DE102006014804B3 - Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern - Google Patents

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    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/08Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of toothed articles, e.g. gear wheels; of cam discs

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern aus pulvermetallurgischen Sinterformteilen, bei dem zunächst die Herstellung eines Zahnradrohlings mit einer dem Modul m des Zahnrads entsprechenden, auf einem Wälzumfang 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.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das die Herstellung von Zahnrädern aus pulvermetallurgischen Sinterformteilen mit einer Oberflächenverdichtung größerer Eindringtiefe ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • Besonders vorteilhaft erweist es sich in diesem Zusammenhang, wenn das Verhältnis von Höhe zu Breite des Zahnrohlings kleiner als 2 ist.
  • 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.
  • 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.
  • Wenn mehrere, vorzugsweise unterschiedlich ausgebildete Formwerkzeuge einander nachfolgend in Eingriff mit den Zahnrohlingen gebracht werden, sind besonders komplexe Zahngeometrien realisierbar.
  • Nachfolgend soll eine Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Zahnradrohling;
  • 2 ein basierend auf dem in 1 dargestellten Zahnradrohling hergestelltes Zahnrad;
  • 3 den Eingriff eines Formwerkzeugs mit dem in 1 dargestellten Zahnradrohling am Beginn eines Umformvorgangs;
  • 4 den Eingriff des Formwerkzeugs mit dem in 1 dargestellten Zahnradrohling am Ende des Umformvorgangs.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern (15) aus pulvermetallurgischen Sinterformteilen, bei dem zunächst die Herstellung eines Zahnradrohlings (10) mit einer dem Modul m des Zahnrads (15) entsprechenden, auf einem Wälzumfang (11) angeordneten Mehrzahl von Zahnrohlingen (13) bildenden Materialerhebungen erfolgt, und nachfolgend durch Abwälzen eines mit dem Modul (m) versehenen zahnradförmigen Formwerkzeugs (18) auf dem Wälzumfang (11) des Zahnradrohlings durch überwiegend plastische Umformung der Zahnrohlinge ein radiales Wachstum der Zahnrohlinge bis zur Ausbildung von Zähnen (16) mit der gewünschten Zahngeometrie erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnrohlinge (13) eine Zahnrohlingfußbreite (b) aufweisen, die größer als deren Zahnrohlinghöhe (h) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Zahnrohlinghöhe (h) zu Zahnrohlingbreite (b) der Zahnrohlinge (13) kleiner als 2 ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zahnrohlingfußradien der Zahnrohlinge (13) weniger als 20% von Zahnrohlingkopfradien abweichen.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt des Sinterwerkstoffs kleiner als 0,25% ist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Formwerkzeuge (18) einander nachfolgend in Eingriff mit den Zahnrohlingen (13) gebracht werden.
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