DE102011002019A1

DE102011002019A1 - Verfahren zur Herstellung einer gehärteten Verzahnung

Info

Publication number: DE102011002019A1
Application number: DE201110002019
Authority: DE
Inventors: Klaus Börroth; Philipp Blum; Peter Döpker
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gehärteten Verzahnung, insbesondere einer Verzahnung einer Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren wird ein Werkstücks aus metastabilen austenitischen Stahl bereitgestellt. Anschließen wird ein Kaltumformen des Werkstücks durchgeführt, um wenigstens eine Verzahnung zu bilden, die auf der Außenseite des Werkstücks angeordnet ist, unter gleichzeitigem Härten der Verzahnung des Werkstücks, wobei die Härtung durch die kalte Umformung und die dadurch induzierte Phasenumwandlung erfolgt. Darüberhinaus betrifft die Erfindung eine mit dem Verfahren hergestellte Zahnstange.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gehärteten Verzahnung, insbesondere einer Verzahnung einer Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs. Darüberhinaus betrifft die Erfindung eine mit dem Verfahren hergestellte Zahnstange.
Bei Lenksystemen mit elektrischen oder hydraulischen Antrieben, werden zur Wandlung, der rotatorischen Antriebsbewegung in eine lineare Bewegung, Zahnstangen, Ritzel und andere Verzahnungsbauteile in einem Zahnstangenlenkgetriebe eingesetzt. Verzahnungsbauteile müssen zur Kraftübertragung hohen Belastungen standhalten. Eine Randschichthärtung an Verzahnungen der Verzahnungsbauteile ist aus Festigkeits- und Verschleißgründen erforderlich.
Verzahnungen an unsymmetrischen Bauteilen wie z. B. Zahnstangen werden üblicherweise vor einem Härteprozess hergestellt. Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass die Verzahnungen anschließend durch ein induktives Vorschubverfahren in einem separaten Prozessschritt gehärtet werden. Das Resultat des induktiven Vorschubhärtens ist ein Härtebild, in dem die Zähne in der Verzahnung bis in den Zahnfußbereich vollständig durchgehärtet sind. Durch dieses Vorschubverfahren ergibt sich somit eine Durchhärtung der einzelnen Zähne der Verzahnung bis zu dem jeweiligen Zahngrund.
Ein Nachteil von derartigen gehärteten Verzahnungen besteht darin, dass die Belastbarkeit von Verzahnungen mit durchgehärteten Zähnen begrenzt ist. So ist das spröde Härtegefüge im Kernbereich der Zähne empfindlich gegenüber Rissbildung. Des Weiteren wird der Eigenspannungszustand durch das Durchhärten der Zähne ungünstig beeinflusst.
Zwar lassen sich durch ein sogenanntes Einsatzhärten andere Härtezonen als durch Induktionshärten erreichen, aufgrund des bei diesem Verfahren entstehenden starken Verzugs der Bauteile sowie der erforderlichen Aufkohlung des Werkstoffs und der damit sehr geringen Wirtschaftlichkeit ist das Einsatzhärten jedoch nicht für eine Serienfertigung geeignet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer gehärteten Verzahnung aufzufinden, bei dem die Verzahnung gegenüber dem im allgemeinen Stand der Technik beschriebenen einfacher herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer gehärteten Verzahnung, insbesondere für eine Verzahnung für eine Zahnstange eines Lenkgetriebes in einem Kraftfahrzeug, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden: Bereitstellen eines Werkstücks aus metastabilen austenitischen Stahl; und Kaltumformen des Werkstücks, um wenigstens eine Verzahnung zu bilden, die auf der Außenseite des Werkstücks angeordnet ist, unter gleichzeitigem Härten der Verzahnung des Werkstücks, wobei die Härtung durch die kalte Umformung und die dadurch induzierte Phasenumwandlung erfolgt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können mehrere Prozessschritte in einem einzigen Prozessschritt dargestellt werden: So erfolgt z. B. die Herstellung einer Verzahnung und das Härten und Verfestigen von Verzahnung und Rücken in einem einzigen Prozessschritt.
Als metastabiler austenitischer Stahl kann ein Dual-Phasen-Stahl und/oder ein Mehrphasen-Stahl bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß kann die Härte und Festigkeit der Verzahnung des Werkstücks durch die bei der Umformung induzierte Phasenumwandlung eingestellt werden.
Die gehärtete Verzahnung mit weichem metastabilem austenitischen Kerngefüge kann entlang der neutralen Phase erzeugt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Härte- und Festigkeitszugewinn durch Rolieren, Walzen, Recken oder weitere Umformverfahren wie z. B. Innenhochdruckumformen erzielt.
Das Werkstück kann ein massives Bauteil, vorzugsweise in zylindrische Form, sein. Es ist aber erfindungsgemäß ebenso möglich, dass das Werkstück ein Hohlkörper ist. Dies ermöglicht z. B. das Erzeugen von hohlen Zahnstangen mit hohen Festigkeitswerten bei gleichzeitig niedrigem Gewicht.
Das Werkstück ist vorzugsweise eine Zahnstange mit wenigstens zwei Verzahnungen, die beim Schritt des Kaltumformens des Werkstücks gehärtet werden.
Die obengenannte Aufgabe wird auch durch eine Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeuges gelöst, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann bei der Zahnstange ausschließlich die Verzahnung im Verzahnungsbereich gehärtet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anhängende Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine Seitenansicht einer Verzahnung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein längliches Bauteil, das eine Verzahnung 101 aufweist. Die Verzahnung 101 kann beispielsweise eine Verzahnung für eine Zahnstange sein, die insbesondere für ein nicht dargestelltes Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
In der 1 ist zu erkennen, dass die Verzahnung 101 einzelne Zähne 102 aufweist, die in fachüblicher Weise jeweils einen Zahnkopf und zwei von dem Zahnkopf ausgehende Zahnflanken aufweisen. Zwischen zwei benachbarten Zähnen befindet sich jeweils ein Zahngrund, in den die Zahnflanken der Zähne 102 auslaufen.
Um eine ausreichende Randschichthärte der Verzahnung 101 des Werkstücks 100 zu erreichen, wird eine gehärtete Verzahnung 101 hergestellt. Gemäß der Erfindung wird dabei folgendermaßen vorgegangen.
Zuerst wird in einem ersten Schritt ein Werkstück 100 aus metastabilen austenitischen Stahl bereitgestellt.
Das Werkstück 100 wird anschließend in einem zweiten Schritt einem Kaltumformen unterzogen. Dabei wird im Werkstück 100 die Verzahnung 101 gebildet, die auf der Außenseite des Werkstücks angeordnet ist. Der metastabile austenitische Stahl ist ein Dual-Phasen-Stahl und/oder ein Mehrphasen-Stahl.
Gleichzeitig erfolgt im zweiten Schritt ein Härten der Verzahnung 101 des Werkstücks 100, wobei die Härtung durch die kalte Umformung und die dadurch induzierte Phasenumwandlung erfolgt.
Die Härte und Festigkeit der Verzahnung 101 des Werkstücks 100 wird durch die bei der Umformung induzierte Phasenumwandlung des metastabilen austenitischen Stahls in einen stabilen martensitischen Gefügezustand eingestellt, beispielsweise in dem die gehärtete Verzahnung mit weichem metastabilem austenitischen Kerngefüge entlang der neutralen Phase erzeugt wird.
Wie in 1 gezeigt ist, wird die Härtung der Verzahnung 101 in einem Bereich 104 erzielt, der die Zähne 102 der Verzahnung 101 umfasst. Es ist aber auch möglich, die Prozessbedingungen so einzustellen, dass lediglich eine oberflächennahe Härtung der Zähne 102 der Verzahnung 101 erfolgt. Die oberflächennahe Härtezone würde dann entlang der Außenkontur der Verzahnung 101 verlaufen, so dass ein vom Zahnkopf und den zwei Zahnflanken umschlossener Kernbereich eines jeweiligen Zahns 102 ungehärtet ist.
Ein Härte- und Festigkeitszugewinn der Verzahnung 101 des Werkstücks 100 kann optional in weiteren Prozessschritten durch Rolieren, Walzen, Recken oder weitere Umformverfahren wie z. B. Innenhochdruckumformen erzielt werden.
Das Werkstück 100 kann ein massives Bauteil, vorzugsweise in zylindrische Form, sein. Es ist aber auch denkbar, dass das Werkstück 100 ein Hohlkörper ist. Dies ermöglicht z. B. das Erzeugen von hohlen Zahnstangen mit hohen Festigkeitswerten bei gleichzeitig niedrigem Gewicht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können mehrere Prozessschritte in einem einzigen Prozessschritt dargestellt werden: So erfolgt z. B. die Herstellung einer Verzahnung und das Härten und Verfestigen von Verzahnung und Rücken in einem einzigen Prozessschritt. Außerdem ist dadurch ein höherer Freiheitsgrad beim Auslegen von Bauteilen möglich.
Bezugszeichenliste

