减小部件的预定断裂点的区域中的相对断裂扭矩。虽然这里假设受到弯曲或扭转的部件在横区段过渡处具有应力峰值(这会导致断裂，在材料侧上没有适当的对策)，但是此解决方案无法转移到这里考虑的齿条上。
熟练技工认识到，需要更复杂的考虑，因为容许的或需要的应力分布无法在正常工作过程的范围内在技术上进行控制。这需要创造性的考虑，以能够成功地将之前仅被认为是后处理的喷丸处理集成到用于生产齿条的工作过程中，或者将此与以上分析的措施或与其他措施结合。因为现有技术的分析也表明，在生产转向齿条的实践中获得的经验不能被纯计算确定的技术所取代。而且，需要“试错”的渐进式措施。
虽然Neuber的早期来源(工程研究，第29卷(1963))就齿条中的应力分布教导到，在复杂计算方法的帮助下可获得精确的应力函数，其可为任意剖面和任意力施加的应力分布提供新的计算基础。然而，为实际应用寻求新的计算基础的熟练技工找不到相应的解决方案。
通过检查现有技术中的上述解决方案，无法组合避免不利的、不可定义的或不均匀的“混乱”应力状态的解决方案，特别是齿条硬化和矫直之后在齿轮齿中存在的不利的拉应力及其应力峰值。因此，不容易实现避免齿条以后出现裂纹或断裂所必需的质量和材料的优化。
因此，必须找到这样一种新的解决方案：
·通过将齿条直径减到最小，及由此也将齿轮齿的包络圆直径减到最小，并且应力分布基本均匀，微观结构没有变化，来满足齿条重量节省的要求，
·避免齿条的疲劳强度减小和形成裂纹或断裂的缺点，并且
·产生直径最小化的可能。
发明内容
本发明的目的是，通过在加工操作中具有一组合顺序的部分已知的技术和操作，将齿条硬化和/或矫直之后存在的拉应力和压应力的混乱固有应力分布的应力系统转变成优化材料的强度和使用以及齿条的直径的应力系统，而不改变或者不破坏相应钢材的微观结构部件。
在本上下文中
·如本领域中已知的且具体应用的X射线测试，例如根据US 2006/0048867 A1，和/或
·众所周知的喷丸处理，以前仅被认为是后处理，或者在技术等待期之后应用，以避免在金属部件中形成裂纹(例如，如以上在DE 102013218413 A1、DE 102011055104 B4、DE 10140444 A1中描述的)，从而引入压应力，
应集成到连续顺序的操作中以及选择性地使用，其中在工件中获得更均匀的应力分布的在功能上组合的新效果。
根据本发明，通过根据权利要求1和从属权利要求2至17所述的方法，及通过根据权利要求18至20所述的随后用该方法处理的齿条，来实现该目的。
用于加工由金属材料制成的齿条的方法的创造性原理(其中，在硬化之后，或者在硬化和矫直之后，一开始至少在齿轮齿的区域中存在拉应力和压应力的“混乱”固有应力分布)是，通过加工工序的一系列在功能上组合的步骤将固有应力分布转变成容许的固有应力分布，而不会导致微观结构变化，由此至少齿轮齿的区域受到预应力，该预应力具有规定的引入的固有压应力，没有拉应力，使得在齿轮齿的区域中存在这样的物理系统，其具有固有压应力的应力值和基本上均匀的应力分布或应力平面的容许的固有应力分布。
与以上评估的AT 515352 A1(DE 102014225995 A1)相比，根据该结果，对于具有齿轮齿的烧结部件来说，为了提高烧结部件的疲劳强度，固有压应力的最大值是可能的，根据本发明来实现应力状态的控制，而不改变钢的微观结构，使得本技术在原理和质量上都与其不同。
为此目的，在硬化之后，或者在硬化和矫直之后，利用至少一个齿条中的齿轮齿的选择区段中的表示轴向方向上的拉应力的轴向应力和横向方向上的压应力的横向应力的测量值，来将“混乱”应力分布定义为具有相同参数的根据本发明加工的批次或系列齿条的参考分布或理论上假设的应力分布，即，在相应批次或系列的技术准备的环境中。
该方法考虑到，普通齿条通常具有在基本操作(例如切割短件、在区段中应用齿、硬化、矫直)之后及在完成端面、研磨、精加工、裂纹测试和清洗之前在这里被称为“混乱”的应力系统。本领域技术人员已经认识到，在应用齿轮齿和硬化之后，在带齿齿条中普遍存在拉应力和压应力，以能够确定其程度，即通过固有应力的X射线衍射测量来无损地确定其程度。在齿轮齿的区段的至少一个近表面层中，在其轴向方向和横向方向上测量固有应力，深度小于100μm。
