DE102015111137B4

DE102015111137B4 - Verfahren zur Herstellung eines Rings mit einer Verzahnung

Info

Publication number: DE102015111137B4
Application number: DE102015111137.3A
Authority: DE
Inventors: Uwe Maschelski; Jan Golz
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Rothe Erde Germany GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Rothe Erde Germany GmbH
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: CN107848011B; WO2017005740A1; CN107848011A; US20180214930A1; US10493517B2; DE102015111137A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Rings mit einer Verzahnung, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:(a) Ringwalzen (5) eines Vorrings (103) zur Bildung eines Ringrohlings (104),(b) Einbringen einer Vorverzahnung (6) in den Ringrohling (104) zur Bildung eines vorverzahnten Rings (105), wobei die Vorverzahnung Zähne mit einer ersten Zahnhöhe aufweist,(c) Vergüten (7) des vorverzahnten Rings (105) zur Bildung eines vergüteten vorverzahnten Rings (106) und(d) Fertigverzahnen (8) des vergüteten vorverzahnten Rings (106) zur Bildung eines Rings mit einer Verzahnung, wobei die Verzahnung Zähne mit einer zweiten Zahnhöhe aufweist, die größer ist als die erste Zahnhöhe, wobei die erste Zahnhöhe 50% bis 95% der zweiten Zahnhöhe beträgt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rings mit einer Verzahnung.
Derartige Ringe mit einer Verzahnung werden beispielsweise als Bauteile von Großgetrieben und Großwälzlagern für Krane, Tunnelvortriebsmaschinen oder Windkraftanlagen eingesetzt.
Bei der Herstellung solcher Ringe wird üblicherweise zunächst ein nahtlos gewalzter Ringrohling mittels eines Ringwalzverfahrens gebildet. Der Ringrohling wird im ganzen Stück vergütet, um die Festigkeitseigenschaften des Materials zu verbessern. Nach dem Vergüten erfolgt dann in der Regel das Einbringen der Verzahnung mittels spanender Fertigungsverfahren.
Dieses Verfahren zur Herstellung von Ringen mit einer Verzahnung hat sich durchaus bewährt. Allerdings hat sich herausgestellt, dass es bei der Herstellung von Ringen mit einer Verzahnung, die Zähne mit einer erheblichen Zahnhöhe aufweist, zu größeren Abweichungen der mechanischen Eigenschaften im Bereich des Zahnfußes gegenüber dem Zahnkopf kommen kann. Insofern kann insbesondere die Festigkeit im Bereich des Zahnfußes deutlich herabgesetzt sein.
Das deutsche Patent DE 44 36 803 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung der Innenverzahnung an Planetwalzenextrudern.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2008 010 302 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Prototypen- und Kleinserienfertigung von Zahnrädern mit einer Abrichtscheibe sowie ein verfahren unter Verwendung einer derartigen Abrichtscheibe.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2008 005 696 A1 beschreibt eine Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung mit verbesserter Belastbarkeit.