DE102011011886B4 - Method for compacting the surface of sintered metal components - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Verdichten der Oberfläche von Sintermetallbauteilen (2), an dessen Umfangsfläche (2.1) zumindest ein antreibbar gelagertes Walzwerkzeug (1) angreift und schlagartig ausgeführte Einzelwalzvorgänge ausführt, wobei die Einzelwalzvorgänge entweder mittels
a. einem eine glatte Walzfläche (1.1) aufweisenden, zylinderförmigen Walzwerkzeug (1) mit einem Antrieb zur Erzeugung einer in Richtung des Sintermetallbauteils (2) wirkenden translatorischen Stoß- oder Schwingungsbewegung oder
b. einem zylinderförmigen Walzwerkzeug (1) mit zumindest partiell profilierter Walzfläche (1.1), wobei das Profil (1.3) im Querschnitt im Wesentlichen wellenförmige Erhebungen (1.4) aufweist, welche bei einer Rotation des Walzwerkzeugs (1) periodisch an der Umfangsfläche (2.1) des Sintermetallbauteils (2) angreifen.
durchgeführt werden.Method for compacting the surface of sintered metal components (2), on the peripheral surface (2.1) of which at least one drivably mounted rolling tool (1) engages and performs abruptly executed single rolling operations, wherein the single rolling operations are carried out either by means of
a. a cylindrical rolling tool (1) having a smooth rolling surface (1.1) with a drive for generating a translatory shock or vibration movement acting in the direction of the sintered metal component (2) or
b. a cylindrical rolling tool (1) with at least partially profiled rolling surface (1.1), wherein the profile (1.3) in cross-section substantially undulating elevations (1.4), which during rotation of the rolling tool (1) periodically on the peripheral surface (2.1) of the sintered metal component (2) attack.
be performed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten der Oberfläche von Sintermetallbauteilen, insbesondere zum Verdichten von zylinderförmigen Sintermetallbauteilen.The invention relates to a method for compacting the surface of sintered metal components, in particular for compacting cylindrical sintered metal components.
Beim Sintern werden zumeist körnige oder pulverförmige Stoffe vermischt und dann durch Erwärmung miteinander verbunden. Im Gegensatz zur reinen Schmelze werden hierbei jedoch keine oder zumindest nicht alle Ausgangsstoffe aufgeschmolzen. Als wesentliche Vorteile des Sinterns sind das Zusammenbringen von Ausgangsstoffen, welche sich auf andere Weise nur sehr schwer oder gar nicht zu einem neuen Werkstoff verbinden lassen, die Möglichkeit, auch komplexe Formen herstellen zu können und das gegenüber dem Schmelzen kostengünstigere Herstellungsverfahren zu nennen.When sintering mostly granular or powdery substances are mixed and then joined together by heating. In contrast to the pure melt, however, no or at least not all starting materials are melted. The main advantages of sintering are the combination of starting materials, which can be combined in other ways only with great difficulty or not at all to a new material, the ability to be able to produce even complex shapes and to call the cheaper compared to the melting manufacturing process.