由于通过确定晶体晶格中的晶格膨胀(作为固有应力的结果)来测量射线照相应力，所以将根据坐标系执行测量，其中，从多轴应力状态确定应力。
带齿区域需要在工件和材料上特定设置X射线设备，例如衍射仪，包括以下标准，例如
·选择要照射的区域，以及
·确定与测量位置相关的测量，例如干涉线、角度范围、倾斜。
因此，对于固有应力的X射线衍射测量，确定齿轮齿的所选(边界层)区段，以能够在其轴向方向和横向方向上将现有的压应力和拉应力检测为轴向应力和横向应力的测量值。
虽然工件中的X射线衍射测量通常是已知的，如以上关于US 2006/0048867 A1提到的，但应强调的是，对于本公开中的齿条，必须对以下措施提供第一加工步骤，而非由熟练技工正常操作，以最终对预期基本均匀的应力分布实现可用的结果，而不改变微观结构。根据本发明的目标均匀应力分布不仅在不改变微观结构的情况下实现，而且不需要额外的方式(例如根据US 2006/0048867 A1的额外的气体束处理)。因此，将对根据本发明的固有应力的具体结构化的X射线衍射测量集成到具有协同效应的技术过程中。
由于在当前“混乱”应力系统中观察到的压应力和拉应力现在是可测量且可检测的，所以拉应力的应力峰值可在理论上确定或假设，其可在功能上集成到加工操作中。另一方面，这在技术上是有意义的，因为可假设一个“代表性样本”，即，不用必须对批次或系列的每个齿条执行“混乱”应力系统的测量。例如，在±＜2.0MPa×103的范围内测量的拉应力和压应力中，可将至少±0.5MPa×103定义为应力峰值或幅度。
根据本发明的该测量，第一技术步骤已经体现出了特殊的创造性方面，其在基于功能的加工操作中，即在不改变微观结构的情况下关于齿轮齿中所需的均匀应力分布方面，超出最初确定的现有技术。
因此，通过经由喷丸处理，例如，使用玻璃珠，引入近表面固有压应力，来消除、平滑或减小拉应力的上述应力峰值，这可在＜10s的短时间内进行。
或者，可通过感应加热(例如应力消除)来消除、平滑或减小拉应力的应力峰值，其中，可在120℃到160℃的范围内进行加热，并且可在加热之前和加热之后检测基于相应的应力状态的值。
可根据齿轮齿的类型来进行感应松弛，其中可考虑均匀或可变的齿轮齿，或者材料的特征。
在喷丸处理或感应加热及应力峰值或幅度的消除、平滑或减小之后，齿轮齿的区域通过随后的钢丝丸喷砂(或者钢丸喷砂及钢喷丸处理)，来接收具有限定的引入的固有压应力而无拉应力的预应力，使得实现预期的或容许的固有应力分布。
为此目的，通过±p1的范围内的射束应力来引入固有压应力的特定规定的值。
此切割钢丝喷砂的应用的一个创造性特征是，根据之前测量的值来有意地定义压应力，并与之前消除、平滑或减小应力峰值或幅度的功能协同应用。同时，喷砂过程导致的变形可同时通过将压应力通过阿尔门(Almen)强度测量(在下文中也叫做Almen试验)确定为测量强度，而在定义的样本中确定和控制。除此之外，可考虑喷砂材料的硬度和形状、入射角、喷砂材料的动能及任何障碍物。因此，Almen试验变成根据本发明的加工操作的功能性组合系列步骤的技术集成要素。因此，对于预定持续时间或者对于预定数量的批次或系列，单个齿条可代表作为Almen试验样本的定义的样本。
由于根据本发明的加工操作中的这些处理步骤的有效紧密连接和相互支撑组合的原因，可将在微观结构的物理应力系统中检测到的应力峰值转变成均匀应力平面或应力分布，具有以下令人惊讶的效果：在齿轮齿的特定区段中存在固有压应力的形式的齿轮齿的预应力。
利用本发明，通过用根据本发明的方法对可变齿轮齿检测和覆盖不同的齿根半径和不同的齿侧角度，可考虑与恒定齿轮齿相比可变齿轮齿的不利特征。因此，可将拉应力和压应力的原始固有应力分布转变成容许固有应力分布，考虑齿轮齿的类型或齿条材料的特征。