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Festigkeit im Bereich des Zahnfußes zu erhöhen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass vor dem Vergüten eine Vorverzahnung in den Ringrohling eingebracht wird, welche eine gegenüber einer Soll-Zahnhöhe des zu fertigenden Rings reduzierte erste Zahnhöhe aufweist. Hierdurch liegt der Bereich, der im fertigen Ring den Zahnfuß bildet, in einem geringeren Abstand zur Oberfläche als dies ohne eine Vorverzahnung der Fall wäre. Durch den reduzierten Abstand zur Oberfläche ergibt sich eine erhöhte Vergütewirkung im Bereich des Zahnfußes. Ferner wird die Oberfläche infolge des Einbringens der Vorverzahnung insgesamt vergrößert, so dass beim Vergüten eine größere Wärmeaustauschfläche bereitgestellt wird. Durch diese beiden Effekte kommt es zu einer deutlichen Verbesserung der Festigkeit im Bereich des Zahnfußes. Erfindungsgemäß beträgt die erste Zahnhöhe 50% bis 95% der zweiten Zahnhöhe.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Einbringen der Vorverzahnung, also das Vorverzahnen, und/oder das Fertigverzahnen mittels eines spanenden Fertigungsverfahrens erfolgt. Beispielsweise kann zum Vorverzahnen oder zum Fertigverzahnen ein Fräsverfahren Anwendung finden.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Fertigung von Ringen mit einer beliebigen Zahnhöhe anwendbar. Als vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, wenn die zweite Zahnhöhe im Bereich von 50 mm bis 125 mm liegt. Bevorzugt liegt die zweite Zahnhöhe im Bereich von 55 mm bis 110 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 65 mm bis 100 mm. Bei einer Zahnhöhe in einem dieser Bereiche ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine homogenisierte Verteilung der Festigkeitswerte im Bereich vom Kopf der Zähne bis zum Zahnfuß.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die erste Zahnhöhe 70% bis 90%, besonders bevorzugt 75% bis 85%, der zweiten Zahnhöhe beträgt. Bei einer derartigen Wahl der durch das Vorverzahnen erzeugten Zahnhöhe ergibt sich bei dem auf das Vorverzahnen folgenden Vergüten eine gesteigerte Vergütewirkung im Bereich des Zahnfußes.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der vorverzahnte Ring beim Vergüten als Ganzes erwärmt wird, so dass - anders als etwa beim Induktionshärten - eine Erwärmung des gesamten Materials des vorverzahnten Rings erfolgt. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass sich die Wärmeeinwirkung auf einen möglichst großen Teil des vorverzahnten Rings auswirkt. Insofern kann auch die Vergütewirkung in einem möglichst großen Teil des Materials eintreten. Das Erwärmen des vorverzahnten Rings kann in einem Ofen, einer Durchlaufglühanlage oder einer Haubenglühanlage erfolgen. Bevorzugt wird der vorverzahnte Ring auf eine Temperatur erhitzt, die größer oder gleich 850°C, bevorzugt größer oder gleich 860°C, besonders bevorzugt größer oder gleich 870°C, ist.
In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der vorverzahnte Ring nach dem Erwärmen als Ganzes abgeschreckt wird, so dass der vorverzahnte Ring als Ganzes gehärtet wird. Das Abschrecken des vorverzahnten Rings als Ganzes kann beispielsweise durch Einbringen des vorverzahnten Rings in ein Abschreckbad, insbesondere aus Wasser, Öl oder einem polymeren Abschreckmittel erfolgen.
Bevorzugt wird der vorverzahnte Ring nach dem Abschrecken angelassen, insbesondere bei einer Temperatur größer gleich 550 °C, bevorzugt größer gleich 570 °C, insbesondere größer gleich 580 °C.
Die Verzahnung des Rings kann als am Außenumfang des Rings angeordnete Außenverzahnung oder als am Innenumfang des Rings angeordnete Innenverzahnung ausgebildet sein.
