DE102013008678A1

DE102013008678A1 - Verfahren zur Beschichtung eines Pumpenbauteils

Info

Publication number: DE102013008678A1
Application number: DE102013008678.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Wykydal
Original assignee: Hydac Drive Center GmbH
Current assignee: Hydac Drive Center GmbH
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Verfahren zur Beschichtung eines Pumpenbauteils (23, 31), insbesondere eines Teils einer Axialkolbenpumpe (7), mit den Schritten: Bereitstellen eines Rohlings des Bauteils (23, 31); Vorsehen mindestens einer Ausnehmung im Rohling; Einfüllen eines pulverförmigen Beschichtungsmaterials in die jeweils zugeordnete Ausnehmung; Aufschmelzen des Beschichtungsmaterials unter einer Schutzgasatmosphäre und materialabtragendes Bearbeiten des Rohlings unter Bildung mindestens einer Gleit- und/oder Lagerfläche (6) aus der Beschichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Pumpenbauteils, insbesondere eines Teils einer Axialkolbenpumpe.
Pumpen moderner Bauart, wie sie beispielsweise bei Hydrauliksystemen in Form von Axialkolbenpumpen zum Einsatz kommen, enthalten Bauteile mit Oberflächenbereichen, die im Betrieb hoch belastet sind. Um einen sicheren Betrieb über lange Betriebszeiträume sicherzustellen, ist es üblich, betreffende Bauteile zumindest an den hochbelasteten Bereichen mit einer Beschichtung zu versehen, die dem betreffenden Bauteil an den kritischen Stellen die gewünschten Oberflächeneigenschaften verleiht. Insbesondere sollen durch beschichtete Bereiche Gleit- oder Lagerstellen gebildet werden, die verschleißarm und reibungsarm eine Relativbewegung zwischen dem betreffenden Bauteil und einem feststehenden Pumpenbauteil ermöglichen.
Im Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren aufzuzeigen, das die Ausbildung einer Beschichtung mit besonders vorteilhaften Oberflächeneigenschaften ermöglicht.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, das die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte umfasst.
Danach sieht die Erfindung für die Beschichtung ein Lötpulververfahren vor, bei dem pulverförmiges Beschichtungsmaterial in eine im Trägermaterial des Rohlings entsprechend ausgeformte Ausnehmung eingefüllt und darin aufgeschmolzen wird. Das Aufschmelzen erfolgt unter einer Schutzgasatmosphäre und führt zu einer Lötverbindung, so dass die gebildete Schicht untrennbar mit dem Trägermaterial des Rohlings verbunden wird. Zur Ausbildung eines entsprechenden Fertigteils wird der Rohling anschließend materialabtragend endbearbeitet, beispielsweise spanabhebend durch Drehen und/oder Fräsen.
Für die Ausbildung einer Beschichtung mit besonderer Eignung für Gleitlagerstellen kann mit besonderem Vorteil eine Beschichtung in Form einer Bronzeschicht gebildet werden, indem pulverförmige Zinnbronze CuSn6 in die jeweilige Ausnehmung eingefüllt wird.
Vorzugsweise wird der Rohling aus Stahl vorgedreht, beispielsweise aus einem Kohlenstoffstahl.
Mit besonderem Vorteil kann das Aufschmelzen ohne Druck in einem Vakuumofen durchgeführt werden. Dadurch findet der Schmelzprozess ohne Temperaturunterschiede zwischen Stahl und Bronze statt. Fehler, wie sie beim Gießen auftreten, wie Bindungsfehler, Lötrisse und dergleichen, können dadurch ausgeschlossen werden.
Durch gezieltes Abkühlen nach dem Aufschmelzen kann ein Vergütungszustand erreicht werden. Vorzugsweise wird hierfür als Werkstoff des Rohlings ein Vergütungsstahl benutzt, wobei sich Vergütungszustände im Bereich von 750 bis 850 N/mm² realisieren lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise zur Bildung einer Beschichtung an einem Steuerspiegel und/oder einem Gleitschuh einer Axialkolbenpumpe.
In vorteilhafter Weise kann für die Herstellung eines Steuerspiegels einer Axialkolbenpumpe ein Rohling in Form einer Kreisscheibe mit einem zentralen Durchgang hergestellt werden und am Rohling eine Vertiefung in Form eines Ringraums zwischen einem unvertieften Umfangsrand und einem den Durchgang umgebenden Rand in Form einer unvertieften Ringrippe gebildet werden.
