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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfestigen zumindest eines Teilbereichs eines Werkstücks, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zum Verfestigen zumindest eines Teilbereichs eines Werkstücks ist beispielsweise bereits der
DE 10 2005 027 144 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird der Teilbereich verfestigt. Ferner wird in dem Teilbereich eine Verzahnung hergestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass zunächst die Verzahnung hergestellt wird, woraufhin die Verzahnung verfestigt wird. Dieses Verfestigen der in dem Teilbereich bereits hergestellten Verzahnung erfolgt in der
DE 10 2005 027 144 A1 mithilfe von Walzwerkzeugen, mittels welchen in dem Teilbereich eine Materialverdichtung bewirkt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich eine besonders vorteilhafte Verfestigung des Teilbereichs realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welchem eine besonders vorteilhafte Verfestigung des Teilbereichs realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Teilbereich zeitlich vor dem Herstellen der Verzahnung verfestigt wird, indem wenigstens ein Werkzeug in Kontakt mit dem Teilbereich gebracht und unter Erwärmen des Teilbereichs und Verrühren des erwärmten Teilbereichs relativ zu dem Werkstück in dem Teilbereich bewegt wird, während sich das Werkzeug in Kontakt mit dem Werkstück befindet. Das Werkzeug ist somit ein Rührwerkzeug, mittels welchem ein Materialvolumen des Werkstücks in dem Teilbereich erwärmt und verrührt wird. Der Teilbereich ist beispielsweise ein Bereich oder eine Zone, in dem beziehungsweise der beispielsweise bei einem späteren Betrieb einer Komponente, welche ein Bauteil umfasst, das aus dem Werkstück hergestellt ist, hohe Belastungen wirken. Die genannte Zone wird daher auch als kritische oder gefährdete Zone bezeichnet. Damit die Zone und somit das aus dem Werkstück hergestellte Bauteil insgesamt diese hohen Belastungen schadfrei ertragen können, wird das Werkstück mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verfestigt. Hierzu fährt das Werkzeug beispielsweise auf einer Bahn innerhalb der gefährdeten Zone und verrührt das teigig erwärmte Materialvolumen.
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Vorteilhafterweise wird zum Erwärmen und Verrühren des Teilbereichs das Werkzeug rotatorisch und translatorisch relativ zum Werkstück in dem Teilbereich bewegt. Das Erwärmen des Teilbereichs beziehungsweise des Materials des Werkstücks erfolgt insbesondere durch eine Rotationsbewegung des Werkzeugs relativ zum Werkstück. Infolge des Erwärmens, das durch rotatorische Bewegung des Werkzeugs relativ zum Werkstück bewirkt wird, kann das Werkzeug in den Teilbereich beziehungsweise das Material des Werkstücks eintauchen. Um schließlich den Teilbereich beziehungsweise das Material in dem Teilbereich zu verrühren, wird das Werkzeug nicht nur rotatorisch, sondern auch translatorisch relativ zum Werkstück entlang wenigstens einer vorgebbaren Bahn bewegt, wodurch der Teilbereich verrührt wird.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Teilbereich nach dem Verrühren und vor dem Herstellen der Verzahnung eingeebnet wird. Dabei kann der verrührte Teilbereich mittels des Werkzeugs eingeebnet werden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Verzahnung nach dem Verrühren durch spanende Bearbeitung des Werkstücks in dem Teilbereich hergestellt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verzahnung als Kronenverzahnung hergestellt wird.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein eine von einer kreisrunden Form abweichende Form aufweisender Querschnitt des Werkzeugs zum Erwärmen und Verrühren verwendet wird. Mit anderen Worten ist wenigstens eine Querschnittsform des Werkzeugs beispielsweise unrund beziehungsweise nicht-zylindrisch ausgeführt, wodurch diese Querschnittsform zum Pulsieren und Ansteigen der Temperatur des Materials beiträgt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Idee zugrunde, dass durch das Erwärmen und Verrühren des Teilbereichs gegebenenfalls vorhandene Fehlstellen, wie beispielsweise Poren oder Blasen, geschlossen werden. Somit tritt in dem Teilbereich eine Materialverdichtung ein. Zusätzlich verfestigt das Material beziehungsweise der Werkstoff des Werkstücks in dem Teilbereich durch das Erwärmen und Wiederabkühlen und es ergibt sich eine Kornfeinung, woraufhin die Verzahnung beispielsweise an einem auf die geschilderte Weise verfestigten Bund des Werkstücks insbesondere durch Zerspanung hergestellt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit besonders gut zum Herstellen eines Planetenträgers für ein Getriebe eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, wobei der Planetenträger aus dem Werkstück hergestellt wird.
