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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schiebemuffe aus einem Metallpulver in einem Sinterverfahren.
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In einer Synchronisationseinheit wird eine Schiebemuffe dazu verwendet, eine drehfeste Verbindung zwischen einem Synchronkörper und einem zu schaltenden Gangrad herzustellen. Die Schiebemuffe ist ein ringförmiges Bauteil mit einer Innenverzahnung, die in Außenverzahnungen am Synchronkörper und am Gangrad gleichzeitig eingreifen kann, sowie mit einer äußeren Eingriffsgeometrie, an der eine Schaltgabel angreift, um die Schiebemuffe in Axialrichtung in Richtung zum Gangrad hin und beim Auslegen des Gangs von diesem weg zu verschieben.
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Herkömmlich werden Schiebemuffen aus Rohrabschnitten durch Rollieren, Walzen und spanende Bearbeitungsverfahren gefertigt. Es ist auch möglich, einen Schmiederohling herzustellen und diesen dann spanend fertig zu bearbeiten.
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Es ist auch bekannt, eine Schiebemuffe in einem Sinterverfahren herzustellen. Bei einem Sinterverfahren wird zunächst ein Metallpulver in eine Pressform gefüllt und unter Druckeinwirkung zu einem Pressling (Grünling) verfestigt. Dieser wird anschließend gesintert, wobei sich die Metallkörner dauerhaft verbinden und sich die Festigkeit erhöht. Die Verwendung eines Sinterverfahrens hat gegenüber der herkömmlichen Bearbeitung eines vorgeformten Teils Vorteile hinsichtlich des Bearbeitungsaufwands, da ein Teil der Formgebung bereits durch die Herstellung des Presslings in der Pressform übernommen werden kann. Jedoch lassen sich nicht sämtliche geometrische Strukturen einer Schiebemuffe in einem einfachen Pressvorgang formen. Problematisch sind dabei Strukturen, die Hinterschnitte bezüglich der Entformungsrichtung aufweisen, also Strukturen, die nur durch eine radial nach außen gerichtete Werkzeugbewegung erzeugt werden können. Zu derartigen problematischen Strukturen zählen bei einer Schiebemuffe Hinterlegungen und Rastiernuten an einer Innenverzahnung sowie eine außenumfängliche Eingriffsnut für eine Schaltgabel.
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Die
DE 102 50 432 A1 schlägt vor, nach dem Pressen den Pressling vorzusintern, aber noch nicht endgültig fertig zu sintern und dann im Bereich der Innenverzahnung spanend zu bearbeiten. Nachteilig ist dabei jedoch, dass auch das vorgesinterte Bauteil bereits eine relativ hohe Härte hat, sodass die Bearbeitung zum Einbringen der benötigten geometrischen Strukturen zeitaufwendig und teuer ist.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung einer Schiebemuffe zu verbessern und insbesondere die Bearbeitungszeit zu verkürzen.
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Erfindungsgemäß wird dies mit einem Verfahren zur Herstellung einer Schiebemuffe für eine Getriebesynchronisationseinheit aus einem Metallpulver erreicht, wobei die folgenden Schritte vorgenommen werden:
- – Bereitstellen einer Werkzeugform mit zwei gegeneinander verfahrbaren, starren Formhälften, die Abschnitte einer Außenkontur eines Schiebemuffen-Presslings definieren,
- – Einbringen von wenigstens einem Strukturelement in den von den geschlossenen Formhälften definierten Raum, das wenigstens einen Hinterschnitt bezüglich der Verfahrrichtung der Formhälften im Schiebemuffen-Pressling definiert,
- – Einbringen von Metallpulver in die Werkzeugform,
- – Verpressen des Metallpulvers in der Werkzeugform zur Erzeugung des Schiebemuffen-Presslings,
- – Entfernen des oder der Strukturelemente,
- – Auseinanderfahren der Formhälften der Werkzeugform,
- – Entnehmen des Schiebemuffen-Presslings aus der Werkzeugform und
- – Sintern des Schiebemuffen-Presslings.
