DE102004013386B4 - Verfahren zur Fertigbearbeitung eines Rohlings aus Metall eines Tripodesterns eines Gleichlaufgelenks mit einem Nabenkörper - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Fertigbearbeitung eines Rohlings aus Metall eines Tripodesterns (10) eines Gleichlaufgelenks mit einem Nabenkörper (14) und drei umfangsgemäß um den Nabenkörper (14) angeordnete Drehzapfen (12), gekennzeichnet durch folgende, zeitlich aufeinanderfolgende Verfahrenschritte
Grünbearbeitung des Rohlings bestehend aus einem Warmschmiedemetall,
Glattwalzen von auf den Drehzapfen (12) des Rohlings des Tripodesterns (10) angeordneten Wälzlagertragflächen (16),
Härten des Rohlings.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigbearbeitung eines Rohlings aus Metall eines Tripodesterns eines Gleichlaufgelenks mit einem Nabenkörper gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs.
• Bei vielen Bauteilen aus Metall ist es notwendig, dass diese im fertig bearbeiteten Zustand eine geforderte Durchmessertoleranz und Geradheit aufweisen. Die Oberflächen sollen ausgesprochen glatt sein, also eine Rauheit aufweisen, die unterhalb maximaler Werte liegt. Beispielsweise gelten diese Anforderungen für Lagerflächen, auf denen Kugeln oder Nadeln abrollen.
• Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen sind beispielsweise aus der DE 23 04 557 C3 , der DE 34 40 961 C1 und der DE 31 42 270 C2 bekannt. Insbesondere die DE 23 04 557 C3 beschreibt ein Verfahren, bei dem Oberflächen zunächst durch ein Druckpolieren geglättet werden. Es folgt eine Oberflächenhärtung. Durch dieses Verfahren wird die Dichteigenschaft der Oberfläche verbessert. Nachteilig bei dem Verfahren ist, dass das anschließende Wachstum des Werkstücks aufgrund des Härtens nicht kalkulierbar, konzentrisch und in engen Toleranzen erfolgt. Dies ist für die Her stellung von zahlreichen Werkstücken unerheblich, bei Werkstücken, die rotationssymmetrische Flächen aufweisen, ist ein kalkulierbares geringes Wachstum jedoch von erheblicher Bedeutung.
• Auch die beiden anderen genannten Druckschriften eignen sich nicht für die Herstellung von rotationssymmetrischen Bauteilen. Bei dem Verfahren nach der DE 31 422 70 C2 ist außerdem ein Erwärmen der Bauteile vorgesehen, um die Oberflächenbehandlung zu vereinfachen. Dies ist aufwendig und oftmals nur schwierig durchzuführen.
• Ein Tripodestern wird in einem Tripodegelenk eingesetzt. Tripodegelenke wiederum sind Gleichlaufgelenke, die beispielsweise bei Kraftfahrzeugen mit Vorderradantrieb im Antriebsstrang eingesetzt werden. Derartige Gelenke müssen sowohl ein Ein- und Ausfedern der Räder und den damit verbundenen Längenausgleich als auch deren Lenkeinschlag zulassen.
• Ein Tripodestern weißt einen ringförmigen Nabenkörper auf, an den sich radial zur Längsachse des Nabenkörpers ausgerichtete Drehzapfen anschließen, die jeweils umfänglich zu den Zapfenachsen der Zapfen angeordnete Wälzlagertragflächen aufweisen. Auf den Drehzapfen werden jeweils nadelgelagerte Rollen mit zylindrischer Axialbohrung positioniert, in die die Drehzapfen im Wesentlichen spielfrei eingreifen. Die Rollenträger sind somit relativ zu den Drehzapfen axial verschiebbar. Dadurch wird erreicht, dass die auf den Rollenträgern gelagerten Tripoderollen abrollend geführt werden können, wenn das Gelenkaußenteil und der Tripodestern in einer Winkelstellung zueinander umlaufen.
• Der Nabenkörper weißt eine durchgängige Öffnung auf, in deren Innenumfang eine Verzahnung eingebracht ist.
