DE102014220866B3

DE102014220866B3 - Verfahren zum Herstellen von Funktionsflächen, insbesondere Verzahnungen, und nach diesem Verfahren hergestellte Funktionsflächen

Info

Publication number: DE102014220866B3
Application number: DE102014220866.1A
Authority: DE
Inventors: Johann Lutz; Michael Fichtinger
Original assignee: Atlanta Antriebssysteme e Seidenspinner GmbH and Co KG
Current assignee: Atlanta Antriebssysteme De GmbH
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-03-17
Anticipated expiration: 2034-10-16

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dessen Hilfe Funktionsflächen kostengünstig und trotzdem mit sehr guten Gebrauchseigenschaften hergestellt werden können. Das Verfahren sieht vor, die Funktionsfläche durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide herzustellen und anschließend diese Funktionsfläche chemisch zu entgraten. In einem dritten erfindungsgemäßen Schritt wird die gewünschte Härte durch Nitrieren hergestellt.

Description

Als Funktionsflächen im Sinne der beanspruchten Erfindung werden nachfolgend die Flächen eines Bauteils bezeichnet, die während des Betriebs in Kontakt mit einer Gegenfläche stehen, wobei die Funktionsfläche und die Gegenfläche sich relativ zueinander bewegen.
Beispiele für solche Funktionsflächen sind die Zahnflanken einer Verzahnung. Die Gegenflächen sind in diesem Fall die Zahnflanken des mit der Verzahnung kämmenden Zahnrads oder Zahnstange.
Ein weiteres Beispiel ist die Lauffläche einer Welle, die mit einem Wellendichtring zusammenwirkt. In diesem Fall ist die Dichtlippe des Wellendichtrings die Gegenfläche.
Als drittes Beispiel dieser nicht abschließenden Aufzählung sei die (Linear-)Führung einer Maschine genannt. Sowohl bei Gleitführungen als auch bei Wälzführungen werden Funktionsflächen benötigt, die hinsichtlich Geometrie und Oberfläche hohen Anforderungen entsprechen.
Funktionsflächen im Sinne der beanspruchten Erfindung werden in der Regel aus härtbaren Fe-Werkstoffen hergestellt, die zunächst durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide (zumeist Drehen oder Fräsen) bearbeitet und anschließend gehärtet werden. Anschließend wird der durch das Härten entstandene Verzug durch Schleifen, Superfinishen und/oder Läppen egalisiert und gleichzeitig die gewünschte Oberflächenrauigkeit der Funktionsflächen hergestellt.
Im Folgenden werden exemplarisch und nicht darauf beschränkt anhand einer Verzahnung die Probleme des Standes der Technik bei der Herstellung von Funktionsflächen erläutert.
Das Herstellen von Verzahnungen ist, vor allem wenn es sich um genaue und sehr belastbare Verzahnungen handelt, relativ teuer und erfordert viele Herstellungsschritte: In einen Rohling oder Halbzeug aus Stahl wird durch spanende Bearbeitung eine Verzahnung eingebracht. Diese Verzahnung kann zu einer Zahnstange, einem Kegelrad, einem Schneckenrad, eine Schnecke oder einem Stirnrad mit Außen- oder Innenverzahnung gehören. Nachdem auf diese Weise die gewünschte Zahnform der Verzahnung hergestellt wurde, wird das Werkstück üblicherweise gehärtet. Dabei verzieht sich das Werkstück, so dass es anschließend geschliffen und/oder geläppt werden muss, um die erforderliche Genauigkeit der Zahnflanken (= Funktionsfläche im Sinne der Erfindung) bzw. der Verzahnung zu erreichen. Außerdem sorgen das Schleifen und das Läppen für eine glatte Oberfläche der Verzahnung, was sich positiv auf Geräuschentwicklung, Wirkungsgrad und Lebensdauer auswirkt. Mit dieser Prozesskette lassen sich qualitativ sehr hochwertige Verzahnungen herstellen. Allerdings verursacht diese Prozesskette sehr hohe Herstellungskosten.
Aus der DE 10 2009 028 097 A1 und der DE 199 11 381 A1 sind Verfahren zum chemischen Entgraten bekannt.
Die DE 101 47 205 C1 beschreibt ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus temperaturbeständigen Stelen, dass in einem ersten Schritt das Härten der Werkstücke umfasst und in einem nachfolgenden Schritt das Nitrieren der Werkstücke umfasst. Durch das Härten verziehen sich die Werkstücke und müssen anschließend durch einen weiteren Bearbeitungsschritt, beispielsweise Schleifen, Superfinishen oder Läppen, endbearbeitet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Funktionsflächen bereit zu stellen, die hinsichtlich geometrischer Genauigkeit, Oberflächengüte und Belastbarkeit mit einer nach dem Stand der Technik hergestellten Funktionsfläche vergleichbar sind, wobei die Funktionsflächen nach dem erfindungsgemäßen rationeller, kostengünstiger und schneller herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem ersten Verfahrensschritt die gewünschte Funktionsfläche in einen Rohling oder ein Halbzeug durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, in der Regel Drehen oder Fräsen, eingebracht wird. Dabei wird die endgültige Geometrie der Funktionsfläche hergestellt.