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Im Rahmen des Verfahrens ist es möglich, eine gezielte, örtlich begrenzte Festigkeitssteigerung zu realisieren, so dass beispielsweise das aus dem Werkstück hergestellte Bauteil eine besonders hohe Flächenpressung im Teilbereich beziehungsweise an der Verzahnung zumindest im Wesentlichen schadfrei ertragen kann. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass die Werkstoffverfestigung bereits vor dem Herstellen der Verzahnung und somit an dem als Rohteil ausgebildeten Werkstück erfolgt, so dass ein Wärmeverzug am Fertigteil verhindert werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine besonders hohe Festigkeit des Werkstücks und somit des späteren Bauteils realisiert werden, ohne dass hierzu kosten- und gewichtsintensive, zusätzliche Verstärkungselemente wie beispielsweise Einlegeteile erforderlich sind. Dadurch ist eine einteilige, bauraumneutrale Ausführung des Werkstücks realisierbar. Ferner kann das Werkstück beziehungsweise das aus dem Werkstück herzustellende Bauteil als Leichtbau-Komponente mit einer sehr hohen Funktionssicherheit ausgebildet werden, da das fertige Bauteil zumindest in dem Teilbereich eine sehr hohe Festigkeit aufweist.
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Weiterhin eignet sich das Verfahren auch zur Fügestellenvorbereitung, so dass es möglich wird, im Bereich der erfindungsgemäß behandelten partiellen Bauteilregion des Druckgussteiles bisher für drehmomentübertragende Bauteile ausgeschlossene thermische Schweißverfahren auszuführen. Dadurch ist es möglich, das Druckgussteil dort zum Beispiel mit einem Stahl-Blechteil durch Reibschweißen zu verbinden, oder aber auch beispielhaft durch Laser- oder MIG-Schweißen mit einem anderen so behandelten Druckgussteil oder einem Blechteil.
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Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders kostengünstig durchführbar, da es mithilfe von einfachen Bearbeitungsmaschinen und/oder Robotern durchgeführt werden kann. Zum Durchführen des Verfahrens sind beispielsweise zwei Drehachsen und eine Zustellachse vorgesehen.
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Das Verfahren eignet sich besonders gut für porenbehaftete Werkstücke beziehungsweise Rohteile, wie beispielsweise Gussteile, insbesondere Druckgussteile. Dies bedeutet, dass das Werkstück beispielsweise als Gussteil, insbesondere Druckgussteil, ausgebildet ist. Alternativ ist es denkbar, dass das Werkstück als Sinterteil oder sprühkompaktiertes Teil ausgebildet ist. Diesbezüglicher Hintergrund ist, dass Gussteile beziehungsweise Druckgussteile oder anderweitige, porenbehaftete Rohteile wie Sinterteile und sprühkompaktierte Teile in Getrieben, insbesondere Automatikgetrieben, zur Anwendung kommen, um tragende Funktionen zu übernehmen. Hierbei ist das genannte, aus dem Werkstück hergestellte Bauteil beispielsweise ein Gehäuse, an welchem Getriebeelemente, wie beispielsweise Zahnräder oder Planetenträger des Getriebes, aufgenommen sind. Ferner kommen porenbehaftete Teile, insbesondere Druckgussteile, zum Einsatz, um Drehmomente zu übertragen. Hierbei handelt es sich beispielsweise bei dem aus dem Werkstück hergestellten Bauteil um ein Zahnrad oder einen Planetenträger, welcher beispielsweise die zuvor beschriebene Verzahnung aufweist. Dies bedeutet, dass aus dem Werkstück beispielsweise ein Planetenträger hergestellt wird, welcher die Verzahnung aufweist. Bei einer solchen Drehmomentübertragung erfolgt beispielsweise eine Drehmomentein- und/oder Drehmomentableitung wie bei Steckverzahnungen oder Kronenverzahnungen. Insbesondere Kronenverzahnungen sind oft mit sehr hohen Flächenpressungen belastet. Tritt dann zusätzlich an einzelnen Zähnen der Verzahnung ein Gussfehler, wie beispielsweise Lunker, Poren, Blasen oder dergleichen auf, kann es zu einem unerwünschten, vorzeitigen Bauteilversagen kommen.