因此，可优化齿条的直径的尺寸，特别是车辆的转向齿条(与其他具有相当轴载荷的物体相比)。
该方法允许＞-0.6MPa×103到＜2.0MPa×103的范围内的齿轮齿中的固有压应力的值，使得这些值最终成为根据该方法加工的齿条的定性新特征。
因此，通过根据本发明的方法制造的转向齿条在齿轮齿的区段中具有
a)引入齿轮齿的压应力，
b)形成均匀应力平面/分布的物理应力系统，以及
c)通过齿轮齿的固有压应力在尺寸上转变的预应力，
这使得转向齿条具有新的、在功能上均匀组合的质量。因此，通过将齿条直径减到最小及由此将齿轮齿的包络圆直径减到最小，可满足日益增加的节省重量的要求，尽管将直径减到最小，但仍可增加疲劳强度，对于汽车转向系统，可满足对车辆的更高轴载荷(axle load)的要求，并且可保持技术成本较低。
附图说明
这些图示出了
图1是根据本发明加工的齿条1的平面图，示出为具有测量范围的转向齿条，该测量范围分成：
·齿轮齿2的区段2.2，定义为从销1.1开始到第5个齿，
·齿轮齿2的区段2.3，定义为测量范围中心，以及
·齿轮齿2的区段2.4，定义为从轴1.2开始到第5个齿，
为了便于说明，强调了齿轮齿2的这些区段2.2、2.3、2.4的细节A，其中，在轴向方向x上测量拉应力σ+，在横向方向y上测量压应力σ-；
图2.1是硬化和矫直之后根据图1的齿轮齿2中的拉应力σ+和压应力σ-的测量应力分布σ的图示，确定图1的齿条1中的拉应力σ+的应力峰值σ+peak和压应力σ-的应力峰值σ-peak，对于根据本发明加工的齿条1的批次或系列，其用作齿条1的所选样本的指定“σ-分布”的基础，作为具有相同参数的齿条1的批次或系列的参考应力分布σ或者作为理论上假设的应力分布σ；
图2.2是拉应力σ+的应力峰值σ+peak的创造性消除或平滑(在这里叫做“应力峰值平滑”)之后根据图1的齿条1的齿轮齿2中的拉应力σ+和压应力σ-的σ分布”的图示；
图2.3是根据本发明的加工操作之后的根据本发明的根据图1的齿条1的齿轮齿2中的压应力σ-的容许或预定应力分布σperm的图示，由此将根据图2.1的σ分布”转变成容许的未指定应力分布σperm，并且齿轮齿2的区域具有有意引入的未指定固有压应力σ-E而无拉应力σ+的预应力，这里象征性地用箭头指示，根据该箭头
·在指示为“过程I”的第一阶段中，通过用喷丸处理引入近表面非指定固有压应力σ-E，加工操作的步骤的功能性组合系列有意地平滑、减小或消除图1的拉应力σ+的非指定应力峰值σ+peak，并且
·在指示为“过程II”的第二阶段中，作为根据本发明的加工操作的步骤的功能性组合系列的结论，在喷丸处理或感应加热及消除、平滑或减小这些应力峰值σ+peak之后，通过根据指定“σ规格”的后续钢丝丸喷砂，来实现容许固有应力σperm；
图3是三个在图1的齿轮齿2中获得的固有压应力σ-E的测量值的条形图，如根据本发明介绍的，通过在加工操作中用不同的射束压力进行喷丸处理或应力减小和钢喷丸，即在用I、II、III指示的框图中；
图4是描绘为在根据图1的带齿齿条1的齿轮齿2的区段2.2、2.3和2.4中实现的详细应力值的图示的概览；
图5是当用玻璃珠喷砂时要避免的不利的“无法达到”齿底的示意图。
下面将更详细地说明本发明的代表性实施例。
具体实施方式
为了更好地理解根据图1的根据本发明加工的齿条1的可重现性，根据图2.1、图2.2、图2.3的技术条件，根据图3的结果以及诸如根据图4的可能强制性数据的数据，以实例示出。
在图1中，齿条1用作基础，具有通过按照有限长度的端面1.3和直径2.5非切割成形在销1.1和轴1.2之间而引入的齿1的齿轮齿2，该直径2.5在硬化和矫直之后根据本发明进行加工。
鉴于最初分析的问题，即
·在齿条1的硬化和矫直之后，在齿轮齿2中存在不利的、不可定义的或不均匀的应力状态，在这里叫做“混乱”，如图2.1所示，在齿轮齿2中具有拉应力σ+和压应力σ-的应力分布σ，具有特别不利的拉应力σ+及其应力峰值σ-peak，以及
·需要在避免齿条1后续开裂或断裂的同时，对质量和材料使用进行外部规定强制性数据及优化，