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Die in der Geometrie der Schiebemuffe enthaltenen Hinterschnitte werden erfindungsgemäß durch die Verwendung von einem oder mehreren Strukturelementen erzeugt, die lösbar oder verschiebbar in der Werkzeugform angeordnet sind. Auf diese Weise können ohne großen Fertigungsaufwand auch Strukturen im Pressling erzeugt werden, die sonst ein Lösen der Werkzeugformhälften in Verfahrrichtung verhindern würden. Prinzipiell ist es möglich, durch die Verwendung von geeigneten Strukturelementen sämtliche geometrischen Strukturen der Schiebemuffe direkt beim Pressen zu erzeugen, so dass die Bearbeitungszeit deutlich reduziert werden kann.
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Durch die Strukturelemente können insbesondere eine Umfangsnut an der radialen Außenseite beispielsweise für den Eingriff einer Schaltgabel, Rastiernuten an der radialen Innenseite für den Kontakt mit Druckstücken eines Synchronkörpers und/oder Hinterlegungen an eine Innenverzahnung für den Eingriff mit einer Gangradverzahnung gebildet werden.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind als Strukturelemente mehrere insbesondere in Radialrichtung verschiebbare Schieber vorgesehen. Die Schiebe sind so angeordnet, dass sie in den von den geschlossenen Formhälften definierten Raum eingeschoben und aus diesem zurückgezogen werden können.
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Bei der Verwendung von Schiebern werden vorzugsweise erst die Schieber in ihre endgültige Position gebracht und dann das Metallpulver in die Form eingefüllt. Beim Entformen des Presslings nach dem Pressvorgang werden erst die Schieber zurückgezogen, bevor die Formhälften auseinander gefahren werden.
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Um eine homogene Verpressung des Metallpulvers zu erreichen, können selbstverständlich alle üblichen Maßnahmen des Pulverpressens durchgeführt werden, etwa das Verfahren von Pulversäulen sowie das Vorsehen mehrerer Unter- und Oberstempel.
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Die Anzahl der Schieber bestimmt sich aus dem zu fertigenden Hinterschnitt. Die Verwendung von Schiebern ist insbesondere günstig für die Herstellung einer Umfangsnut. In diesem Fall werden vorzugsweise zwei, drei oder vier Schieber eingesetzt, die rein in Radialrichtung beweglich angeordnet sein können.
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Schieber zur Herstellung der Umfangsnut weisen vorzugsweise jeweils einen in Umfangsrichtung verlaufenden Vorsprung auf, wobei alle Vorsprünge zusammen einen geschlossen umlaufenden Ring definieren, der eine Umfangsnut in der radialen Außenseite des Schiebemuffen-Presslings erzeugt.
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Die Innenkontur der Schieber ist vorzugsweise in ihrer Form so an eine anschließende Innenkontur der Werkzeugform angepasst, dass im zurückgezogenen Zustand die Innenkontur der Schieber in Radialrichtung nicht gegenüber der Innenkontur der Werkzeugform zurück- oder vorsteht, um Kanten zu vermeiden, an denen der Schiebemuffen-Pressling beim Entformen hängenbleiben könnte. Insbesondere kann die Krümmung der Innenkontur der Schieber gleich der Krümmung der Innenkontur der axial anschließenden Bereiche der Werkzeugform gewählt werden. Die in diesem Fall von der Kreisform abweichende Außenkontur der Umfangsnut kann durch einen spanenden Nachbearbeitungsschritt ausgeglichen werden.