Der wesentliche Nachteil bei gesinterten Stoffen, beispielsweise Metallen, besteht darin, dass diese mechanisch gesehen immer noch teilweise aus makroskopischen Partikeln der Ausgangsstoffe bestehen, also nicht so homogen wie Metalllegierungen sind und daher üblicherweise auch eine Porosität aufweisen. Für bestimmte Anwendungsfälle ist diese (Oberflächen)-Porosität jedoch unerwünscht, da sie mit einer Reduzierung der Festigkeitskennwerte einhergeht. Daher muss die Porosität durch nachträgliche Verdichtungsprozesse auf ein erforderliches Maß verringert werden.The main disadvantage of sintered materials, such as metals, is that, mechanically speaking, they still partially consist of macroscopic particles of the starting materials, ie they are not as homogeneous as metal alloys and therefore usually have a porosity as well. For certain applications, however, this (surface) porosity is undesirable because it is accompanied by a reduction in the strength characteristics. Therefore, the porosity must be reduced by subsequent densification processes to a required level.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Verdichten, insbesondere Oberflächenverdichten, von Sintermetallbauteilen vorbekannt. Zunächst ist hierzu das konventionelle Verdichtungswalzen von zylindrischen Werkstücken zu nennen, welches jedoch nur bei Sintermetallbauteilen mit hinreichender Wandstärke eingesetzt werden kann. Ferner sind das Sinterschmieden und das DPDS-Verfahren (doppelt Pressen, doppelt Sintern) zu nennen. Allen vorgenannten Verdichtungsverfahren haftet der wesentliche Nachteil an, dass sie entweder zu kostenintensiv sind oder nur eine begrenzte Gestaltungsfreiheit von Haupt- und Nebenformen ermöglichen. Abgesehen von den beim Verdichtungsprozess auftretenden unerwünschten Geometrieveränderungen tritt bei den vorbekannten Verfahren aus dem Stand der Technik der Missstand hinzu, dass eine für hochbelastbare Werkstücke erforderliche Rand- bzw. Oberflächendichte nicht oder nur unzureichend erzielt werden kann.Various methods for compacting, in particular surface compacting, of sintered metal components are previously known from the prior art. First, this is the conventional compression rolls of cylindrical workpieces to name but which can only be used with sintered metal components with sufficient wall thickness. Also to be mentioned are sinter forging and the DPDS process (double pressing, double sintering). All of the aforementioned compression method adheres to the significant disadvantage that they are either too costly or allow only a limited freedom of design of major and minor forms. Apart from the undesired changes in geometry occurring during the compression process, the state of the art in the prior art methods adds to the fact that a marginal or surface density required for heavy-duty workpieces can not or only insufficiently be achieved.
Der
Ferner offenbart die
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Verfahren zum Verdichten der Oberfläche von Sintermetallbauteilen vorzuschlagen, mit dem eine größere Verdichtungstiefe bei gleichzeitiger Beibehaltung der Makrogeometrie erzielt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der kostengünstigen Umsetzung des Verfahrens.The object of the invention is now to propose a method for compacting the surface of sintered metal components, with which a greater compaction depth can be achieved while maintaining the macrogeometry. Another object of the invention is the cost-effective implementation of the method.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass beim Verfahren zum Verdichten der Oberfläche von Sintermetallbauteilen an dessen Umfangsfläche zumindest ein antreibbar gelagertes Walzwerkzeug angreift und schlagartig ausgeführte Einzelwalzvorgänge ausführt, wobei die Einzelwalzvorgänge entweder mittels einem eine glatte Walzfläche aufweisenden, zylinderförmigen Walzwerkzeug mit einem Antrieb zur Erzeugung einer in Richtung des Sintermetallbauteils wirkenden translatorischen Stoß- oder Schwingungsbewegung oder einem zylinderförmigen Walzwerkzeug mit zumindest partiell profilierter Walzfläche, wobei das Profil im Querschnitt im Wesentlichen wellenförmige Erhebungen aufweist, welche bei einer Rotation des Walzwerkzeugs periodisch an der Umfangsfläche des Sintermetallbauteils angreifen, durchgeführt werden.According to the invention, in the method for compacting the surface of sintered metal components, at least one drivably mounted rolling tool acts on the circumferential surface thereof and executes single rolling operations carried out abruptly, wherein the single rolling operations are carried out either by means of a smooth rolling surface having a cylindrical rolling tool with a drive for generating in the direction of Sintered metal component acting translational impact or vibration movement or a cylindrical rolling tool with at least partially profiled rolling surface, wherein the profile has in cross-section substantially wave-shaped elevations, which periodically engage in a rotation of the rolling tool on the peripheral surface of the sintered metal component, are performed.
Aus fertigungstechnischer Sicht würde der Fachmann zwar ein Profil mit mehreren gleichmäßig voneinander beabstandeten Erhebungen auswählen; das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich jedoch auch mit einem Profil, welches nur eine einzige Erhebung aufweist oder durch nicht periodische Erhebungen realisieren.From a manufacturing point of view, the person skilled in the art would indeed select a profile with several evenly spaced elevations; However, the inventive method can also be with a profile, which only a single Survey or realize by non-periodic surveys.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung ist, dass die schlagartigen Einzelwalzvorgänge zu einer Verdichtung der Oberfläche des Sintermetallbauteils ohne signifikante Verformung, respektive ohne relevante Geometrieveränderung, führen.A significant advantage of this invention is that the sudden single rolling operations lead to a densification of the surface of the sintered metal component without significant deformation, or without relevant change in geometry.