必须处理齿条1，以便
·通过将齿条直径减到最小，及由此也将齿轮齿的包络圆直径减到最小，并且应力分布基本均匀，微观结构没有变化，来满足重量节省的要求，
·避免齿条的疲劳强度减小和形成裂纹或断裂的缺点，并且
·完全提供直径最小化的可能。
以下符号一致指定：
·σ+是拉应力，
·σ-是压应力，
·σ-E是固有压应力，
·σ是应力分布，也是作为(固有)应力分布的“混乱”，以及
·σperm是容许的、预期的、设定的或实现的(固有)应力分布。
根据本发明，在加工操作的步骤的功能性组合顺序中，不利于满足所需参数的(固有)应力分布σ将转变成容许(固有)应力分布σperm，不改变微观结构，其中，(至少)齿轮齿2的区域受到预应力，该预应力具有规定的引入的固有压应力σ-E，没有拉应力σ+，使得加工的结果是在齿轮齿2的区域中存在这样的物理系统，其具有固有压应力σ-E的应力值和基本上均匀的应力分布或应力平面的容许(固有)应力分布σperm的应力值。
根据本发明的加工方法基于这样的事实：在具有齿1的齿轮齿2中，必然地存在，测量出或未测量出，或者检测出或未检测出，存在根据图2.1的拉应力σ+或压应力σ-的“混乱”(固有)应力分布σ。在本发明的上下文中，在齿条1的样本上检查并定义此状态，如下所述。作为本发明的重要方面，并且作为将用这些集成步骤加工的根据图1的齿条1的准技术准备，将具有齿2.1的齿轮齿2的区段(＝齿轮齿2的长度)各自分成
·区段2.2，作为从销1.1开始到第5个齿2.1的测量范围，
·区段2.3，作为测量范围中心，以及
·区段2.4，作为从轴1.2开始到第5个齿的测量范围。
为此，齿轮齿2的强调细节A对以下测量显示了符号向量箭头
·对于轴向方向x上的拉应力σ+的测量，以及
·对于横向方向y上的压应力σ-的测量。
在为创造性加工准备的此技术系统的基础上，通过X射线衍射测量在所选(近表面)区域中检测齿轮齿2在轴向方向x上的拉应力σ+和横向方向y上的压应力σ-，并将其记录为测量值。
虽然工件中的X射线衍射测量通常是已知的，但应强调的是，在本齿条1的情况中，已经对超出熟练技工预期的作用的第一技术方法开发并测试了测量方法，以在不改变微观结构的情况下最终获得基本均匀的应力分布和可用结果。由于通过作为晶体晶格中的固有应力的结果确定晶格膨胀来执行X射线衍射测量，所以可在定义的坐标系中执行测量，由此从多轴应力状态确定应力。
由于齿轮齿2要求对齿条1上的X射线设备(例如衍射仪)进行特殊调节，所以必须遵守以下标准：
·选择要照射的区域，并且
·确定与测量位置相关的测量，例如干涉线、角度范围、倾斜。
因此，对于此技术准备步骤，必须确定对固有应力的X射线衍射测量选择的齿轮齿2的(近表面层)区段2.2、2.3、2.4。因此，在硬化和矫直之后，在轴向方向x和横向方向y上确定齿轮齿2中的拉应力σ+和压应力σ-的当前应力分布σ，识别拉应力σ+的应力峰值σ+peak和压应力σ-的应力峰值σ-peak，并将其记录为测量值。
根据本发明的此方法具有这样的优点：对于将用相同参数加工的齿条1的批次或系列，齿条1的所选样本的“混乱”应力分布σ然后可在实践中用作定义参考应力分布σ，或者用作理论上假设的应力分布σ。
图2.1以图表的形式示出了用于具有相同参数的齿条1的批次或系列的参考应力分布σ或理论上假设的应力分布σ，可从中收集硬化和矫直之后的齿轮齿2的应力分布σ和拉应力σ+及压应力σ-的尺寸[MPa]×103中的值，对于图1所示的比较齿条1具有指示的拉应力σ+的应力峰值σ+peak和压应力σ-的应力峰值σ-peak。然后，已经从齿条1的所选样本获得的此应力系统可用于将根据本发明制造的齿条1的批次或系列，并且具有与参考应力分布相同的参数，或者与理论上假设的应力分布σ相同的参数，该应力分布σ的值为具有尺寸[MPa]×103的拉应力σ+和压应力σ-。
图2.2示意性地示出了拉应力σ+的应力峰值或幅度σ+peak存在和如何存在于加工操作的步骤的功能性组合系列中的方法。因此，可根据第一阶段(叫做应力峰值平滑，在图2.3中表示为过程I)定义和消除具有尺寸[MPa]×103的值的拉应力σ+的应力峰值或幅度σ+peak。