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses Problem gelöst werden, da eine gezielte und signifikante Festigkeitssteigerung in dem Teilbereich, in welchem die Verzahnung beispielsweise als Kronenverzahnung hergestellt wird, bauraumneutral realisierbar ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Werkstücks, aus welchem ein Bauteil in Form eines Planetenträgers mit einer Verzahnung hergestellt wird, wobei die Verzahnung in einem Teilbereich hergestellt wird, welcher vor dem Herstellen der Verzahnung verfestigt wird, indem wenigstens ein Werkzeug in Kontakt mit dem Teilbereich gebracht und unter Erwärmen des Teilbereichs und Verrühren des erwärmten Teilbereichs relativ zu dem Werkstück in dem Teilbereich bewegt wird, während sich das Werkzeug in Kontakt mit dem Werkstück befindet; und
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2 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht des Werkstücks gemäß 1.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Werkstück 10, welches auch als Rohteil bezeichnet wird. Das Werkstück 10 ist beispielsweise als Gussteil, insbesondere Druckgussteil, ausgebildet und ist demzufolge beispielsweise durch ein Gießverfahren, insbesondere Druckgussverfahren, hergestellt. Im Rahmen des Gießverfahrens kann es zu Gießfehlern kommen, so dass das Werkstück 10 beispielsweise unerwünschterweise Poren aufweist. Alternativ ist es denkbar, dass das Werkstück 10 als porenbehaftetes Sinterteil oder sprühkompaktiertes Teil ausgebildet ist.
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Aus dem Werkstück 10 wird ein Getriebeelement in Form eines Planetenträgers mit einer als Kronenverzahnung ausgebildeten Verzahnung hergestellt. Im fertig hergestellten Zustand des Planetenträgers werden an diesem Planetenräder drehbar gelagert. Ferner dient die Kronenverzahnung zur Übertragung von Drehmomenten. An der Kronenverzahnung kann es zu sehr hohen Belastungen, das heißt zu sehr hohen Flächenpressungen, kommen, wobei es wünschenswert ist, dass der Planetenträger diese hohen Flächenpressungen schadfrei erträgt.
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Um das Werkstück 10 für diese hohen Flächenpressungen zu ertüchtigen, ohne hierfür kosten- und gewichtsintensive, zusätzliche Verstärkungselemente wie Einlegeteile verwenden oder das Werkstück 10 aus einem besonders kostenintensiven Werkstoff beziehungsweise Material herstellen zu müssen, wird das Werkstück einem Verfahren zum Verfestigen zumindest eines Teilbereichs 12 (2) des Werkstücks 10 unterzogen, bei welchem der Teilbereich 12 verfestigt wird. Ferner wird die Kronenverzahnung in dem Teilbereich 12 hergestellt.
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Um nun eine besonders hohe Festigkeit des Teilbereichs 12 zu realisieren, wird der Teilbereich 12 vor dem Herstellen der Kronenverzahnung verfestigt, in dem ein Werkzeug 14 in Form eines Rührwerkzeugs in Kontakt mit dem Teilbereich 12 gebracht und unter Erwärmen des Teilbereichs und Verrühren des erwärmten Teilbereichs relativ zu dem Werkstück 10 in dem Teilbereich bewegt wird, während sich das Werkzeug 14 in Kontakt mit dem Werkstück 10 befindet.