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Es ist möglich, auch für die Herstellung von Hinterschnitten im Bereich des Innenumfangs, beispielsweise für Rastiernuten und Hinterlegungen Schieber zu verwenden, dies erfordert jedoch einen relativ großen Aufwand bei der Herstellung der Werkzeugform.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform werden Strukturelemente verwendet, die durch ein oder mehrere Einlegeteile gebildet sind, die vor dem Einbringen des Metallpulvers in die Werkzeugform an den Formhälften fixiert werden.
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Das Fixieren der separaten Einlegeteile kann auf beliebigem geeignetem Weg erfolgen. Insbesondere können Nuten und Vorsprünge in den Innenwänden der Formhälften und/oder an den Einlegeteilen vorgesehen sein, die es erlauben, die Einlegeteile entlang der Verfahrrichtung gegenüber der Innenwand der Formhälften zu bewegen. Die Befestigung ist natürlich so auszulegen, dass sich die Einlegeteile beim Pressvorgang und den dabei aufgebrachten Druckkräften nicht verschieben. Die Einlegeteile sollten auch so formstabil sein, dass sie sich beim Pressen nicht oder nicht wesentlich verformen.
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Es können jeweils mehrere Einlegeteile zur Herstellung eines einzelnen hinterschnittenen Merkmals vorgesehen sein, oder aber jeweils ein Strukturelement pro Hinterschnitt verwendet werden, beispielsweise bei den Rastiernuten. Die Umfangsnut wird z.B. durch mehrere zusammengesetzte Einlegeteile definiert.
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Das oder die Einlegeteile werden z.B. nach dem Auseinanderfahren der Formhälften in einer von der Verfahrrichtung der Formhälften abweichenden Richtung vom Schiebemuffen-Pressling entfernt. Beim Auseinanderfahren der Formhälften zum Entformen des Presslings lösen sich die Einlegeteile von der Werkzeugform und können zunächst am Schiebemuffen-Pressling haften bleiben, von dem sie anschließend beispielsweise in Radialrichtung entfernt werden.
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Die Einlegeteile können wiederverwendbar ausgelegt sein, was Materialkosten spart. Die Einlegeteile werden in diesem Fall zerstörungsfrei vom Schiebemuffen-Pressling entfernt und für den nächsten Pressvorgang wieder in die Formhälften eingesetzt.
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Es ist auch denkbar, die Einlegeteile während des Sinterns am Pressling zu belassen und erst nach dem Sintern zu entfernen. In diesem Fall müssen die Einlegeteile eine ausreichende Temperaturfestigkeit aufweisen. Hier kommt z.B. die Verwendung von Einlegeteilen aus einer geeigneten Keramik in Frage.
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Nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform sind das oder die Einlegeteile in Gestalt einer verlorenen Form ausgebildet und verbleiben nach dem Verpressen zunächst am Schiebemuffen-Pressling, um vorzugsweise erst beim Sintern durch die dabei herrschenden hohen Temperaturen zerstört zu werden. Derartige verlorene Formen können aus Wachs, Kunststoff, Epoxidharz-getränktem Sand oder ähnlichem bestehen, wobei das gewählte Material formbeständig gegenüber dem beim Verpressen entstehenden Druck sein muss, sich aber beim Sintern ohne Beschädigung der erzeugten Strukturen vom Schiebemuffen-Pressling lösen sollte. Die Einlegeteile können beim Sintern schmelzen, zerfallen oder sich chemisch zersetzen.
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Bei der Verwendung von verlorenen Formen werden neue Einlegeteile für jeden Schiebemuffen-Pressling benötigt.
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Es ist möglich, sämtliche strukturellen Elemente der Schiebemuffe bereits im Pressling auszubilden, so dass die Schiebemuffe nach dem Sintern nicht mechanisch nachbearbeitet werden muss. Eine formgebende Nachbearbeitung kann in diesem Fall vollständig entfallen. Eventuell kann auch eine Nachbearbeitung beispielsweise der Umfangsnut nur an Kontaktflächen für eine Schaltgabel erfolgen.