加工操作的步骤的功能性组合系列包括，通过用喷丸处理(例如用玻璃珠喷砂)引入近表面固有压应力σ-E，来平滑、减小或消除拉应力σ+的应力峰值σ+peak，如用根据第一阶段的箭头象征性地指示的，及在下面更详细地描述的图2.3中象征性地指示的。可执行喷丸处理小于10s的简短时间。在用玻璃珠喷砂时，将喷砂材料的球的尺寸构造为，使得可照射齿轮齿2的齿根中的相应齿根半径，以避免不利的“无法达到”齿根，如在图5中示意性地示出的。
或者，可通过感应加热(例如应力缓解)消除、平滑或减小拉应力σ+的应力峰值σ+peak(及可能地，压应力σ-的应力峰值σ-peak)。加热可发生在从120℃到160℃的范围内，由此可在加热之前和之后测量应力值。
因此，根据图2.2在喷丸处理或应力缓解之后(最初作为根据本发明的方法的技术中间阶段)，获得没有应力峰值σ+peak的(固有)应力分布σ。
根据本发明，将在齿轮齿2的范围内引入具有规定固有压应力σ-E且无拉应力σ+的预应力，使得通过向前看，在齿轮齿2的区域中存在具有基本均匀的应力分布或应力平面的(固有)预应力σ-E和容许(固有)应力分布σperm的应力值的物理系统。为此，在喷丸处理或感应加热和应力峰值σ+peak或幅度的消除、平滑或减小之后，通过随后的用射束压力p1钢丝丸喷砂来实现容许固有应力分布σper(可能根据强制性数据来实现)，特别是在根据图2.3的第二阶段II，且作为根据本发明的加工操作的步骤的功能性组合系列内的结论。因此，在齿轮齿2的区域中存在有意引入固有压应力σ-E且无拉应力σ+的预应力，如根据σ规格的图2.3的图表所示。
图3示出了对于所处理的齿条1的预期固有压应力σ-E(及由此容许的或根据强制性数据获得的固有应力分布或σperm)的值，如通过根据本发明的加工操作通过喷丸处理或应力消除及钢丝丸喷砂有意引入的，例如在根据框图I的p1的射束压力(beam pressure)下，在根据框图II的0.5×p1的射束压力下，或者在根据框图III的1.4×p1的射束压力下。
这里作为加强射束操作的钢丝，可根据加工操作(如果适用的话，之前进行油漆试验)中集成的“Alemn”试验之后引入的固有压应力σ-E的具体值进行控制，以确保质量。当操作射束时，控制操作压力，并且在“Almen试验”准作为试验样本之后，齿条1可用，在该试验样本上(见图4)，可以证明，与本发明相关的步骤的结果是，值a1＝轴向应力开始，a2＝横向应力开始，b1＝轴向应力中心，b2＝横向应力中心，c1＝轴向应力结束，c2＝横向应力结束，在齿轮齿2的区段2.1、2.2、2.3中存在容许应力平面或应力分布。
由于在齿轮齿2的区段2.2、2.3、2.4中，例如＞-0.6MPa×103到＜-2.0MPa×103的范围内的固有压应力σ-E的值是可能的，所以本发明使得以下与齿条1的构造开发有关：
在齿条1的传统加工中，设计人员通常研究其横截面性能，并对齿条负载、给定负载情况下的弯曲线和动态疲劳试验进行优化，以实现对应的弹性模量和预期的疲劳寿命。例如，他在齿轮齿2的区域中确定28mm的齿杆直径D。虽然可忽略固有压应力-σ-E或者近表面应力σ的大小和方向，然而，在齿轮齿2中不利地保持拉应力σ+，即拉应力σ+和压应力σ-的负“混乱”应力分布σ。
现在接受创造性教导的熟练技工可通过以下方式有利地深化齿条1的结构优化：
·研究对于疲劳强度和使用寿命来说重要的因素，例如齿根(包括齿根半径及其对应的槽口效应)处的齿2.1的横截面面积和截面模量，以及齿宽、齿根平面或表面，
·而且，将拉应力σ+和压应力σ的固有应力分布σ根据可变齿轮齿2ivar或恒定齿轮齿2iconstant，或者根据齿条1的材料的特征，转变成容许固有应力分布σperm，
·通过有意引入近表面固有压应力σ-E(例如，在表面下方0.02mm)来消除拉应力σ+，并且将齿条1的直径D最小化到例如26mm，并且