Für die Herstellung eines Gleitschuhs einer Axialkolbenpumpe kann ein Rohling in Form eines Kreiszylinderkörpers hergestellt werden, wobei in dessen einer Zylinderfläche eine Vertiefung in Form einer von einem unvertieften Umfangsrand begrenzten Kreisfläche gebildet wird.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt einer Axialkolbenpumpe mit Bauteilen, die eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Beschichtung aufweisen;
2 eine perspektivische Schrägansicht des Steuerspiegels der Axialkolbenpumpe von 1, der mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Beschichtung versehen ist;
3 eine perspektivische Schrägansicht eines Rohlings, der für die Herstellung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichteten Steuerspiegels von 2 vorgefertigt ist;
4 einen Längsschnitt des Rohlings von 3;
5 eine perspektivische Schrägansicht des Rohlings von 3 und 4 mit in dessen gebildete Vertiefung eingefülltem, pulverförmigen Beschichtungsmaterial;
6 einen Längsschnitt des Rohlings von 3 und 4 mit in die Vertiefung eingefülltem pulverförmigen Beschichtungsmaterial;
7 einen Längsschnitt des nach Endbearbeitung des Rohlings fertigen Steuerspiegels, der in 2 in perspektivischer Darstellung gezeigt ist;
8 einen Längsschnitt eines Rohlings zur Herstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichteten Gleitschuhs für die Axialkolbenpumpe von 1;
9 einen Längsschnitt des Rohlings von 8 mit in die gebildete Vertiefung eingefülltem pulverförmigen Beschichtungsmaterial und
10 einen Längsschnitt des nach Endbearbeiten des Rohlings von 9 fertiggestellten Gleitschuhs.
Die 1 zeigt eine Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauart, die Bauteile aufweist, die eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Beschichtung 24 aufweisen. In der bei Axialkolbenpumpen dieser Art üblichen Weise ist in einem Pumpengehäuse 7 eine rotierend antreibbare Zylindertrommel 1 vorgesehen, der eine Schrägscheibe 3 zugeordnet ist, die zur Einstellung der Förderleistung und damit des durch die Pumpe erzeugbaren Systemdrucks schwenkbar ist, wobei die Schwenkachse der Schrägscheibe 3 in 1 mit 37 bezeichnet ist. Das Pumpengehäuse 7 weist ein in der Zeichnung oben liegendes Oberteil 9 und ein Unterteil 11 auf. Eine Antriebswelle 13 für die Zylindertrommel 1 ist für die Drehbewegung um die mit 15 bezeichnete Achse im Oberteil 9 in einem Kegelrollenlager 16 und im unteren Teil 11 mittels eines Gleitlagers 17 gelagert. Die Zylinderräume 19 der Zylindertrommel 1 mit darin geführten Kolben 21 (bei der Schnittebene von 1 ist lediglich ein Zylinderraum 19 sichtbar) sind am in der Zeichnung unteren Zylinderende mit einem Steuerspiegel 23 in Kontakt, der am Gehäuseunterteil 11 anliegt. Der Steuerspiegel 23 weist Steueröffnungen 25 und 26 für Verbindungen zwischen einem saugseitigen Anschluss 29 und einem druckseitigen Anschluss 27 in die Zylinderräume 19 der Zylindertrommel 1 auf. Der Steuerspiegel 23, der in den 2 und 7 gesondert dargestellt ist, weist auf der in der Zeichnung oben liegenden Seite, die der Zylindertrommel 1 zugewandt ist, eine Beschichtung 24, siehe 2, auf, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist und die Lagerfläche bildet, an der die leicht konkav gewölbte Bodenfläche 8 der Zylindertrommel 1 bei deren Drehbewegung gleitet. In 7 sind Teile der Beschichtung 24, die Lagerstellen zwischen einem zentralen Durchgang 14 und angrenzenden Steueröffnungen 25 und 26 bilden, mit 6 bezeichnet.
Bei der Bewegung der Zylindertrommel 1 gleiten die Kolben 21 über jeweils einen Gleitschuh 31 an der Gleitfläche 33, die sich an der Unterseite der Schrägscheibe 3 befindet. In 10 ist ein Gleitschuh 31 gesondert dargestellt. Die Gleitschuhe 31 sind mit der Kolbenoberseite des zugehörigen Kolbens 21 kugelgelenkartig verbunden, wobei das Kugelgelenk durch einen Kugelkopf 34 am Kolben 21 und eine Kugelpfanne 36 im Gleitschuh 31 gebildet ist. Das Kugelgelenk ist durch eine Einbördelung 38 am Gleitschuh 31 gesichert. Ölbohrungen 35 im Kugelkopf 34 und Gleitschuh 31 bilden einen Zugang für Fluid wie Hydrauliköl für die Schmierung der Gleitfläche 33 und eine hydrostatische Entlastung der Gleitschuhe. In Entsprechung zu dem Steuerspiegel 23 weisen auch die Gleitschuhe 31 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Beschichtung 24 auf.