Um die Oberfläche dieser durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide hergestellten Verzahnungen zu verbessern, ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, die Funktionsfläche chemisch zu entgraten. Dieses chemische Entgraten wird zum Beispiel unter dem Handelsnamen ”Cullygrat” angeboten.
Die beanspruchte Erfindung macht sich einen Effekt des chemischen Entgratens zunutze, der darin besteht, dass beim chemischen Entgraten bevorzugt die Spitzen der Rauigkeiten einer Werkstückoberfläche abgetragen werden. Dies bedeutet, dass durch das chemische Entgraten die Rauigkeit von beispielsweise 12 μm auf weniger als 2,5 μm reduziert wird. Diese Rauigkeit ist in sehr vielen Anwendungsfällen ausreichend für die Funktionsflächen.
Das chemische Entgraten ist ein sehr gut automatisierbarer und kostengünstiger Prozess, weil die zu entgratenden Werkstücke vollautomatisch durch eine Reihe von Bädern, die mit geeigneten Flüssigkeiten gefüllt sind, geschleust werden.
Anschließend werden die derart geglätteten Funktionsflächen erfindungsgemäß durch Nitrieren behandelt. Das Nitrieren führt zu einer sehr harten, verschleißfesten und verzugsarmen Oberfläche, die den an die Funktionsflächen im Betrieb gestellten Anforderungen auf Dauer gewachsen ist.
Bei einer Verzahnung sind dies hohe Flächenpressung und kleine Relativbewegungen zwischen den miteinander kämmenden Zahnflanken, ...).
Bei einer bewegten Dichtung mit einem Wellendichtring, muss die Lauffläche des Wellendichtrings (= Funktionsfläche) ausreichend verschleißbeständig und so glatt/spitzenfrei sein, dass der Verschleiß der Dichtlippe des Dichtrings minimiert wird.
Außerdem darf die Lauffläche keine Drehriefen mehr aufweisen, die wegen ihrer durch den Vorschub des Drehmeißels verursachten wendelartigen Geometrie dazu neigen eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Öl, an der Dichtlippe des Dichtrings vorbei zu fördern. Dieser Effekt ist unerwünscht und tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf.
Auch bei einer Gleit- oder Wälzführung soll die Führungsfläche möglichst glatt sein, um eine gute Führung mit hohem Traganteil und geringem Verschleiß zu gewährleisten.
Wenn die Funktionsfläche die Nocken einer Nockenwelle sind, können diese durch Unrunddrehen oder durch Fräsen herstellt werden, was eine erhebliche Einsparung an Bearbeitungszeit mit sich bringt.
Im Falle von pneumatischen oder hydraulischen Linear-Aktuatoren (umgangssprachlich auch als Arbeitszylinder bezeichnet) kann das superfinishen der Kolbenstange entfallen.
Weil beim Nitrieren das Werkstück, anders als beim Härten, nach der erfolgten Wärmebehandlung nicht abgeschreckt wird, wird das Gitter des Werkstücks nicht verspannt und es stellt sich ein sehr kleiner Verzug der Werkstücke ein. Dies bedeutet, dass die in ihrer Geometrie bereits durch das Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide fertiggestellten Funktionsflächen nach dem Nitrieren nicht mehr durch Schleifen, Honen und/oder Läppen (nach-)bearbeitet werden müssen.
Im Ergebnis steht dadurch eine sehr leistungsfähige Funktionsfläche zur Verfügung, die in nur drei sehr gut automatisierbaren, prozesssicheren und kostengünstigen Bearbeitungsschritten hergestellt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich, verglichen mit der konventionellen Herstellung von gehärteten und geschliffenen Funktionsflächen, erhebliche Kosten vermeiden, die Produktivität wird gesteigert und die Prozessdauer wird verkürzt.
Dies führt insgesamt zu erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen, ohne dass die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Funktionsflächen in ihren Gebrauchseigenschaften einer konventionell hergestellten Funktionsfläche nachsteht.
Es gibt verschiedene am Markt angebotene Verfahren zum chemischen Entgraten. Das unter dem Namen ”Cullygrat” angebotene Verfahren zum chemischen Entgraten hat sich im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als sehr gut geeignet erwiesen. Grundsätzlich sind alle chemischen Behandlungen geeignet, die die Rauigkeit der durch spanende Bearbeitung hergestellten Verzahnungen an der Oberfläche verringern. Dabei sind elektro-chemische Verfahren zumeist nicht ganz so gut geeignet, da die Abtragwirkung von der Stärke des elektrischen Feldes abhängt und die Feldstärke nicht überall gleich ist.
Beim Nitrieren können alle üblichen und dem einschlägigen Fachmann bekannten Nitrierverfahren, sei es im Salzbad, in einer Gas- oder Plasmaatmosphäre, eingesetzt werden. Es ist auch möglich, zusätzlich zu dem Stickstoff des Nitriervorgangs noch weitere Elemente, wie Kohlenstoff, Schwefel und/oder Sauerstoff in die Oberfläche der Verzahnung einzubringen. Dadurch können die Eigenschaften der Funktionsfläche (Härte, Verschleißfestigkeit, Reibungskoeffizient) den Anforderungen des Anwendungsfalls entsprechend angepasst werden.