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Die beschriebenen unterschiedlichen Strukturelemente lassen sich auch beliebig kombinieren, wobei bestimmte Strukturen über Schieber und andere über Einlegeteile realisiert werden.
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Natürlich ist es auch möglich, nicht alle der Hinterschnitte an der Schiebemuffe direkt beim Pressen zu erzeugen und die restlichen Strukturen durch mechanische, formgebende Nachbearbeitung auf bekanntem Weg, beispielsweise durch Fräsen herzustellen. Umgekehrt ist es jedoch sehr gut möglich, tatsächlich alle Hinterschnitte bereits beim Sintern, d.h. ohne mechanische spanende Nachbearbeitung herzustellen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Schiebemuffe, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren;
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2 eine schematische Schnittdarstellung einer Werkzeugform für das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform; und
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3 eine schematische Schnittdarstellung einer Werkzeugform für das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer zweiten und einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt einen Schiebemuffen-Pressling 10, aus dem in einem Sinterverfahren im Wesentlichen ohne Änderung seiner Außenkontur eine fertige Schiebemuffe entsteht. Da die fertige Schiebemuffe im Aussehen identisch zum Schiebemuffen-Pressling 10 ist, ist sie hier nicht separat dargestellt.
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An einem ringförmigen Grundkörper 12 des Schiebemuffen-Presslings 10 ist an einer Außenumfangsfläche zwischen zwei an den Axialrändern liegenden Stegen 14 eine umfangsmäßig geschlossene Umfangsnut 16 für den Eingriff einer (nicht dargestellten) Schaltgabel gebildet.
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An einer radialen Innenseite ist eine Innenverzahnung 18 mit axialseitig angespitzten Zähnen 20 vorgesehen. Zumindest einige der Zähne 20 weisen Hinterlegungen 22 auf, die hier in axialer Richtung zum Inneren des ringförmigen Grundkörpers 12 hin bezüglich der Zahnflanken nach innen verlaufen. Außerdem sind weitere, für die Funktion der Schiebemuffe notwendige geometrische Strukturen im Bereich der Innenverzahnung 18 ausgebildet, beispielsweise mehrere über den Umfang verteilte Rastiernuten 24.
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Die Herstellung der Schiebemuffe wird im Folgenden beschrieben.
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Der Schiebemuffen-Pressling 10 wird in einer Werkzeugform 26 in einem Pressverfahren hergestellt.
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Die Werkzeugform 26 hat zwei in einer Verfahrrichtung V gegeneinander verfahrbare, starre Formhälften 28, 30, die in diesem Beispiel im Wesentlichen spiegelbildlich geformt sind und die einen von den Formhälften 28, 30 umschlossenen Raum 32 definieren. Der Raum 32 bestimmt abschnittsweise die Außenkontur des Schiebemuffen-Presslings 10 und damit der späteren fertigen Schiebemuffe.
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Die Schiebemuffe weist geometrische Strukturen auf, die nicht in einer zweiteiligen Werkzeugform entformt werden können, wenn diese und da diese in einer Verfahrrichtung V geöffnet wird. Hierzu zählen die Umfangsnut 16, die Hinterlegungen 22 und die Rastiernuten 24.
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Zur Fertigung dieser Strukturen sind Strukturelemente 34 vorgesehen, die in den Raum 32 eingebracht werden und die wenigstens einen Hinterschnitt bezüglich der Verfahrrichtung V im Schiebemuffen-Pressling 10 definieren.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die Strukturelemente 34 als in Radialrichtung r verschiebliche Schieber ausgebildet.
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Jeder der Schieber definiert hier einen Vorsprung 36, wobei alle Vorsprünge 36 zusammen einen geschlossenen umlaufenden Ring bilden, der die Umfangsnut 16 im Schiebemuffen-Pressling 10 erzeugt. Hierzu sind wenigstens zwei Schieber notwendig, die in Radialrichtung r gegeneinander verschoben werden. Werden nur zwei Schieber eingesetzt, so weist jeder von diesen einen in einem Halbkreis verlaufenden Vorsprung 36 auf, wobei sich beide Vorsprünge 36 zu einem geschlossenen Ring ergänzen. Es können jedoch auch mehr Schieber vorgesehen sein, vorzugsweise drei, die sich über einen 120°-Winkel erstrecken.