Erfindungswesentlich ist zudem, dass die schlagartigen Einzelwalzvorgänge des Walzwerkzeugs auf das Sintermetallbauteil periodisch oder nicht periodisch ausgeführt werden.It is also essential to the invention that the abrupt single rolling operations of the rolling tool on the sintered metal component are carried out periodically or not periodically.
Es wurde herausgefunden, dass durch das Walzen mit einem profilierten Walzwerkzeug, dessen Teilung des Profils seiner Walzfläche nicht auf den Durchmesser des zu wälzenden Sintermetallbauteils teilt, die Oberfläche des Sintermetallbauteils deutlich tiefer als beim konventionellem Walzen bei gleichbleibender Geometrie verdichtet werden kann.It has been found that by rolling with a profiled rolling tool whose pitch of the profile of its rolling surface does not share the diameter of the sintered metal component to be rolled, the surface of the sintered metal component can be compacted significantly deeper than in conventional rolling with the same geometry.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können nunmehr gesinterte Metallbauteile sich auch im Marksegment der mechanisch hoch belastbaren Metallbauteile etablieren, da die Bauteileigenschaften signifikant verbessert und bislang benötigte Bauteile, beispielsweise Lagerringe, eingespart werden können.By means of the method according to the invention, sintered metal components can now also be established in the market segment of the mechanically highly loadable metal components, since the component properties can be significantly improved and components previously required, for example bearing rings, can be saved.
Es konnte erfolgreich nachgewiesen werden, dass durch die Ausbildung von wellenförmigen Erhebungen mit vorzugsweise geringen Radien, den sogenannten Kontaktradien, die Verdichtungstiefe des Sintermetallbauteils positiv beeinflusst werden kann.It has been successfully proven that the formation of undulating elevations with preferably small radii, the so-called contact radii, can positively influence the compaction depth of the sintered metal component.
Trotz der Tatsache, dass während des Walzens keine signifikante Geometrieveränderung des zu wälzenden Sintermetallbauteils auftritt, kann sich ergänzend ein an den ersten Verfahrensschritt – das Verdichten der Oberfläche – ein zweiter Verfahrensschritt zur Erzielung einer optimalen Rundheit – das Kalibrieren – anschließen. Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass die Walzfläche des Walzwerkzeugs in Richtung ihrer Umfangslinie einen ersten, profilierten Bereich zum Zwecke des Oberflächenverdichtens und einen sich daran anschließenden zweiten, nichtprofilierten, respektive glatten Bereich zum Zwecke des an die Oberflächenverdichtung sich anschließende Kalibrierens des Sintermetallbauteils umfasst. Das heißt, in einem ersten Drehwinkelbereich des Walzwerkzeugs wird das Sintermetallbauteil nur verdichtet und in dem zweiten Drehwinkelbereich wird das Sintermetallbauteil kalibriert. Der Übergang des Profils der Walzfläche des Walzwerkzeuges kann entsprechend auch stetig in den zweiten, nichtprofilierten, respektive glatten Bereich übergehen. Durch eine derartige Ausbildung der Walzfläche des Walzwerkzeugs können besonders vorteilhaft zwei Verfahrensschritte unmittelbar hintereinander ausgeführt werden, ohne dass die Walzwerkzeuge umgerüstet werden müssen oder das Werkstück verfahren werden muss.In spite of the fact that no significant change in geometry of the sintered metal component to be rolled occurs during rolling, a second method step for achieving optimum roundness-calibrating-can be added to the first method step-compacting the surface. According to the invention, it is provided that the rolling surface of the rolling tool in the direction of its circumferential line comprises a first, profiled area for the purpose of surface compacting and an adjoining second, non-profiled, respectively smooth area for the purpose of calibrating the sintered metal component following the surface compaction. That is, in a first rotation angle range of the rolling tool, the sintered metal component is only compressed, and in the second rotation angle range, the sintered metal component is calibrated. The transition of the profile of the rolling surface of the rolling tool can accordingly proceed continuously in the second, non-profiled, respectively smooth area. Such a design of the rolling surface of the rolling tool can advantageously be used to carry out two method steps directly after one another, without the rolling tools having to be converted or the workpiece having to be moved.