Wie bereits erwähnt, ist für die Einstellung des Fördervolumens die Schrägscheibe 3 um die Schwenkachse 37 verstellbar, die in der Ebene der Gleitfläche 33 der Schrägscheibe 3 liegt. Definiert ist diese Schwenkachse 37 durch die zwischen Schrägscheibe 3 und Oberteil 9 gebildete Schrägscheibenlagerung. Diese weist am Oberteil 9 eine Kunststofflagerschale 39 auf, an der die Schrägscheibe 3 mit einer kalottenförmigen Gleitfläche 41 geführt ist. In der Gleitfläche 41 ist für den Durchtritt der Antriebswelle 13 eine sich nach oben konisch erweiternde Durchgangsöffnung 43 in der Schrägscheibe 3 gebildet. Beidseits neben der Öffnung 43 sind aus der Gleitfläche 41 vorstehende Führungsschienen 45 als Teil der Schrägscheibenlagerung vorgesehen. Für die Schwenkbewegung der Schrägscheibe 3 um die Schwenkachse 37 ist die in 1 links gelegene Seite der Schrägscheibe 3 mit einem Schwenkhebel 47 verschraubt, der sich parallel zur Achse 15 neben der Zylindertrommel 1 erstreckt und an seinem in 1 unteren Ende 49 in senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufender Richtung bewegbar ist, um eine entsprechende Schwenkbewegung der Schrägscheibe 3 um die Schwenkachse 37 zu bewirken. Der Schwenkhebel 47 ist an der zugeordneten Seite der Schrägscheibe 3 mit einem in einer Bohrung 51 befindlichen Innengewinde verschraubt.
Ein Gelenkrohr 5, das Bestandteil einer Zufuhr- und Andruckeinrichtung bildet, ist, wie 1 zeigt, seitlich neben der Zylindertrommel 1 in parallel zur Achse 15 verlaufender Richtung angeordnet. Mit seinem in 1 unteren Ende ist das Gelenkrohr 5 in einer Aufnahme 53 in einem Anschlussblock 55 am Gehäuseunterteil 11 gelagert, wobei die Aufnahme 53 eine Axialverschiebung des Gelenkrohres 5 ermöglicht. Der Block 55 enthält einen in 1 nicht sichtbaren Verbindungskanal zur Druckseite 29, der in die Aufnahme 53 des Gelenkrohres 5 einmündet. Das obere Ende des Gelenkrohres 5 ist über ein Verbindungsstück 58, das seitlich außerhalb der Gleitfläche 33 an der Unterseite der Schrägscheibe 3 angeordnet ist, mit der Schrägscheibe 3 gelenkig verbunden. Die Gelenkverbindung ist durch eine Art Kugelgelenk realisiert und weist am oberen Ende des Gelenkrohres 5 einen Kugelkopf 59 auf, der in einer Kugelpfanne 61 des Verbindungsstückes 58 aufgenommen ist. Das Gelenkrohr 5 ist über das Verbindungsstück 58 gegen die Schrägscheibe 3 hin verspannt. Zu diesem Zweck ist zwischen dem unteren Ende des Gelenkrohres 5 und dem Boden der Aufnahme 53 ein Tellerfederpaket 63 angeordnet. Ein Fluiddurchgang 67 im Verbindungsstück 58 setzt die Fluidverbindung zur Druckseite 29 über die Rohrmündung am Kugelkopf 59 hinaus zur Schrägscheibe 3 fort. An den Durchgang 67 des Verbindungsstückes 58 schließen sich innerhalb der Schrägscheibe 3 ausgebildete Schmierkanäle 73, 75 an, von denen in 1 lediglich einige sichtbar sind und von denen die vertikalen Kanäle 75 an für die Schmierstoffzufuhr zur Schwenkscheibenlagerung in Frage kommenden Stellen der Gleitfläche 41 münden.