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In 2 ist eine Variante dargestellt, bei der jeder Formhälfte 28, 30 ein eigener Satz von Schiebern zugeordnet ist. Genauso ist es natürlich möglich, die axial aneinander anschließenden Schieber der beiden Formhälften 28, 30 einstückig zusammenzufassen und somit die Zahl der Schieber zu reduzieren. Die genaue Ausbildung der Schieber ist dem Fachmann für den jeweiligen Anwendungszweck überlassen.
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Die Innenkontur 33a der Schieber ist beispielsweise so auf eine Innenkontur 33b der in Axialrichtung A angrenzenden Abschnitte der Werkzeugform 26 abgestimmt, dass die Krümmung der Innenkonturen 33a, 33b gleich ist und bei zurückgezogenen Schiebern keine Kante in Axialrichtung A entsteht.
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Zur Herstellung des Schiebemuffen-Presslings 10 werden zunächst die die Strukturelemente 34 bildenden Schieber in Radialrichtung r in den Raum 32 hineingeschoben, bis sie ihre gewünschte Position erreicht haben. Anschließend wird ein Metallpulver (beispielsweise ein Eisenwerkstoff) in den Raum 32 eingebracht, und die Formhälften 28, 30 werden geschlossen. Während dieses Vorgangs wird das Metallpulver im Raum 32 unter hohem Druck verpresst.
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Die 2 und 3 zeigen lediglich einen schematischen Aufbau der Werkzeugformhälften 28, 30. Üblicherweise besteht jede der Werkzeugformhälften aus mehreren zueinander verschieblichen Ober- und Unterstempeln, damit entsprechende Pulversäulen relativ zueinander sowie miteinander in axialer Richtung verschoben werden können, um eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers in der Werkzeugform zu erreichen. Die Füllung des Raums 32 lässt sich beispielsweise auch erreichen, indem das Pulver in mehreren Füllschritten eingebracht wird, zwischen denen die Stempel verfahren werden.
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Die verwendeten Pulver sollten möglichst spratzig sein, damit eine ausreichend hohe Grünlingsfestigkeit erreichbar ist.
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Der so entstandene Schiebemuffen-Pressling 10 wird nach dem Auseinanderfahren der beiden Formhälften 28, 30 aus der Werkzeugform 26 entnommen.
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Anschließend wird der Schiebemuffen-Pressling 10 bei hohen Temperaturen gesintert und auf seine endgültige Festigkeit gebracht.
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In einer zweiten Ausführungsform sind die Strukturelemente 134a, 134b, 134c anstatt als Schieber wie im Beispiel der 2 als Einlegeteile ausgebildet (siehe 3).
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Die Einlegeteile definieren die Hinterschnitte im Schiebemuffen-Pressling 10 und sind starre, von den Formhälften 28, 30 separate Bauteile, deren Formstabilität hoch genug ist, um den Druck beim Pressvorgang ohne nennenswerte Verformung zu überstehen.
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Die Einlegeteile werden vor dem Einbringen des Metallpulvers an der Innenwand der Formhälften 28, 30 an den passenden Stellen fixiert. Die Fixierung kann beispielsweise durch das Vorsehen eines Vorsprungs 136 am Einlegeteil und einer passenden, in Verfahrrichtung V verlaufenden Nut an der Innenseite der jeweiligen Formhälfte 28, 30 erfolgen. Ein in der Verfahrrichtung V wirkender Anschlag 138 sorgt hier dafür, dass die Einlegeteile während des Zufahrens der Formhälften und des Pressvorgangs ihre Position beibehalten.