Während des Verdichtungsvorgangs wird das Walzwerkzeug bei der Verwendung von Walzen bzw. Rollen üblicherweise rotatorisch angetrieben. Bei als Balken-Balken ausgebildeten Walzwerkzeugen hingegen wird mindestens einer der Balken mit einer axial wirkenden Kraft beaufschlagt, die eine translatorische Bewegung des Balkens erzeugt. Das zu bearbeitende Sintermetallbauteil kann zusätzlich rotatorisch oder mit Vorschub in Richtung dessen Längsachse angetrieben werden, wobei die beiden Rotationsbewegungen bzw. die Rotationsbewegung und die Vorschubbewegung aufeinander abgestimmt sind.During the compaction process, the rolling tool is usually rotationally driven when using rollers. By contrast, in the case of rolling tools designed as beam bars, at least one of the beams is acted upon by an axially acting force which generates a translatory movement of the beam. The sintered metal component to be machined can additionally be driven rotationally or with feed in the direction of its longitudinal axis, wherein the two rotational movements or the rotational movement and the advancing movement are matched to one another.
Aufwändige Feldversuche haben gezeigt, dass während des Verdichtungs- und/oder Kalibrierungsprozesses die Achse(n) des Walzwerkzeugs und die Achse des Sintermetallbauteils nicht nur parallel, sondern auch nicht parallel zueinander ausgerichtet sein können. Der letztgenannte Fall wird dann realisiert, wenn das zu bearbeitende Sintermetallbauteil zusätzlich zur Rotationsbewegung eine Vorschubbewegung ausführen soll. Durch die gegenläufig geneigten Achsen zweier Walzen bzw. Rollen gegenüber der Achse des Sintermetallbauteils wird die Kraft zum Vorschub in Richtung dessen Längsachse durch die Walzen bzw. Rollen selbst erzeugt. Das hat den Vorteil, dass der Verdichtungsvorgang und der sich optional daran anschließende Kalibriervorgang sich auf theoretisch unendlich lange Sintermetallbauteile übertragen lässt.Elaborate field tests have shown that during the compaction and / or calibration process, the axis (s) of the rolling tool and the axis of the sintered metal component can be aligned not only parallel but also not parallel to each other. The latter case is realized when the sintered metal component to be machined is to perform an advancing movement in addition to the rotational movement. By the opposite inclined axes of two rollers or rollers relative to the axis of the sintered metal component, the force is generated to feed in the direction of its longitudinal axis by the rollers or rollers themselves. This has the advantage that the compaction process and the optionally subsequent calibration process can be transferred to theoretically infinitely long sintered metal components.
Es hat sich in Bezug auf die Erzielung einer großen Oberflächenverdichtungstiefe des Sintermetallbauteils erwiesen, wenn die Drehzahl bzw. die Frequenz des rotierenden Walzwerkzeugs zwischen 5 und 200 U/min beträgt.It has been found to provide a large surface compacting depth of the sintered metal component when the rotational speed of the rotating rolling tool is between 5 and 200 rpm.
Das Walzwerkzeug kann erfindungsgemäß neben der Paarung Rolle-Rolle, oder Balken-Balken auch als Rolle-Segment ausgebildet sein, wobei die Anordnung der beiden komplementären Walzwerkzeuge zueinander ein Kräftegleichgewicht bezüglich der diametral angreifenden Walzkräfte auf das Sintermetallbauteil bewirkt.The rolling tool according to the invention, in addition to the pairing roller-roller, or beam bar also be designed as a roller segment, wherein the arrangement of the two complementary rolling tools each other causes a balance of forces with respect to the diametrically acting rolling forces on the sintered metal component.
Im Sinne der Erfindung sind als Sintermetallbauteile vorzugsweise hohlzylinderförmige aber auch vollzylinderförmige Sintermetallbauteile vorgesehen. Bei einem als Rolle-Rolle ausgebildeten Walzwerkzeug werden die zu bearbeitenden Sintermetallbauteile auf einem Dorn bzw. auf Spitzen gehaltert, der/die bedarfsgemäß rotatorisch angetrieben werden kann bzw. können.For the purposes of the invention, preferably hollow-cylindrical but also fully cylindrical sintered metal components are provided as sintered metal components. In the case of a rolling tool designed as a roller-roller, the sintered metal components to be machined are supported on a mandrel or on tips which can or may be driven rotationally as required.
Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:
- • an der Umfangsfläche des zu bearbeitenden Sintermetallbauteils greift zumindest ein antreibbar gelagertes Walzwerkzeug an und führt schlagartig Einzelwalzvorgänge periodisch oder nicht periodisch aus, was zur Verdichtung der Oberfläche ohne signifikante mikroskopische Verformung, respektive ohne relevante Geometrieveränderung, des Sintermetallbauteils führt,
- • die schlagartigen Einzelwalzvorgänge können hierbei zum einen mittels einem eine glatte Walzfläche aufweisenden, zylinderförmigen Walzwerkzeug mit einem Antrieb zur Erzeugung einer in Richtung des Sintermetallbauteils wirkenden translatorischen Stoß- oder Schwingungsbewegung oder zum anderen mittels einem zylinderförmigen Walzwerkzeug mit zumindest partiell profilierter Walzfläche, wobei das Profil im Querschnitt im Wesentlichen wellenförmige Erhebungen aufweist, welche bei einer Rotation des Walzwerkzeugs (periodisch) an der Umfangsfläche des Sintermetallbauteils angreifen, realisiert werden,
- • durch Ausbildung kleiner Kontaktradien der Erhebungen kann die Verdichtungstiefe der Sintermetallbauteile positiv beeinflusst werden,
- • die Walzfläche des Walzwerkzeugs kann in Richtung ihrer Umfangslinie einen ersten, profilierten Bereich zum Zwecke des Oberflächenverdichtens und einen sich daran anschließenden zweiten, nichtprofilierten, respektive glatten Bereich zum Zwecke des an die Oberflächenverdichtung sich anschließende Kalibrierens des Sintermetallbauteils umfassen,
- • während des Verdichtungs- und/oder Kalibrierungsprozesses können die Achse(n) des Walzwerkzeugs und die Achse des Sintermetallbauteils in Abhängigkeit des verwendeten Walzwerkzeugs parallel oder nicht parallel zueinander ausgerichtet sein und
- • als bearbeitbare Sintermetallbauteile eignen sich sowohl hohlzylinderförmige als auch vollzylinderförmige Sintermetallbauteile mit und ohne Rand- und Zusatzgeometrien.
- On the peripheral surface of the sintered metal component to be machined, at least one drivably mounted rolling tool engages and abruptly performs single rolling operations periodically or not periodically, resulting in densification of the surface without significant microscopic deformation, or without relevant change in geometry, of the sintered metal component.
- • The sudden single rolling operations can hereby on the one hand by means of a smooth rolling surface, cylindrical rolling tool with a drive for generating a force acting in the direction of the sintered metal component translational shock or vibration or on the other hand by means of a cylindrical rolling tool with at least partially profiled rolling surface, wherein the profile in Cross-section has substantially wave-shaped elevations, which in a rotation of the rolling tool (periodically) attack on the peripheral surface of the sintered metal component can be realized,
- • by forming small contact radii of the elevations, the compaction depth of the sintered metal components can be positively influenced,
- The rolling surface of the rolling tool can comprise, in the direction of its peripheral line, a first, profiled area for the purpose of surface compacting and a subsequent second, non-profiled or smooth area for the purpose of calibrating the sintered metal component subsequent to the surface compaction,
- • During the compaction and / or calibration process, the axis (s) of the rolling tool and the axis of the sintered metal component may be parallel or not aligned parallel to each other depending on the rolling tool used, and
- • Both hollow cylindrical and fully cylindrical sintered metal components with and without marginal and additional geometries are suitable as machinable sintered metal components.
Die Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:The objectives and advantages of this invention will become better understood and appreciated after a careful study of the following detailed description of the preferred non-limiting example embodiments of the invention herein, together with the accompanying drawings, in which:
Die
Aus der
Die
Eine Schnittdarstellung eines zylinderförmigen Walzwerkzeugs
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Walzwerkzeugrolling tool
- 1.11.1
- Walzflächeroll face
- 1.21.2
- Längsachselongitudinal axis
- 1.31.3
- Profilprofile
- 1.41.4
- Erhebungensurveys
- 1.51.5
- Teilungdivision
- 1.61.6
- Umfangslinieperipheral line
- 22
- SintermetallbauteilSintered metal component
- 2.12.1
- Umfangsflächeperipheral surface
- 2.22.2
- Längsachselongitudinal axis
- 33
- Dorn bzw. SpitzeThorn or tip
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