• Bei der Herstellung eines Tripodesterns wird üblicherweise in einen Rohling zunächst die Verzahnung in die Innenfläche der Öffnung des Nabenkörpers eingebracht. Dann erfolgt ein Härten mit einem geeigneten Härteverfahren. Beispielsweise kommen Abschreckhärten, Induktionshärten, Warmbadhärten oder Nitrieren in Frage. Nach dem Härten folgt die Hartbearbeitung der Drehzapfen. Diese ist notwendig, um das vorhandene Aufmass zu entfernen und weil beim Härten Formveränderungen, wie beispielsweise Verzug, unvermeidbar sind. Auch wachsen die Bauteile während des Härtens aufgrund einer Kohlenstoffänreicherung, ihr Volumen nimmt zu. Dieses Wachstum ist ebenfalls unregelmäßig.
• Als Hartbearbeitungsverfahren eignen sich insbesondere Schleifen und Drehen. Nachteilig bei der beschriebenen Vorgehensweise ist, dass die Hartbearbeitung hohe Anforderungen an Werkzeug und Maschine stellt. Entsprechend sind Hartbearbeitungswerkzeuge und Maschinen sowohl in Anschaffung als auch im Unterhalt ausgesprochen kostenintensiv. Dies gilt insbesondere für das Hartdrehverfahren.
• Aus diesem Grund besteht eine Alternative zur beschriebenen Vorgehensweise darin, dass der Rohling vor dem Härten durch Schleifen bereits derart qualitativ hochwertig vorgearbeitet wird, dass die an das Härten anschließende Hartbearbeitung entfallen kann. Allerdings hat auch das Schleifen erhebliche Nachteile. Der anfallende Staub bzw. die sich zwangsweise ergebene Emulsion aus Metallspänen und Wasser oder Kühlmittel ist gesundheitsschädlich und belastet die Umwelt. Auch ist nach dem Schleifen stets ein sorgfältiger Waschprozess notwendig. Hinzu kommt, dass der Schleifprozess verhältnismäßig zeitaufwendig ist. Auch hat sich gezeigt, dass das beim Härten unvermeidbare Wachstum des Bauteils nur sehr ungleichmäßig erfolgt, so dass aufgrund von Verzügen Oberflächenabweichungen von bis zu 30 μm nahezu unvermeidbar sind.
• Bei allen Herstellungsmethoden gilt, dass, kaltfliessgepresste, teure Near- NetShape-Rohlinge verwendet werden. Werden preiswertere Warmschmiedeteile eingesetzt, müssen erst die Drehzapfen vorgedreht werden.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fertigbearbeitung eines Tripoderohlings aus Metall zu schaffen, das kostengünstig durchführbar ist. Insbesondere soll auf eine Hartbearbeitung nach dem Härten verzichtet werden können. Auch soll das neue Verfahren geringe Umweltbelastungen aufweisen und schnell und einfach durchführbar sein.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des Patentanspruchs gelöst.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Rohling schon vor dem Härten derart zu bearbeiten, dass eine Hartbearbeitung nach dem Härten entfallen kann. Erfindungsgemäß ist es dabei nicht notwendig, diejenigen Flächen, an die die höchsten Güteanforderungen gestellt werden, zu schleifen. Entsprechend entfallen alle Nachteile, die sich durch den Schleifprozess ergeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist umweltfreundlich, kostengünstig und einfach durchzuführen.
• Der Begriff Qualitätsflächen meint diejenigen Flächen, an die beim fertigen Bauteil die höchsten Güteanforderungen gestellt werden.
• Die im Stand der Technik nachteiligen Begleiterscheinungen des Härteprozesses werden durch das Glattwalzen der Oberfläche nahezu vollständig eliminiert. So hat sich gezeigt, dass das beim Härten auftretende Wachstum um ein vielfaches gleichmäßiger erfolgt, wenn die entsprechenden Bereiche zuvor glatt gewalzt wurden. Dies wiederum führt dazu, dass zum einen die Rauhigkeit der entsprechenden Oberflächen deutlich geringer ist, aber auch die Verzüge wegen der durch das Glattwalzen gleichmäßigen Druckspannungen in einem wesentlich geringeren Bereich liegen als bei Oberflächen, die vor dem Härten gedreht oder geschliffen wurden.
• Der Prozess des Glattwalzens wird auch als Rollieren bezeichnet. Rollieren ist ein Oberflächenveredlungsverfahren, bei dem hochpolierte Stahlrollen unter Druck einen Werkstoff mit niedriger Festigkeit bearbeiten. Übersteigt der durch die Rollen erzeugte Druck die Fließgrenze des Werkstoffes, wird durch die so entstandene Kaltverformung die Randschicht der Bearbeitungsfläche plastisch verformt.