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Die Nut ist zur zweiten Formhälfte 30, 28 hin offen, sodass beim Öffnen der Werkzeugform 26 die Einlegeteile am Schiebemuffen-Pressling 10 hängenbleiben und sich entlang der Verfahrrichtung V aus den Formhälften 28, 30 mit geringem Kraftaufwand lösen lassen.
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In 3 ist eine Variante gezeigt, bei der sämtliche Hinterschnitte des Schiebemuffen-Presslings 10 durch Einlegeteile realisiert werden.
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Die Umfangsnut 16 wird durch Strukturelemente 134a hergestellt, die an der radialen Außenseite der Innenwand der Formhälften 28, 30 angeordnet sind.
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Die Hinterlegungen 22 werden hier durch Strukturelemente 134b an einer radialen Innenwand der Formhälften 28, 30 im Bereich der in den Formhälften 28, 30 vorgesehenen Struktur zum Erzeugen der Innenverzahnung 18 geschaffen (dargestellt im oberen Teil der Figur).
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Außerdem werden die Rastiernuten 24 durch Strukturelemente 134c im Bereich der Innenverzahnung 18 gebildet, was hier an der in 3 unteren Hälfte der Formhälften 28, 30 dargestellt ist.
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Die Strukturelemente 134a, 134b und 134c sind jeweils gemäß den von ihnen zu erzeugenden Strukturen geformt und angeordnet.
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Nach dem Pressvorgang werden die Formhälften 28, 30 auseinandergefahren, und die Strukturelemente 134a–c bleiben am Schiebemuffen-Pressling 10 hängen und werden mit diesem entformt.
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Anschließend werden die Strukturelemente 134a–c in Radialrichtung auch vom Schiebemuffen-Pressling 10 entfernt. Sie können für den nächsten Pressvorgang wiederverwendet werden.
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In einer dritten Ausführungsform sind die Strukturelemente 134a–c ebenfalls als Einleger ausgebildet, jedoch als sogenannte verlorene Formen. Sie sind aus einem beim Pressvorgang formstabilen Material gebildet, das jedoch bei den beim späteren Sinterschritt herrschenden Temperaturen zerfällt, sich verflüssigt oder chemisch zersetzt. Hierzu sind beispielsweise Einleger aus Wachs, Kunststoff, oder ähnlichem verwendbar. Die Formen entsprechen z.B. denen, die in 3 gezeigt sind, so dass 3 gleichzeitig zwei Ausführungsformen darstellt.
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Wie bei der gerade beschriebenen Ausführungsform werden die Einleger vor dem Einfüllen des Metallpulvers in den Formhälften 28, 30 fixiert und nach dem Verpressen zusammen mit dem Schiebemuffen-Pressling 10 aus den Formhälften 28, 30 entformt.
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Allerdings verbleiben die Einleger in dieser Variante am Schiebemuffen-Pressling 10 und werden zusammen mit diesem dem Sinterprozess unterzogen, wobei die Einleger zerstört werden.
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Es ist natürlich möglich und kann aus geometrischen Gründen auch vorteilhaft sein, die unterschiedlichen beschriebenen Verfahren miteinander zu kombinieren und beispielsweise zur Herstellung der Umfangsnut 16 radial verschiebliche Schieber einzusetzen, während für die Hinterschnitte an der Innenverzahnung 18 wiederverwendbare oder beim Sintern zerstörbare Einleger verwendet werden.
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Werden sämtliche Hinterschnitte am Schiebemuffen-Pressling 10 bereits während des Pressens erzeugt, kann eventuell auf eine weitere mechanische Nachbearbeitung fast oder sogar vollständig verzichtet werden. Gegebenenfalls kann eine mechanische Nachbearbeitung auf die Angriffsflächen einer Schaltgabel im Bereich der Umfangsnut 16 beschränkt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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