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Aus 1 ist erkennbar, dass eine Rotationsbewegung des Werkzeugs 14 relativ zum Werkstück 10 bewirkt wird, indem das Werkzeug 14 um eine Drehachse 16 gedreht wird. Dabei ist durch einen Richtungspfeil 18 eine Drehrichtung veranschaulicht, in die das Werkzeug 14 relativ zum Werkstück 10 gedreht wird. Ein Richtungspfeil 20 veranschaulicht in 1, dass das drehende Werkzeug 14 in Kontakt mit dem Teilbereich 12 bewegt und gehalten wird. Durch die Rotationsbewegung des Werkzeugs 14 relativ zum Werkstück 10 wird der Teilbereich 12 erwärmt. Darunter ist zu verstehen, dass das Material beziehungsweise der Werkstoff des Werkstücks 10 in dem Teilbereich 12 beziehungsweise zunächst in einem Teil des Teilbereichs 12 erwärmt wird. Durch dieses Erwärmen des Werkstoffs kann das Werkzeug 14, insbesondere eine Spitze 22 des Werkzeugs 14, in den Teilbereich 12 beziehungsweise den erwärmten Werkstoff eingetaucht werden. Dann wird das sich drehende Werkzeug 14 – während es in das Werkstück 10 eingetaucht ist und somit in Kontakt mit dem Werkstück gehalten wird – entlang wenigstens einer vorgebbaren Bahn 23 (2) translatorisch relativ zum Werkstück 10 in dem Teilbereich 12 bewegt, was in 1 und 2 durch einen Richtungspfeil 24 veranschaulicht ist.
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Aus 1 ist besonders gut erkennbar, dass der Teilbereich 12 durch einen Bund 26 des Werkstücks 10 gebildet wird. Dies bedeutet, dass mittels des Werkzeugs 14 zumindest ein Teil des Bunds 26 verfestigt wird. Nach dem Verrühren und vor dem Herstellen der Kronenverzahnung wird der Teilbereich 12 mittels des Werkzeugs 14 eingeebnet. Ferner wird nach dem Verrühren und Einebnen ein Verfestigen des verrührten und eingeebneten Teilbereichs 12 zugelassen, bevor die Kronenverzahnung am Bund 26 beziehungsweise am Teilbereich 12 hergestellt wird. Um schließlich den Planetenträger herzustellen, wird am so verfestigten Bund 26 des vorzugsweise als Druckgussteil ausgebildeten Werkstücks 10 die Kronenverzahnung durch Zerspanung gefertigt.
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Durch das Verrühren des Teilbereichs 12 werden gegebenenfalls vorhandene Fehlstellen wie Lunker, Poren oder Blasen verschlossen. Mit anderen Worten können durch das Erwärmen Gussfehler beseitigt werden. Dabei tritt eine Materialverdichtung im Teilbereich 12 ein. Zusätzlich verfestigt der Werkstoff im auf die geschilderte Weise behandelten Teilbereich 12 durch das Erwärmen und Wiederabkühlen.
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In 2 sind Zähne 28 der Kronenverzahnung veranschaulicht, wobei die Zähne 28 auch als Pins bezeichnet werden. Die Zähne 28 werden unter Herstellen der Kronenverzahnung insbesondere durch spanendes Bearbeiten des Werkstücks 10 hergestellt, nachdem der zunächst erwärmtee und verrührte und eingeebnete Teilbereich 12 wieder verfestigt ist.
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Im fertig hergestellten Zustand weist der Planetenträger im Teilbereich 12, das heißt an seiner Kronenverzahnung, eine besonders hohe Festigkeit auf, so dass der Planetenträger an seiner Kronenverzahnung auch besonders hohe Flächenpressungen schadfrei ertragen kann. In der Folge ist es beispielsweise möglich, besonders hohe Drehmomente über die Kronenverzahnung, das heißt im Teilbereich 12, zu übertragen. Gleichzeitig ist es möglich, das Gewicht des Planetenträgers gering zu halten, da der Werkstoff des Werkstücks 10 beispielsweise ein Leichtmetall beziehungsweise eine Leichtmetalllegierung, insbesondere Aluminium beziehungsweise eine Aluminiumlegierung, ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005027144 A1 [0002, 0002]
