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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Zahnrädern
aus pulvermetallurgischen Sinterformteilen, bei dem zunächst die Herstellung
eines Zahnradrohlings mit einer dem Modul des Zahnrads entsprechenden,
auf einem Abwälzumfang
angeordneten Mehrzahl von Zahnrohlingen bildenden Materialerhebungen
erfolgt, und nachfolgend durch Abwälzen eines mit dem Modul versehenen
zahnradförmigen
Formwerkzeugs auf dem Wälzumfang
des Zahnradrohlings durch überwiegend plastische
Umformung der Zahnrohlinge ein radiales Wachstum der Zahnrohlinge
bis zur Ausbildung von Zähnen
mit der gewünschten
Zahngeometrie erfolgt.
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Die
Herstellung von Zahnrädern
aus pulvermetallurgischen Sinterformteilen erfolgt auf Basis von
sogenannten „Vorformlingen" (preforms), die
in einem nachfolgenden Verfahrensschritt nachverdichtet werden,
um im Ergebnis zu Zahnrädern
mit der erforderlichen Bauteilfestigkeit zu kommen. Bei den bekannten
Verfahren ist das als Verfahrensendprodukt gewünschte Zahnrad bereits als
Vorformling in seiner Geometrie definiert, so dass auch die Zahngeometrie als
solche unter Berücksichtigung
einer Formtoleranz für
die nachfolgende Nachverdichtung von Anfang an feststeht. So ist
beispielsweise aus der
EP
0 955 115 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern bekannt,
bei dem basierend auf sogenannten „Grünlingen" in einem ersten Verfahrensschritt aus
einer pulvermetallurgischen Masse ein Vorformling gefertigt wird,
der bereits die Zahnradgeometrie des gewünschten Verfahrensendprodukts
aufweist. Um die gewünschte
Materialverdichtung durch Verkleinerung der für Sintermetallteile typischen
Materialporen zu erreichen, erfolgt bei dem bekannten Verfahren zum
einen eine axiale Verdichtung des gesamten Bauteils und zum anderen
eine lediglich bereichsweise Verdichtung des Sintermaterials im
Bereich der radialen Konturen, also eine Oberflächenverdichtung im Bereich
der Zähne
und der Zahnzwischenräume. Durch
diese radiale Oberflächenverdichtung
werden Verdichtungsbereiche mit einer Eindringtiefe von 0,5 mm bis
1 mm erreicht.
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Die
AT 409 466 B offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Zahnrades, bei
dem ein Zahnradrohling mit einer auf einem Wälzumfang angeordneten Mehrzahl
von Zahnrohlingen ausgebildet wird. Nachfolgend erfolgt durch Abwälzen eines
mit einem Modul m versehenen zahnradförmigen Formwerkzeugs auf dem
Wälzumfang
des Zahnradrohlings eine plastische Umformung der Zahnrohlinge,
wobei aufgrund der Ausbildung des Formwerkzeugs ein radiales Wachstum
der Zahnrohlinge unterbleibt.
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Aufgrund
der bereits bei Ausbildung des Vorformlings erfolgenden Ausformung
der Zahngeometrie sind die bei der Herstellung der Vorformlinge
zum Einsatz kommenden Formen entsprechend komplex ausgestaltet mit
teilweise sehr geringen Formkonturradien oder gar Hinterschneidungen.
Damit stellt sich bereits bei der Herstellung des Vorformlings genau
in den Bereichen, in denen die größte mechanische Beanspruchung
des Zahnrades erfolgt, also den Zahnspitzen, den Zahnflanken und
den Zahnfußbereichen,
grundsätzlich
eine geringere Dichte des Sintermaterials ein. Zwar erfolgt durch
die vorstehend beschriebene radiale Oberflächenverdichtung eine erhöhte Nachverdichtung
dieser Bereiche. Jedoch liegt aufgrund der relativ geringen Eindringtiefe
der radialen Oberflächenverdichtung
bereits in kurzem Abstand von der Oberfläche und damit noch im Einflussbereich
der durch die Betriebslasten verursachten Spannungsspitzen eine
vergleichsweise hohe Porosität
des Sintermaterials vor.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen,
das die Herstellung von Zahnrädern
aus pulvermetallurgischen Sinterformteilen mit einer Oberflächenverdichtung größerer Eindringtiefe
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
eine Oberflächenverdichtung
mit größerer Eindringtiefe
dadurch, dass die Zahngeometrie gleichzeitig mit dem Verdichtungsvorgang
erzeugt wird. Dieser Effekt ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass
durch das Fließverhalten
des Sintermaterials verdichtete Bereiche nicht nur ausgebildet,
sondern innerhalb der Zahnbereiche frontartig oder wellenartig im
Zahnbereich verlagert werden und gleichzeitig damit eine Verdrängung poröser Bereiche
aus den Zahnbereichen in weniger beanspruchte Volumenbereiche des
Zahnrads erfolgt. Die Verdichtung in den Zahnbereichen erfolgt somit
nach Art eines „Knetvorgangs".
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Da
die Ausbildung von Materialerhebungen insbesondere das Umformverhalten
des Sintermaterials positiv beeinflussen soll, können je nach Ausbildung und
Fließverhalten
des Sintermaterials die die Zahnrohlinge bildenden Materialerhebungen
geringstmöglich
bis gar nicht ausgebildet sein. In jedem Fall führt die einfache Geometrie
der Zahnradrohlinge zu einer gleichmäßigen Formfüllung der zur Herstellung der
Zahnradrohlinge verwendeten Form. Hieraus resultiert eine weitestgehend
hohe Dichte mit homogener Dichteverteilung.
