CN113423974A - 传动元件和传动元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传动元件，其被齿化有齿，并且具有至少一个由第一材料形成的局部区域和至少一个由第二材料增材形成的边缘。第二材料具有比第一材料更大的硬度，或在表面中引起内部压应力。在前述权利要求中任一项所述的传动元件的制造方法中，至少第二材料通过激光熔覆，特别是激光丝熔覆，和/或热喷涂和/或冷气体动态喷涂和/或弧熔覆和/或粉末床方法，和/或选择性激光熔化形成。

Description

传动元件和传动元件的制造方法

技术领域

本发明涉及一种传动元件和一种传动元件的制造方法，以及一种机器，特别是一种电机，以及一种传动装置和一种涡轮机。

背景技术

传动元件，比如特别是齿轮和齿条，在表面硬度和内部材料延展性方面都有严格的要求。一方面，对于传动元件的操作，表面硬度必须足够高。同时，这种传动元件在其内部(也就是说在其芯部)必须具有足够高的延展性，以能够补偿传动元件上的动态力。同时，如果传动元件的表面具有内部压应力则是有利的。这种要求特别存在于涡轮机特别是电机的传动元件的情况下。

用表面硬化钢制造传动元件的齿以及通过表面渗碳增加材料的否则低碳含量的实践是众所周知的。然后可以硬化传动元件，从而确保传动元件具有表面特别坚硬的齿，并且在其它方面被设计为足够软，即具有足够的延展性。然而，表面硬化的一系列工艺耗时、成本高、能耗大，并且由于使用工艺气体而对环境产生不利影响。

可替代地，可以使用表面硬化钢对材料进行复杂的化学适配和热处理，或者对传动元件的表面进行氮化，或者通过激光或感应使其周围层硬化。然而，这些替代方式在其材料特性方面受到限制，特别是其表面硬度或其硬度深度曲线，因此此类传动元件不能普遍用于高强度要求。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种传动元件，该传动元件就其材料特性而言，能够可靠地用于涡轮机和/或机器中，并且同时能够以相对简单的方式低成本地制造。此外，本发明的另一个目的是提出一种用于制造这种传动元件的方法，该方法可以可靠且低成本地执行。此外，本发明的目的是提出一种具有这种传动元件的机器和涡轮机。

本发明的目的是通过具有权利要求1所述特征的传动元件、具有权利要求11所述特征的方法、具有权利要求12所述特征的传动装置、具有权利要求13所述特征的机器和具有权利要求14所述特征的涡轮机来实现的。本发明的优选方案在相关从属权利要求、以下说明书和附图中进行了说明。

根据本发明的传动元件具有齿，并且具有用第一材料形成的至少一个局部区域和用第二材料增材形成的至少一个边缘区域。在根据本发明的传动元件的情况下，第二材料具有比第一材料更大的硬度，或者第二材料由于其附着于第一材料、特别是由于第一和第二材料的结构偏差而在边缘区域的表面具有内部压应力。

由于可以低成本实现边缘区域的表面硬度，因此根据本发明的传动元件有利地具有相当长的使用寿命。因此，根据本发明的传动元件可以以显著降低的维护成本和/或修理成本而使用。同时，第一局部区域可以由具有足够延展性的材料形成，从而使得第一局部区域能够执行机械缓冲功能以补偿传动元件上的动态力。

通过使用多轴或机器人系统的增材制造，根据本发明的传动元件适用于低成本制造。根据本发明，可将材料特性设计成分级的，从而确保借助于第一材料，传动元件在其内部具有足够高的延展性。同时，根据本发明的传动元件可以借助于第二材料而变得足够硬，特别是脆硬。借助于制造方法，特别可以以分级方式建立脆硬/延展性材料组合，从而能够建立分级硬化深度曲线或内部压应力梯度。通过将传动元件设计为增材工件，至少对于第二材料，可以实现大量的材料组合。特别地，IN718可用作第一材料，使得传动元件就第一材料而言具有特别耐热和延展性的构造。作为增材工件，根据本发明的传动元件可以具有到第二材料特别是到一种或多种钨铬钴合金和/或硬质金属和/或金属间化合物材料的分级或阶梯过渡。