Die 3 bis 7 verdeutlichen die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Beschichtung 24 am Steuerspiegel 23 der in 1 dargestellten Axialkolbenpumpe. Die 3 zeigt die Form eines aus einem Vergütungsstahl als Drehteil hergestellten Rohlings 81 in Form einer Kreiszylinderscheibe mit einer kreisringförmigen Vertiefung 83 zwischen einem unvertieften Umfangsrand 85 und einer unvertieften Ringrippe 87 am Rand des zentralen Durchgangs 14. Wie 4 zeigt, ist die Vertiefung 83 in Radialrichtung stetig vertieft. 5 und 6 verdeutlichen den weiteren Verfahrensschritt, bei dem in die Vertiefung 83 das pulverförmig Beschichtungsmaterial 4 eingefüllt wird. Für die Bildung der Beschichtung 24 in Form einer Lagerbronze wird als Füllmaterial pulverförmige Zinnbronze CuSn6 eingefüllt. Sodann wird das Beschichtungsmaterial 4 unter einer Schutzgasatmosphäre ohne Druck in einem Vakuumofen aufgeschmolzen. Durch die entstehende Lötverbindung wird die Bronzeschicht untrennbar mit dem Trägerteil verbunden. Durch gezieltes Abkühlen nach dem Lötprozess kann ein bestimmter Vergütungszustand erreicht werden. Die 7 verdeutlicht den Fertigzustand des Steuerspiegels 23, nachdem das in 5 und 6 gezeigte Halbfertigprodukt durch Drehen in die in 2 und 7 gezeigte Form gebracht wird. Wie ersichtlich, sind dabei zwischen dem zentralen Durchgang 14 und der saugseitigen Steueröffnung 25 sowie den druckseitigen Steueröffnungen 26 sowie zwischen einem flanschartigen Umfangsbereich 89 und den Steueröffnungen 25, 26 jeweils aus der Beschichtung 24 Gleitlagerbereiche gebildet, wie sie in 7 mit 6 bezeichnet sind. Der aus der Beschichtung 24 gebildete Lagerbereich 6 ist in Entsprechung zu der leicht konkav gewölbten Bodenfläche 8 der Zylindertrommel 1 konvex gewölbt. Der Bereich 6 der Beschichtung 24 ist zusammen mit der Bodenfläche 8 der Zylindertrommel 1 gelappt.
Die 8 bis 10 verdeutlichen die Beschichtung eines Gleitschuhs 31 der Axialkolbenpumpe von 1 nach dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren. Wiederum wird ein Stahlrohling 82 derart vorgedreht, dass eine Vertiefung 84 in Form einer von einem unvertieften Umfangsrand 88 umgrenzten Kreisfläche gebildet wird, in die das pulverförmige Beschichtungsmaterial 4, wiederum Zinnbronze, eingefüllt wird. Das Aufschmelzen erfolgt sodann wie zuvor am Beispiel des Steuerspiegels 23 beschrieben. Das nach dem Aufschmelzen gebildete Halbfertigprodukt ist in 9 dargestellt. Durch anschließende Endbearbeitung durch Drehen und Fräsen (einige Bearbeitungslinien sind in 9 mit gestrichelten Linien 91 und 93 angedeutet), wird der Gleitschuh 31 in die in 10 gezeigte Endform gebracht. Wie hieraus ersichtlich, ist die Oberseite des Gleitschuhs 31, die für die Zusammenwirkung mit der Gleitfläche 33 der Axialkolbenpumpe vorgesehen ist, derart bearbeitet, dass aus der Beschichtung 24 Lagerbereiche 6 in Form nebeneinanderliegender Kreisringe am Umfangsbereich der Oberseite 95 gebildet sind.

Claims

Verfahren zur Beschichtung (24) eines Pumpenbauteils (23, 31), insbesondere eines Teils einer Axialkolbenpumpe (7), mit den Schritten: – Bereitstellen eines Rohlings (81, 82) des Bauteils (23, 31); – Vorsehen mindestens einer Ausnehmung (83, 84) im Rohling (81, 82); – Einfüllen eines pulverförmigen Beschichtungsmaterials (4) in die jeweils zugeordnete Ausnehmung (83, 84); – Aufschmelzen des Beschichtungsmaterials (4) unter einer Schutzgasatmosphäre und – materialabtragendes Bearbeiten des Rohlings (81, 82) unter Bildung mindestens einer Gleit- und/oder Lagerfläche (6) aus der Beschichtung (24).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Beschichtung in Form einer Bronzeschicht (24) pulverförmige Zinnbronze (CuSn6) in die jeweilige Ausnehmung (83, 84) eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (81, 82) aus Stahl hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen ohne Druck in einem Vakuumofen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (81, 82) durch das Aufschmelzen in einen Vergütungszustand gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (81, 82) aus einem Vergütungsstahl gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (24) an einem Steuerspiegel (23) und/oder einem Gleitschuh (31) als die Pumpenbauteile einer Axialkolbenpumpe (7) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Steuerspiegels (23) der Axialkolbenpumpe (7) ein Rohling (81) in Form einer Kreisscheibe mit einem zentralen Durchgang (14) hergestellt wird und dass am Rohling (81) eine Vertiefung (83) in Form eines Ringraums zwischen einem unvertieften Umfangsrand (85) und einem den Durchgang (14) umgebenden Rand in Form einer unvertieften Ringrippe (87) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung des Gleitschuhs (31) der Axialkolbenpumpe (7) ein Rohling (82) in Form eines Kreiszylinderkörpers hergestellt wird und dass in dessen einer Zylinderfläche eine Vertiefung (84) in Form einer von einem unvertieften Umfangsrand (88) begrenzen Kreisfläche gebildet wird.