• Die Verformung erzeugt eine spiegelglatte Oberfläche mit hohem Traganteil, durch den sich rollierte Oberflächen gegenüber spanabhebenden Bearbeitungen auszeichnen. Rollierte Oberflächen sind glatter und widerstandsfähiger als spanabhebend gefertigte Oberflächen.
• Durch das Glattwalzen wird eine hohe Maßhaltigkeit, ein hoher Traganteil, eine kurze Bearbeitungszeit und eine relativ einfache Handhabung erreicht. Vorteilhaft ist auch, dass Standardmaschinen für den Prozess das Glattwalzen einsetzbar sind.
• Ein wesentlicher Vorteil besteht weiterhin darin, dass im Gegensatz zu allen anderen bekannten Verfahren bei Einsatz des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens Warmschmiedeteile einsetzbar sind. Dies führt zu erheblichen Kosteneinsparungen.
• Die Erhöhung des Traganteils bedeutet, dass durch die glattere Oberfläche ein aufliegender Körper, beispielsweise eine Nadel eines Nadellagers, eine größere Auflagefläche hat, was zu einer geringeren Belastung bzw. zu weniger Belastungsspitzen führt. Dies hat erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer solcher Lager.
• Bei der Fertigung der oben beschriebenen Tripodesterne hat sich herausge stellt, dass die auf den Drehzapfen angeordneten Wälzlagertragflächen nach dem Härten einen Verzug von weniger als 4 μm aufweisen. Ging dem Härteprozess dagegen ein Schleifprozess voran, betragen die Verzüge 20–30 μm. Die mit dem erfindungsgemäßen Glattwalzprozess bearbeiteten Drehzapfen wiesen teilweise ein gleichmäßiges Wachstum der Drehzapfen von max. 0,02 mm auf. Es trat fast keine Ovalität im harten Zustand auf, sie betrug max. 0,005 mm. Ein gewisser Vorhalt des Wachstums beim Rollieren ist demnach möglich.
• In der nachfolgenden Figurenbeschreibung wird die Erfindung anhand eines Tripodesterns näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1: eine perspektivische Ansicht eines Gelenkinnenteils eines Gleichlaufgelenks (eines Tripodesterns),
• 2: eine Aufsicht in Axialrichtung auf den Tripodestern aus 1,
• 3: eine Messkurve einer Oberflächenmessung einer Walzlagertragfläche eines Drehzapfens, hergestellt nach dem Stand der Technik,
• 4: eine Messkurve einer Oberflächenmessung einer Walzlagertragfläche eines Drehzapfens, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
• Wie sich aus den 1 und 2 ergibt, weist der Tripodestern 10 drei Drehzapfen 12 auf, die umfangsmäßig um einen Nabenkörper 14 angeordnet sind. In der gezeigten Ausführungsform weist jeder Drehzapfen 12 auf seinem Außenumfang eine Wälzlagertragfläche 16 auf. Die Drehzapfen 12 sind derart angeordnet bzw. dazu ausgelegt, in einen nicht gezeigten Innenring eines Wälzlagers hinein zu passen.
• Da an die Wälzlagertragflächen 16 sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Rauigkeit und Ovalität gestellt werden, werden diese als Qualitätsflächen bezeichnet.
• Der Nabenkörper 14 weist eine durchgehende Öffnung 20 mit einer Verzahnung 22 an ihrer Innenoberfläche auf.
• Üblicherweise wird ein Tripodesterne 10 aus einem Rohling hergestellt. Dieser wird zunächst grün bearbeitet, wobei zunächst die Verzahnung 22 ausgebildet und dann durch Räumen, Drehen oder Schleifen die gewünschte Endform des Tripodesterns 10 geschaffen wird. Es folgt ein Härten des Rohlings. Beim Härten sind Verzüge und ein Wachstum des Rohlings aufgrund von Kohlenstoffanreicherungen unvermeidbar, weswegen der Rohling üblicherweise anschließend hartbearbeitet wird, um die endgültige Form auszubilden und um vorgeschriebene Toleranzen einhalten zu können. Es hat sich für die Hartbearbeitung ebenfalls ein Drehprozess, nämlich das so genannte Hartdrehen durchgesetzt. Bekannt ist lediglich, dass dann, wenn der Rohling vor dem Härten geschliffen wurde, auf eine Hartbearbeitung verzichtet werden kann. Wie bereits oben ausgeführt, weist das Schleifen aber derart viele Nachteile auf, dass es erfindungsgemäß durch einen Glattwalzprozess ersetzt wird. Dies bedeutet, dass nach Herstellen der Verzahnung 22 zunächst durch Drehen oder Räumen die Grundform des Tripodesterns 10 bzw. der Drehzapfen 12 geschaffen wird, um dann durch Glattwalzen der Wälzlagertragflächen 16 bereits vor dem Härten die endgültige Form herzustellen.