Bevorzugt ist die Verzahnung als Vollverzahnung ausgebildet, die sich über den gesamten Außenumfang des Rings und/oder den gesamten Innenumfang des Rings erstreckt. Insofern kann der Ring nach Art eines Zahnrads oder eines Zahnrings ausgebildet sein.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Verzahnung als teilweise umlaufende Teilverzahnung an dem Außenumfang des Rings und/oder als teilweise umlaufende Teilverzahnung an dem Innenumfang des Rings vorgesehen ist. Eine Teilverzahnung am Außenumfang erstreckt sich bevorzugt über einen ersten Winkelbereich des Außenumfangs, wobei ein zweiter Winkelbereich des Außenumfangs vorgesehen ist, der ohne Verzahnung ausgebildet ist. Eine Teilverzahnung am Innenumfang erstreckt sich bevorzugt über einen ersten Winkelbereich des Innenumfangs, wobei ein zweiter Winkelbereich des Innenumfangs vorgesehen ist, der ohne Verzahnung ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Ring einen Durchmesser im Bereich von 250 bis 8000 mm, bevorzugt im Bereich von 1800 mm bis 7000 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 2300 mm bis 6000 mm aufweist. Ringe mit derartigen Durchmessern können als Bauteile von Großgetrieben und Großwälzlagern für Krane, Tunnelvortriebsmaschinen oder Windkraftanlagen eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Ring mit einer Verzahnung nach dem Fertigverzahnen bereichsweise gehärtet, so dass die Festigkeit des Rings bereichsweise weiter erhöht wird. Das bereichsweise Härten kann beispielsweise mittels eines Induktionshärtungsverfahrens und optionalem nachfolgendem Abschrecken durch eine Brausevorrichtung erfolgen. Besonders bevorzugt wird der Ring in einem Bereich gehärtet, welcher die Verzahnung nicht umfasst. Beispielsweise kann eine der Verzahnung gegenüberliegende Seite des Rings gehärtet werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Verzahnung des Rings zumindest bereichsweise gehärtet wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Figurenliste

Die 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist schematisch der Ablauf eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für einen nahtlos gewalzten Ring mit einer Verzahnung dargestellt. Die Verzahnung kann als am Außenumfang des Rings vorgesehene Außenverzahnung oder als Innenverzahnung ausgebildet sein, die am Innenumfang des Rings ausgebildet ist. Es ist möglich, die Verzahnung als Vollverzahnung auszubilden, die um den gesamten Außenumfang und/oder Innenumfang des Rings umläuft oder als Teilverzahnung, welche sich lediglich über einen Teil des Außenumfangs und/oder des Innenumfangs erstreckt. Die nahtlos gewalzten Ringe weisen einen Durchmesser im Bereich von 250 bis 8000 mm, bevorzugt im Bereich von 1800 mm bis 7000 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 2300 mm bis 6000 mm auf. Ringe mit derartigen Durchmessern können als Bauteile von Großgetrieben und Großwälzlagern für Krane, Tunnelvortriebsmaschinen oder Windkraftanlagen verwendet werden.
Zunächst werden in einem Sägeschritt 1 aus einem stabförmigen Vormaterial 100, insbesondere einem stabförmigen Stahl, einzelne stabförmige Abschnitte 101 gesägt. Diese stabförmigen Abschnitte 101 werden in einem Erwärmungsschritt 2 erwärmt und in einem darauf folgenden Stauchungsschritt 3 durch Stauchen insbesondere mittels Freiform- oder Gelenkschmiedepressen oder -hämmern in eine scheibenförmige Form 102 geformt. Anschließend folgt ein Lochungsschritt 4, in welchem die scheibenförmigen Formen 102 in ihrer Mitte gelocht werden, um ein Ringinnenloch zu erzeugen. Die mit einem Ringinnenloch versehenen Formen stellen sogenannte Vorringe 103 dar.
Ausgehend von einem Vorring 103 erfolgt die Herstellung eines Ringrohlings 104 durch Ringwalzen 5. Hierzu kommen Ringwalzwerke nach Art eines Radial-Axial Ringwalzwerks zum Einsatz. Derartige Ringwalzwerke weisen typischerweise zwei Walzspalte auf, in denen die Höhe des Ringrohlings 104 und die Wandstärke des Ringrohlings 104 gleichzeitig reduziert werden. Das Herstellen eines Ringrohlings 104 durch Ringwalzen bietet den Vorteil, dass sich ein für gewalzte Ringe typischer tangentialer Faserverlauf ausbildet, der isotrope tangentiale mechanische Eigenschaften über den gesamten Ringumfang erzeugt.