·对于车辆的相同轴重，甚至优化齿条1的直径D的尺寸，例如车辆的转向齿条。
这是可能的，因为根据本发明的方法提供了这样的齿条1，其允许＞-0.6MPa×103到＜-2.0MPa×103的范围内的固有压应力σ-E的值。
图4示出了最初在微观结构的物理应力系统中起不利作用的应力比是如何由于与本发明相关的步骤通过以上定义的值a1、a2；b1、b2；c1、c2而转变成齿轮齿2的以下区段中的容许应力平面或应力分布：
·2.2，如在从销1.1开始的第5个齿上测量的，
·2.3，在测量范围中心，
·2.4，如在从轴1.2开始的第5个齿上测量的。
因此，可将诸如外部强制性数据的默认值与所实现的实际值进行比较，并确认满足该默认值，即在齿轮齿2中存在来自固有压应力σ-E的有利的预应力，而无有害拉应力σ+。
工业适用性
本发明在技术上适用，具有相对较低的成本，并且使得可能通过将齿条减到最小来满足节省齿条重量的要求。齿条的耐久性是令人满意的，并且避免齿轮齿中的裂纹或断裂。特别地，在汽车转向系统中，可实现对车辆的更高轴重的要求。
所使用的参考数字和符号的列表
1＝齿条
1.1＝销
1.2＝轴
1.3＝前侧
2＝齿轮齿
2.1＝齿
2.2＝作为从销1.1开始的测量范围的齿轮齿2的区段
2.3＝作为测量范围中心的齿轮齿的区段
2.4＝作为从轴1.2开始的测量范围的齿轮齿2的区段
2.5＝齿条1的直径
X＝轴向方向
Y＝横向方向
σ＝应力分布，也叫做“混乱”(固有)应力分布
σperm＝容许的、预期的、规定的(固有)应力分布，也叫做“σ规格”σ+＝拉应力
σ-＝压应力
σ-E＝固有压应力
σ+peak＝拉应力的应力峰值或幅度
σ+x＝轴向应力
σ+y＝横向应力
ivar＝可变齿轮齿
iconstant＝恒定齿轮齿
±p1＝可变射束压力
a1＝轴向应力值开始
a2＝横向应力值开始
b1＝轴向应力值中间
b2＝横向应力值中心
c1＝轴向应力值结束
c2＝横向应力值结束。

Claims (20)

1.一种用于加工由金属材料制成的齿条(1)的方法，其中，在硬化之后，或者在硬化和矫直之后，最初至少在齿轮齿(2)的区域中存在拉应力(σ+)和压应力(σ-)的“混乱”(固有)应力分布(σ)，其中，在加工操作的功能性组合的一系列步骤中，将(固有)应力分布(σ)转变成容许(固有)应力分布(σperm)，而不改变微观结构，并且至少所述齿轮齿(2)的所述区域受到具有限定的引入的固有压应力(σ-E)而无拉应力(σ+)的预应力，使得在所述齿轮齿(2)的所述区域中存在这样的物理系统，该物理系统包括具有固有压应力(σ-E)的应力值并包括具有基本上均匀的应力分布或应力平面的容许(固有)应力分布(σperm)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在硬化之后，或者在硬化和矫直之后，在所述齿轮齿(2)的至少一个齿条(1)中的能选择的区段(2.2、2.3、2.4)中，呈现轴向应力(σ+x)和横向应力(σ-y)的测量值的形式的轴向方向(x)上的拉应力(σ+)和横向方向(y)上的压应力(σ-)用于将“混乱”应力分布(σ)定义为用于具有相同参数的根据本发明加工的所述齿条1的批次、系列或组的参考应力分布或者理论上假设的应力分布σ。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过轴向方向(x)和横向方向(y)上的所述齿轮齿(2)的区段(2.2、2.3、2.4)的至少一个近表面层中的X射线衍射测量来测量固有应力分布(σ)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在<100μm的限定深度内测量轴向应力(σ+x)和横向应力(σ-y)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在硬化之后，或者在硬化和矫直之后，在区段(2.2、2.3、2.4)中测量处于±＜2.0MPa×103的范围内的拉应力(σ+)和压应