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Als
besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Zahnrohlingfußbreite
der Zahnrohlinge größer als
deren Höhe
ist, so dass verglichen mit der Ausbildung des die endgültige Zahngeometrie
aufweisenden Zahns zu Beginn des Umformvorgangs im Zahnrohlingfußbereich
eine möglichst
große
Materialanhäufung
zur Verfügung
steht.
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Besonders
vorteilhaft erweist es sich in diesem Zusammenhang, wenn das Verhältnis von
Höhe zu
Breite des Zahnrohlings kleiner als 2 ist.
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Eine
weitestgehend homogene Verdichtung des Sintermaterials im Zahnbereich
wird möglich, wenn
der Zahnradrohling im Ausgangszu stand eine möglichst harmonische Kontur
aufweist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Zahnfußradien des
Zahnradrohlings weniger als 20 % von den Zahnkopfradien des Zahnradrohlings
abweichen.
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Als
besonders vorteilhaft für
die erreichbare Qualität
des Verfahrensendprodukts, also eine möglichst homogene und im Wesentlichen
vollständige Porenreduktion
im Sintermaterial, wird dadurch unterstützt, dass der Kohlenstoffgehalt
des Sinterwerkstoffs kleiner als 0,25 % ist.
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Wenn
mehrere, vorzugsweise unterschiedlich ausgebildete Formwerkzeuge
einander nachfolgend in Eingriff mit den Zahnrohlingen gebracht
werden, sind besonders komplexe Zahngeometrien realisierbar.
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Nachfolgend
soll eine Möglichkeit
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand der Zeichnung näher
erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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1 einen
Zahnradrohling;
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2 ein
basierend auf dem in 1 dargestellten Zahnradrohling
hergestelltes Zahnrad;
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3 den
Eingriff eines Formwerkzeugs mit dem in 1 dargestellten
Zahnradrohling am Beginn eines Umformvorgangs;
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4 den
Eingriff des Formwerkzeugs mit dem in 1 dargestellten
Zahnradrohling am Ende des Umformvorgangs.
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1 zeigt
einen Zahnradrohling 10, der als Vorformling in einem Sintervorgang
unter Einwirkung von Druck und Temperatur auf das Sintermaterial
in einer den Konturen des Vorformlings entsprechenden, hier nicht
näher dargestellten
Sinterform hergestellt wurde. Der Zahnradrohling weist auf einem Wälzumfang 11 bzw.
einem Teilkreis 12 mit dem Durchmesser d angeordnet Zahnrohlinge 13 auf,
die aus gleichmäßig ausgebildeten
Materialerhebungen bestehen, die entsprechend einem Modul m am Zahnradrohling 10 ausgebildet
sind. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Zahnrohlinge 13 durch eine sinusförmige Ausbildung
des Wälzumfangs 11 definiert,
so dass der Zahnradrohling 10 eine harmonische Außenkontur
aufweist, bei der Zahnrohlingzwischenräume 14 und die Zahnrohlinge 13 im
Wesentlichen übereinstimmende
Volumen aufweisen.
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2 zeigt
ein nach Durchführung
des anhand der 3 und 4 nachfolgend
erläuterten Verfahrens
aus dem in 1 dargestellten Zahnradrohling 10 hergestelltes
Zahnrad 15. Das Zahnrad 15 weist eine auf dem
Teilkreis 12 der Anzahl der Zahnrohlinge 13 entsprechende
Anzahl von Zähnen 16 auf,
so dass das Zahnrad 15 und der Zahnradrohling 10 einen übereinstimmenden
Modul m haben.
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3 zeigt
in vergrößerter Darstellung
einen Eingriffsbereich 17 zwischen einem als Formzahnrad 18 ausgebildeten
Formwerkzeug und dem in 1 dargestellten Zahnradrohling 10.
Insbesondere ist eine Eingriffsphase dargestellt, in der ein Formzahn 19 des
Formzahnrads 18 derart in den Zahnrohlingzwischenraum 14 eingreift,
dass er den Teilkreis 12 durchdringt und insbesondere mit
einem Formzahnkopf 20 und Formzahnflanken 21 Sintermaterial 22 aus
einem Zahnrohlingfußbereich 23 unter
gleichzeitiger Verdichtung benachbarter Materialbereiche radial
nach außen
verdrängt,
so dass außerhalb
des ursprünglichen
Wälzumfangs 11 des
Zahnradrohlings 10 eine Sintermaterialanhäufung 24 entsteht,
die zur anteiligen Ausbildung eines Zahnkopfs 25 des in 2 dargestellten
Zahnrads 15 beiträgt.
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Aufgrund
des sich während
eines Abwälzvorgangs
des Formzahnrads 18 auf dem Zahnradrohling 10 wiederholt
einstellenden Eingriffs zwischen den Formzähnen 19 und den Zahnrohlingen 13 bilden
sich stetig fortschreitend und radial nach außen wachsend die in 4 dargestellten
Zähne 16 am
Zahnrad 15 bis zur Erreichung der endgültigen Zahnradgeometrie mit
definierten Parametern, wie Zahnhöhe H, Zahnbreite B und Zahnfußbreite
BF aus, die sich, wie ein Vergleich der 3 und 4 zeigt, erheblich
von der Höhe
h sowie der Breite b der Zahnrohlinge 13 des Zahnradrohlings 10 unterscheiden.
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Basierend
auf den vorstehenden Ausführungen
wird deutlich, dass aufgrund des Umformvorgangs im Bereich der Zahnrohlinge 13 des
Zahnradrohlings 10 eine im Wesentlichen den gesamten Zahnquerschnitt
betreffende Verdichtung des Sintermaterials die Folge ist, so dass
nicht nur eine Verdichtung mit begrenzter Eindringtiefe längs der
Kontur der Zähne 16 die
Folge ist.