作为增材工件，根据本发明的传动元件可以以低成本制造几乎任何设计的特殊齿。

有利地，根据本发明的传动元件可以借助于本发明的增材制造方法低成本地制造。特别是，大大降低了工具成本。此外，根据本发明，由于原则上使用机器人的可能性，可以降低每小时的机器成本。根据本发明，可以大大减少设置时间。有利地，根据本发明的传动元件缩短了制造时间，特别是与难加工材料的常规制造相比。

作为至少就第二材料而言的增材工件，根据本发明的传动元件可以以低成本的方式制造，特别是以小批量制造。

根据本发明的传动元件中的第二材料和第一材料的维氏硬度差优选为至少100HV，优选为至少200HV，理想情况下至少400HV。第二材料优选具有至少500HV、优选至少600HV、优选至少700HV、甚至至少780HV的维氏硬度，和/或，第一材料具有最多400HV、优选最多350HV的维氏硬度。

由于容易获得的表面硬度，根据本发明的传动元件有利地具有相当长的使用寿命。因此，根据本发明的传动元件可以以显著降低的维护成本和/或修理成本而使用。同时，第一局部区域的材料可在宽的范围内制成具有期望的延展性。

在根据本发明的传动元件的情况下，齿中的至少一个或多个、优选全部齿适当地具有由第二材料增材形成的边缘区域。有利地，所有齿都由第二材料形成。然而，原则上，即使仅仅每两个或每三个或每n个齿由第二材料形成，也可以实现根据本发明的传动元件的稳健设计。

作为特别优选的，根据本发明的传动元件由多于两种的材料形成，其中其它材料适当地确保硬度从第一材料到第二材料的阶梯式或连续增加。其它材料适当地位于第一和第二材料之间。在根据本发明的传动元件的情况下，齿中的一个或多个、优选全部齿理想地具有由第二材料增材形成的边缘区域。根据本发明的传动元件优选地通过这些其它材料中的一种或多种或所有增材形成。

在根据本发明的传动元件的情况下，另外，优选通过增材形成局部区域，或者，可替代地并且同样优选地，通过一次成形，优选铸造，成形，优选锻造，通过减材，特别是通过机加工，形成局部区域。

在上次提到的根据本发明的传动元件的开发中，可以有利地使用通常由第一材料制成的芯部，从而使得能够以特别低成本的方式制造根据本发明的传动元件。

在根据本发明的传动元件的情况下，第一材料适当地具有比第二材料更高的延展性。因此，第一材料，特别是局部区域，可以补偿传动元件上的动态力。

根据本发明的传动元件适当地是齿轮或齿条，或者适当地具有齿轮或齿条。

在根据本发明的传动元件的情况下，硬度沿着从边缘区域到局部区域的截面逐步和/或连续地降低，优选地至少借助于第一和第二材料降低，优选地还借助于一种或多种其它材料降低。

在根据本发明的传动元件中，第一材料适当地形成有表面硬化钢和/或镍基合金，或者适当地由表面硬化钢和/或镍基合金形成。

在根据本发明的传动元件的情况下，第二材料适当地形成有硬质金属、优选碳化钨和/或镍基合金，或者适当地由硬质金属、优选碳化钨和/或镍基合金形成，镍基合金优选在至少250℃下具有长期热稳定性。根据本发明，在根据本发明的传动元件的开发中，可以使用高度耐热且脆硬材料作为第二材料的增材工件。

在根据本发明的传动元件的情况下，至少第二材料有利地通过激光沉积焊接，特别是激光丝沉积焊接或激光粉末沉积焊接，和/或通过热喷涂和/或通过冷气体喷涂和/或通过弧沉积焊接和/或通过粉末床工艺，特别是激光束熔化和/或选择性激光熔化和/或电子束熔化形成。通过上述增材制造方法，可以以特别简单和低成本的方式打印传动元件的第二材料。