• Beispielsweise können die Wälzlagertragflächen 16 der Drehzapfen mit Hilfe einer konisch ausgeformten Käfigwalze mit beispielsweise 7 Wälznadeln ge walzt werden. Der rotierende Drehzapfen 12 wird dabei in den konisch ausgeformten Walzkäfig eingeführt. Der durch die Wälznadeln aufgebrachte Druck übersteigt die Fließgrenze des Werkstoffs des Tripodesterns 10 bzw. des Drehzapfens 12, wodurch es zu einer Kaltverformung der Randschicht kommt.
• Es hat sich gezeigt, dass eine gewisse Rauigkeit der Oberfläche vor dem Glattwalzvorgang, der auch als Rollieren bezeichnet wird, durchaus vorteilhaft ist. Dies deshalb, weil dann „überstehendes" Material in ebenfalls vorhandene „Täler" hineingedrückt werden kann.
• Die 3 und 4 zeigen Ergebnisse einer Oberflächenmessung einer nach dem Härten hart gedrehten Wälzlagertragfläche 16 (3) und einer nach dem Härten nicht mehr bearbeiteten, jedoch vor dem Härten glatt gewalzten Wälzlagertragfläche 16 (4). Bei der Messung wird die Rauigkeit der Wälzlagertragfläche 16 in axialer Richtung, also ausgehend vom Spinnenkörper 14 in Richtung des freien Endes gemessen. Auf der Y-Achse sind Oberflächenschwankungen in μm angegeben, während auf der X-Achse die prozentuale Häufigkeit einer bestimmten Abweichung aufgetragen ist. Dies bedeutet also, dass der Verlauf einer sich ergebenen Messkurve 24 darstellt, wie hoch der Materialanteil bzw. der Traganteil der Oberfläche ist. Anzustreben ist dabei, dass die Messkurve 24 möglichst schnell in etwa parallel zur X-Achse verläuft. Dies bedeutet nämlich, dass die Oberfläche größtenteils um eine bestimmte Rauigkeit schwankt, weswegen auf dieser Fläche aufliegende Lager oder Rollen eine maximale Auflagefläche haben.
• Aus den beiden Diagrammen ergibt sich, dass eine glatt gewalzte Oberfläche vor dem Härten dazu führt, dass die Messkurve 24 schon im Bereich von etwa 10 % in einen verhältnismäßig geraden konstanten Verlauf kommt. Bei einem nach dem Stand der Technik hergestellten Drehzapfen 12 ist dies nicht der Fall, die Kurve verläuft über die gesamte Bandbreite, also von O – 100 % verhältnismäßig steil.
• Aus den beiden Figuren ergibt sich auch, dass ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil, im vorliegenden Fall beispielhaft ein Drehzapfen 12, während des Härteprozesses sehr gleichmäßig wächst und sich kaum verzieht. Ansonsten wäre der Verlauf der Kurve deutlich steiler bzw. wären die Schwankungen der Rauigkeit ausgeprägter.

Claims (1)

1. Verfahren zur Fertigbearbeitung eines Rohlings aus Metall eines Tripodesterns (10) eines Gleichlaufgelenks mit einem Nabenkörper (14) und drei umfangsgemäß um den Nabenkörper (14) angeordnete Drehzapfen (12), gekennzeichnet durch folgende, zeitlich aufeinanderfolgende Verfahrenschritte Grünbearbeitung des Rohlings bestehend aus einem Warmschmiedemetall, Glattwalzen von auf den Drehzapfen (12) des Rohlings des Tripodesterns (10) angeordneten Wälzlagertragflächen (16), Härten des Rohlings.