100: Werkstück
101: Verzahnung
102: Zahn
104: Bereich

Claims

Verfahren zur Herstellung einer gehärteten Verzahnung, insbesondere für eine Verzahnung für eine Zahnstange eines Lenkgetriebes in einem Kraftfahrzeug, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden: – Bereitstellen eines Werkstücks (100) aus metastabilen austenitischen Stahl; und – Kaltumformen des Werkstücks (100), um wenigstens eine Verzahnung (101) zu bilden, die auf der Außenseite des Werkstücks (100) angeordnet ist, unter gleichzeitigem Härten der Verzahnung (101) des Werkstücks (100), wobei die Härtung durch die kalte Umformung und die dadurch induzierte Phasenumwandlung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als metastabiler austenitischer Stahl ein Dual-Phasen-Stahl und/oder ein Mehrphasen-Stahl bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Härte und Festigkeit der Verzahnung (101) des Werkstücks (100) durch die bei der Umformung induzierte Phasenumwandlung des metastabilen austenitischen Stahls in einen stabilen martensitischen Gefügezustand eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die gehärtete Verzahnung (101) mit weichem metastabilem austenitischen Kerngefüge entlang der neutralen Phase erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Härte- und Festigkeitszugewinn durch Rolieren, Walzen, Recken oder weitere Umformverfahren wie beispieslweise Innenhochdruckumformen erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Werkstück (100) ein massives Bauteil, vorzugsweise in zylindrische Form, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Werkstück (100) ein Hohlkörper ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Werkstück (100) eine Zahnstange mit wenigstens einer Verzahnung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Werkstück (100) eine Zahnstange mit wenigstens zwei Verzahnungen ist, die beim Schritt des Kaltumformens des Werkstücks gehärtet werden.
Zahnstange für ein Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeuges, die mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 9 hergestellt wird.
Zahnstange nach Anspruch 10, die zwei an gegenüberliegenden Enden angeordnete Verzahnungen aufweist.