Das Herstellen der Verzahnung mit geometrisch bestimmter Schneide kann durch Wälzfräsen, Formfräsen oder Wälzstoßen oder andere spanabhebende Bearbeitungen erfolgen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Zahnräder (Stirnräder, Kegelräder, Schneckenräder, Schnecken und/oder Zahnstangen) herstellen.
Es können aber auch Wellen mit Laufflächen für einen Wellendichtring, Gleit- oder Wälzführungen oder Nockenwellen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
In der einzigen Figur wird ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
In einem ersten Schritt 101 wird aus einem Rohling, der aus einem Fe-Werkstoff besteht, eine Funktionsfläche durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide hergestellt. Alle anderen Bearbeitungen, wie zum Beispiel das Einbringen einer oder mehrerer Befestigungsbohrung, das Schneiden von Gewinden oder andere Funktionsflächen werden auch in diesem Stadium der Bearbeitung in das Werkstück vorgenommen.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt 103 das hinsichtlich seiner Funktionsflächen in seiner Geometrie vollständig fertig bearbeitete Werkstück chemisch entgratet. Dieses Entgraten führt dazu, dass die eventuell durch die spanende Bearbeitung vorhandenen Grate entfernt werden. Als erfindungsgemäßer ”Zusatzeffekt” werden durch das chemische Entgraten auch die Oberflächen, insbesondere der Funktionsflächen (Verzahnung, Laufläche einer Dichtung, Linearführung, Nocken einer Nockenwelle, ...) geglättet.
Es hat sich bei Versuchen herausgestellt, dass sich durch das chemische Entgraten die Rauigkeit auf weniger als 25% des durch die spanende Bearbeitung erzielten Rauigkeitswerts reduzieren lässt. Diese durch das chemische Entgraten reduzierten Rauigkeitswerte sind meist ausreichend.
Anschließend wird die Funktionsfläche in einem dritten Verfahrensschritt 105 durch Nitrieren in ihrer Oberflächenhärte auf die gewünschten Werte gebracht.
Das Nitrieren des Werkstücks verursacht – anders als das Härten – keinen oder nur einen sehr geringen Verzug.
Weil die Rauigkeit der Funktionsfläche durch das chemische Entgraten klein genug ist und das Nitrieren wenn überhaupt nur einen sehr geringen Verzug verursacht, muss das Werkstück nach dem Nitrieren nicht mehr geschliffen oder geläppt werden. Am Ende des erfindungsgemäßen dreistufigen Herstellungsverfahrens steht zum Beispiel eine Verzahnung zur Verfügung, die hinsichtlich Belastbarkeit, Lebensdauer und Wirkungsgrad einer konventionellen Verzahnung mit gehärteten Zähnen, die nach dem Härten geschliffen und/oder geläppt wurden, in nichts nachsteht. Entsprechendes gilt für die anderen Funktionsflächen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Funktionsflächen umfassend folgende Arbeitsschritte: Herstellen einer Funktionsfläche (101) durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, chemisches Entgraten der Funktionsfläche (103) und Nitrieren der Funktionsfläche (105).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfläche mit Hilfe einer chemischen Entgratung namens ”Cullygrat” behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfläche im Salzbad oder in einer Gas- oder Plasmaatmosphäre nitriert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche der Funktionsfläche zusätzlich zu dem Stickstoff des Nitriervorgangs noch weitere Elemente, wie Kohlenstoff (Carbonitieren), Schwefel (Sulfonitrieren) und/oder Sauerstoff (Oxinitrieren, Sulfonitrocarburieren) in die Oberfläche der Funktionsfläche eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfläche durch Fräsen, insbesondere Wälzfräsen, Formfräsen oder Wälzstoßen, und/oder Drehen hergestellt wird.
Bauteil mit mindestens einer Funktionsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem der vorhergehenden Verfahren hergestellt ist.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Verzahnung, wie zum Beispiel ein Zahnrad, Schneckenrad, Kegelrad, Schnecke oder eine Zahnstange, umfasst.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfläche eine Lauffläche ist, die mit einem (Wellen-)Dichtring zusammenwirkt.
Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Welle oder eine Achse ist.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfläche Teil einer Gleit- oder Wälzführung ist.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Nockenwelle ist, und dass die Funktionsflächen die Nocken der Nockenwelle sind.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es ein pneumatischer oder hydraulischer Aktuator ist, und dass die Funktionsfläche die zylindrische Mantelfläche eines Arbeitskolbens des Aktuators ist.