Abweichend von der Darstellung in 1 kann der Ringrohling 104 zusätzlich normalisiert werden. Das Normalisieren kann bei einer Temperatur von größer oder gleich 850°C, bevorzugt größer oder gleich 860°C, besonders bevorzugt größer oder gleich 870°C erfolgen. Ferner kann der Ringrohling 104 in einem weiteren optionalen Schritt vorgedreht werden, um einen rechteckförmigen Ringquerschnitt zu erhalten.
Erfindungsgemäß wird der Ringrohling 104 einem Vorverzahnungsschritt 6 zugeführt. Hierbei wird in den nahtlos gewalzten Ringrohling 104 eine Vorverzahnung eingebracht, wobei die Vorverzahnung Zähne mit einer gegenüber der Soll-Zahnhöhe der zu fertigenden Verzahnung reduzierten, ersten Zahnhöhe aufweist. Dieses Vorverzahnen erfolgt mittels eines spanenden Fertigungsverfahrens, beispielsweise mittels Fräsen, insbesondere mittels Walzfräsen. Durch das Vorverzahnen 6 wird aus dem Ringrohling ein vorverzahnter Ring 105 gebildet.
Unmittelbar nach dem Vorverzahnen 6 wird der vorverzahnte Ring 105 als Ganzes vergütet. Im Rahmen des Vergütens 7 wird der vorverzahnte Ring 105 als Ganzes zunächst auf eine Temperatur im Bereich von größer oder gleich 850°C, bevorzugt größer oder gleich 860°C, besonders bevorzugt größer oder gleich 870°C erhitzt. Das Erhitzen 7.1 erfolgt beispielsweise mittels eines Ofens, einer Durchlaufglühanlage oder einer Haubenglühanlage. In direktem Anschluss an das Erhitzen 7.1 wird der vorverzahnte Ring als Ganzes abgeschreckt, beispielsweise indem der vorverzahnte Ring als Ganzes in ein Abschreckbad, insbesondere aus Wasser, Öl oder einem polymeren Abschreckmittel eingebracht wird. Hierbei wird der vorverzahnte Ring als Ganzes gehärtet. Nach dem Abschrecken 7.2 folgt ein Anlassschritt 7.3, in welchem der vorverzahnte Ring nach dem Abschrecken 7.2 bei einer Temperatur größer gleich 550 °C, bevorzugt größer gleich 570 °C, insbesondere größer gleich 580 °C, angelassen wird. Das Anlassen 7.3 schließt das Vergüten 7 des vorverzahnten Rings 105 ab.
Der vergütete vorverzahnte Ring 106 wird nun mittels eines spanabhebenden Fertigungsverfahrens fertigverzahnt. Hierbei wird die Zahnhöhe der Verzahnung erhöht, so dass die beim Fertigverzahnen 8 entstehende zweite Zahnhöhe größer ist als die durch das Vorverzahnen erhaltene erste Zahnhöhe. Optional kann der Innenumfang des Rings durch einen Drehprozess weiter vergrößert werden.
Der fertig verzahnte Ring 107 wird nachfolgend bereichsweise gehärtet, so dass die Festigkeit des Rings bereichsweise weiter erhöht wird. Das bereichsweise Härten 9 erfolgt mittels eines Induktionshärtungsverfahrens mit nachfolgendem Abschrecken durch eine Brausevorrichtung. Gehärtet werden bevorzugt solche Bereiche des Rings 107, die verzahnungsfrei sind. Bei einer Außenverzahnung kann beispielsweise die Innenkontur des Rings 107 gehärtet werden. Im Falle eines Rings 107 mit einer Innenverzahnung kann das bereichsweise Härten am Außenumfang des Rings 107 erfolgen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren für einen Ring mit einer Verzahnung 108 werden folgende Schritte ausgeführt:

(a) Ringwalzen 5 eines Vorrings 103 zur Bildung eines Ringrohlings 104,
(b) Einbringen einer Vorverzahnung in den Ringrohling 104 zur Bildung eines vorverzahnten Rings 105, wobei die Vorverzahnung Zähne mit einer ersten Zahnhöhe aufweist,
(c) Vergüten 7 des vorverzahnten Rings 105 zur Bildung eines vergüteten vorverzahnten Rings 106 und
(d) Fertigverzahnen 8 des vergüteten vorverzahnten Rings 106 zur Bildung eines Rings mit einer Verzahnung, wobei die Verzahnung Zähne mit einer zweiten Zahnhöhe aufweist, die größer ist als die erste Zahnhöhe. Hierdurch kann eine Verbesserung der Festigkeit im Bereich des Zahnfußes erreicht werden.