在根据本发明的如上所述用于制造传动元件的方法中，通过激光沉积焊接，特别是激光丝沉积焊接，和/或热喷涂和/或冷气体喷涂和/或弧沉积焊接和/或粉末床工艺和/或选择性激光熔化至少在边缘区域形成至少第二材料。原则上，第一局部区域可以用第一材料以常规方式形成，即通过一次成形或成形或机加工形成。

原则上，在根据本发明的方法中，还可以另外执行最终的常规和已确立的硬精加工步骤，从而允许以根据本发明的任何期望精度进行制造。

根据本发明的传动装置具有至少一个如上所述和/或如根据本发明的方法制造的根据本发明的传动元件。

根据本发明的机器特别是电机，优选发电机和/或马达和/或电动机。根据本发明的机器具有如上所述根据本发明的传动装置。

根据本发明的涡轮机特别是风力涡轮机和/或燃气涡轮机和/或航空燃气涡轮机。根据本发明的涡轮机具有如上所述的根据本发明的传动装置和/或根据本发明的机器。

具体实施方式

下面参照附图中图示的示例性实施例更详细地解释本发明。

附图中的单个图1在基本横截面图中示意性地示出了根据本发明的齿轮形式的传动元件。

图中所示的根据本发明的齿轮10形式的传动元件是根据本发明风力涡轮机30的发电机形式的根据本发明电机20的一部分。在未具体示出的其它示例性实施例中，齿轮10是燃气涡轮机或航空燃气涡轮机或马达的传动装置的一部分，并且在其它方面对应于图示的示例性实施例。

齿轮10可在图1的图面内旋转，即绕垂直于图面的旋转轴线(未明确显示)旋转。如图1所示，齿轮10被齿化有齿40，齿40围绕该旋转轴线布置在外圆周上。齿40从基本上圆形的齿轮芯50径向向外延伸，即在径向R上延伸。

根据本发明，齿轮10形成如下：

首先，圆形齿轮芯50是通过一次成形(在图示的示例性实施例中通过铸造)来制造的。为此，在所示的示例性实施例中使用镍基合金。可替代地，在未具体图示的其它示例性实施例中，齿轮芯50可以通过成形例如由表面硬化钢来制造，或通过减材制造例如通过机加工由镍基合金组成的块来制造。齿轮芯50形成齿轮10的第一局部区域，其由第一材料(在图示的示例性实施例中为镍基合金)形成。

齿40通过增材制造方法整体地形成在齿轮芯50上，在所示的示例性实施例中通过增材制造来实施。为此，通过硬质金属(在所示的示例性实施例中为碳化钨)的激光沉积焊接，将齿40打印到齿轮芯50上。

在图示的示例性实施例中，齿40形成边缘区域，该边缘区域由第二材料形成，这里如所述的碳化钨。

根据本发明，第二材料具有的维氏硬度与第一材料的维氏硬度相差超过500硬度。在这种情况下，第二材料也受到第一材料上的内部压应力的影响，这使得第二材料在机械应力方面特别坚固。

在未具体图示的其它示例性实施例中，可通过激光丝沉积焊接或热喷涂或弧沉积焊接或通过粉末床工艺(特别是激光束熔化和/或电子束熔化)打印上第二材料。在图示的示例性实施例中，第二材料的维氏硬度大于800HV，并且第一材料的维氏硬度小于300HV。

在未具体图示的其它示例性实施例中，齿40作为一个整体不形成边缘区域，而仅齿40的径向外部区域形成边缘区域。齿40的内部部分是齿轮芯50的一部分，其上打印有外部区域。

在未具体图示的其它示例性实施例中，不仅使用维氏硬度彼此不同的两种材料，而且使用三种或更多种材料，其不同的维氏硬度朝齿轮10的带齿边缘100的方向即在径向R上增加。