力(σ-)，其中至少将±0.5MPa×103定义为应力峰值(σ+peak)或幅度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，消除、平滑或减小拉应力(σ+)的应力峰值(σ+peak)或幅度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，通过用诸如玻璃珠喷砂的喷丸处理引入近表面固有压应力(σ-E)，有意地消除、平滑或减小拉应力(σ+)的应力峰值(σ+peak)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，简短地执行喷丸处理小于10s的时间段。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，通过诸如应力消除的感应加热来消除、平滑或减小拉应力(σ+)的应力峰值(σ+peak)。
10.根据权利要求1至6和9中任一项所述的方法，其特征在于，加热发生在120℃到160℃的范围内，其中，在加热之前和加热之后，测量基于相应应力状态的值。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，在喷丸处理或感应加热及应力峰值(σ+peak)或幅度的消除、平滑或减小之后，所述齿轮齿(2)的所述区域通过随后的钢丝丸喷砂处理或钢丸喷砂处理及钢喷丸处理而获得预应力，该预应力具有限定的固有压应力(σ-E)，而没有拉应力(σ+)，使得获得容许固有应力分布(σperm)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，通过±p1的范围内的射束压力来引入固有压应力(σ-E)的具体预定值。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，在区段(2.2、2.3、2.4)中存在＞-0.6MPa×103且＜2.0MPa×103的范围内的固有压应力(σ-E)的值。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，通过阿尔门强度测量控制和检测限定的引入的固有压应力(σ-E)，作为所测量的强度。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，根据阿尔门强度测量的应力分布(σ)用作用于具有相同参数的根据本发明加工的齿条1的批次或系列的参考应力分布或理论上假设的应力分布σ。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述齿轮齿(2)的类型ivar或iconstant，或者根据齿条(1)的材料特征，将拉应力(σ+)和压应力(σ-)的固有应力分布(σ)转变成容许固有应力分布(σperm)。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其特征在于，与另一车辆的相同轴载荷相比，齿条(1)的直径(D)的尺寸被优化，诸如车辆的转向齿条。
18.一种齿条(1)，根据权利要求1至17中的一项而加工，其特征在于，在所述齿轮齿(2)中存在＞-0.6MPa×103且＜2.0MPa×103的范围内的固有压应力(σ-E)的值。
19.一种齿条(1)，根据权利要求2而加工，其特征在于，其用于定义“混乱”应力分布(σ)的轴向应力(σ+x)和横向应力(σ-y)的测量值被用作具有参考应力分布或理论上假设的应力分布σ的样本而用于利用相同参数加工的齿条1的批次或系列。
20.一种齿条(1)，根据权利要求1至17中的一项而加工，其特征在于，具有＞-0.6MPa×103且＜2.0MPa×103的范围内的固有压应力(σ-E)的测量值，该测量值被用作样本而用于利用相同参数加工的齿条1的批次或系列。
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