Bezugszeichenliste

1: Sägen
2: Erwärmen
3: Stauchen
4: Lochen
5: Ringwalzen
6: Vorverzahnen
7: Vergüten
7.1: Erwärmen
7.2: Abschrecken
7.3: Anlassen
8: Fertigverzahnen
9: Härten
100: stabförmiges Vormaterial
101: stabförmiger Abschnitt
102: scheibenförmige Form
103: Vorring
104: Ringrohling
105: vorverzahnter Ring
106: vergüteter vorverzahnter Ring
107: fertig verzahnter Ring
108: gehärteter Ring

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rings mit einer Verzahnung, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst: (a) Ringwalzen (5) eines Vorrings (103) zur Bildung eines Ringrohlings (104), (b) Einbringen einer Vorverzahnung (6) in den Ringrohling (104) zur Bildung eines vorverzahnten Rings (105), wobei die Vorverzahnung Zähne mit einer ersten Zahnhöhe aufweist, (c) Vergüten (7) des vorverzahnten Rings (105) zur Bildung eines vergüteten vorverzahnten Rings (106) und (d) Fertigverzahnen (8) des vergüteten vorverzahnten Rings (106) zur Bildung eines Rings mit einer Verzahnung, wobei die Verzahnung Zähne mit einer zweiten Zahnhöhe aufweist, die größer ist als die erste Zahnhöhe, wobei die erste Zahnhöhe 50% bis 95% der zweiten Zahnhöhe beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einbringen der Vorverzahnung (6) und/oder das Fertigverzahnen (8) mittels eines spanenden Fertigungsverfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Zahnhöhe im Bereich von 50 mm bis 125 mm, bevorzugt im Bereich von 55 mm bis 110 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 65 mm bis 100 mm, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Zahnhöhe 70% bis 90%, bevorzugt 75% bis 85%, der zweiten Zahnhöhe beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorverzahnte Ring (105) beim Vergüten (7) als Ganzes erwärmt wird, insbesondere auf eine Temperatur größer als 850°C, insbesondere 870°C.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der vorverzahnte Ring (105) nach dem Erwärmen (7.1) als Ganzes abgeschreckt wird, insbesondere durch Einbringen des vorverzahnten Rings (105) in ein Abschreckbad.
Verfahren nach Anspruch 6 wobei der vorverzahnte Ring (105) nach dem Abschrecken (7.2) angelassen wird, insbesondere bei einer Temperatur größer als 550 °C, bevorzugt größer als 570 °C, insbesondere bei 580 °C.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verzahnung als am Außenumfang des Rings angeordnete Außenverzahnung oder als am Innenumfang des Rings angeordnete Innenverzahnung ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verzahnung als Vollverzahnung ausgebildet ist, die sich über den gesamten Außenumfang des Rings und/oder den gesamten Innenumfang des Rings erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verzahnung als teilweise umlaufende Teilverzahnung an dem Außenumfang des Rings und/oder als teilweise umlaufende Teilverzahnung an dem Innenumfang des Rings ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ring einen Durchmesser im Bereich von 250 bis 8000 mm, bevorzugt im Bereich von 1800 mm bis 7000 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 2300 mm bis 6000 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ring mit einer Verzahnung nach dem Fertigverzahnen (8) bereichsweise gehärtet wird, insbesondere mittels eines Induktionshärtungsverfahrens.