为此目的，例如，可以使用镍基合金，其合金成分在某些区域中被改性，使得各个区域的维氏硬度随着更接近齿轮10的带齿边缘(即在径向R上)而增加。

在其它示例性实施例中，边缘区域不由布置在外圆周上的齿40形成或不形成于布置在外圆周上的齿40上，或者不仅由布置在外圆周上的齿40形成或不仅形成于布置在外圆周上的齿40上，还由布置在内圆周上的齿40形成或形成于布置在内圆周上的齿40上。代替齿轮10，在未单独图示的其它示例性实施例中，可以提供齿条作为根据本发明的传动元件，边缘区域由齿条的带齿边缘形成或形成在齿条的带齿边缘上。

不言而喻，在上述实施例中，边缘区域不必形成在所有齿40上或由所有齿40形成。相反，边缘区域也可以例如形成在每两个或每三个或每n个齿40上或由每两个或每三个或每n个齿40形成。

Claims (14)

1.一种传动元件(10)，其被齿化有齿(40)并且其具有至少一个由第一材料形成的局部区域(50)和至少一个由第二材料通过增材形成的边缘区域，其中第二材料具有比第一材料大的硬度，特别是，第二材料在边缘区域的表面(100)中引起内部压应力。

2.如权利要求1所述的传动元件，其中第二材料和第一材料的维氏硬度差为至少100硬度，优选为至少200硬度，理想情况下为至少400硬度，特别是，第二材料具有的维氏硬度为至少500HV，优选为至少600HV，优选为至少780HV，和/或，第一材料具有的维氏硬度为至多400HV、优选为至多350HV。

3.如前述权利要求中任一项所述的传动元件，其中齿(40)中的至少一个或多个，优选全部齿(40)，具有由第二材料通过增材形成的边缘区域。

4.如前述权利要求中任一项所述的传动元件，其中，附加地，所述局部区域(50)通过增材而形成，或者所述局部区域通过一次成形，优选铸造，成形，优选锻造，通过减材，特别是通过机加工，而形成。

5.如前述权利要求中任一项所述的传动元件，其中第一材料具有高于第二材料的延展性，或者第二材料具有大于第一材料的内部压应力。

6.如前述权利要求中任一项所述的传动元件，其是齿轮或齿条，或者其具有齿轮或齿条。

7.如前述权利要求中任一项所述的传动元件，其中硬度沿从边缘到局部区域的截面逐步和/或连续降低，优选至少通过第一材料和第二材料而降低，特别是通过一种或多种其它材料而降低。

8.如前述权利要求中任一项所述的传动元件，其中第一材料形成有表面硬化钢和/或镍基合金，或者由表面硬化钢和/或镍基合金形成。

9.如前述权利要求中任一项所述的传动元件，其中第二材料形成有硬质金属，优选碳化钨，和/或镍基合金，或者第二材料由硬质金属，优选碳化钨，和/或镍基合金形成，所述镍基合金优选在至少250℃下具有长期热稳定性。

10.如前述权利要求中任一项所述的传动元件，其中至少第二材料通过激光沉积焊接，特别是激光丝沉积焊接或激光粉末沉积焊接，和/或热喷涂和/或冷气体喷涂和/或弧沉积焊接和/或通过粉末床工艺，特别是激光束熔化和/或选择性激光熔化和/或电子束熔化而形成。

11.一种用于制造如前述权利要求中任一项所述的传动元件的方法，其中至少第二材料通过激光沉积焊接，特别是激光丝沉积焊接，和/或热喷涂和/或弧沉积焊接和/或粉末床工艺和/或选择性激光熔化而形成。

12.一种传动装置，其具有至少一个如前述权利要求中任一项所述的传动元件和/或如前述权利要求中任一项所述制造的传动元件。

13.一种机器，特别是电机(20)，优选发电机和/或马达和/或电动机，具有如前述权利要求中任一项所述的传动装置。

14.一种涡轮机，特别是风力涡轮机(30)和/或燃气涡轮机和/或航空燃气涡轮机，具有如前述权利要求中任一项所述的传动装置和/或电机。

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