DE102017209881A1 - Verfahren zur Fertigung eines gehärteten Getriebebauteils und hierfür verwendbares Umformwerkzeug mit gekühltem Gesenk - Google Patents

Verfahren zur Fertigung eines gehärteten Getriebebauteils und hierfür verwendbares Umformwerkzeug mit gekühltem Gesenk Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Fertigung eines gehärteten Getriebebauteils, insbesondere eines Zahnrads (20), einer Welle oder einer Zahnwelle (40), mit den Schritten:
- Bereitstellen eines massivmetallischen Rohlings (10, 30) aus einem ausscheidungshärtenden Stahl (S), der eine Ausgangshärte aufweist;
- Erwärmen des Rohlings (10, 30), Warmumformen zur Erzeugung einer Vorform und Abschrecken, wobei eine Härte erreicht wird, die oberhalb der Ausgangshärte und unterhalb einer beabsichtigten Endhärte liegt;
- spanende und/oder umformende Bearbeitung des Rohlings (10, 30) zur Erzeugung der Endform;
- Auslagern und gleichzeitige Nitrierung des Rohlings (10, 30), wobei durch Ausscheidungshärtung die Endhärte erreicht wird und durch die Nitrierung zusätzlich eine Oberflächenhärtung erfolgt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Umformwerkzeug, insbesondere ein Taumelumformwerkzeug oder Drehschmiedewerkzeug, mit einem gekühlten Gesenk.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung bzw. Herstellung eines gehärteten Getriebebauteils. Die Erfindung betrifft ferner ein hierbei verwendbares Umformwerkzeug.
  • Ein Getriebebauteil ist eine Welle oder ein mit wenigstens einer Lauf- oder Steckverzahnung ausgebildetes Verzahnungsbauteil, wie insbesondere ein Zahnrad oder eine Zahnwelle, aus einem massiven Stahlwerkstoff, vorzugsweise für die Verwendung in einem Fahrzeuggetriebe. Unter „gehärtet“ wird verstanden, dass der Stahlwerkstoff im Zuge der Fertigung bzw. Herstellung des Getriebebauteils wärmebehandelt wurde, um dessen Härte bzw. Festigkeit zu erhöhen. Eine übliche Wärmebehandlung ist das sogenannte Einsatzhärten.
  • Die DE 10 2012 017 525 A1 beschreibt die umformende Herstellung eines einstückigen Zahnrads durch inkrementelles Umformen (insbesondere durch Taumelpressen bzw. Taumelumformen) eines metallischen Werkstoffs, was zu günstigen Faserverläufen und sehr guter Formgenauigkeit führt. Nach dem Umformen kann noch ein Härten des metallischen Werkstoffs erfolgen.
  • Zum Stand der Technik wird ferner auf die DE 602 11 496 T2 hingewiesen, die ein Verfahren zur Herstellung eines Kegelzahnrads durch Präzisionsschmieden und anschließendem Härten zumindest der Zähne, z. B. durch Einsatzhärten (Aufkohlen), beschreibt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein weiteres Verfahren zur Fertigung eines gehärteten Getriebebauteils anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein für die erfindungsgemäße Fertigung eines Zahnrads oder einer Zahnwelle verwendbares Umformwerkzeug. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Fertigung eines gehärteten (hochfesten) Getriebebauteils umfasst die nachfolgend genannten und in dieser Abfolge auszuführenden Schritte, wobei auch im Weiteren noch näher erläuterte Zwischenschritte, vorausgehende Schritte und/oder nachfolgende Schritte vorgesehen sein können:
    • - Bereitstellen eines massivmetallischen Rohlings aus einem ausscheidungshärtenden Stahl, der eine Ausgangshärte (Ausgangsfestigkeit) aufweist;
    • - Erwärmen des Rohlings und insbesondere Halten der Temperatur, anschließendes Warmumformen zur Erzeugung einer Vorform und anschließendes Abschrecken, wobei eine Härte (Festigkeit) erreicht wird, die oberhalb der Ausgangshärte und unterhalb einer beabsichtigten Endhärte (des herzustellenden Getriebebauteils) bzw. zwischen der Ausgangshärte und der Endhärte liegt;
    • - spanende und/oder umformende Bearbeitung des Rohlings zur Erzeugung der Endform;
    • - Auslagern und gleichzeitige Nitrierung des Rohlings, wobei durch Ausscheidungshärtung die Endhärte (Endfestigkeit) erreicht wird und durch die Nitrierung zusätzlich eine Oberflächenhärtung (Nitrierhärtung) erfolgt.
  • Ein Rohling ist ein massivmetallisches Werkstück, das für die Weiterverarbeitung bestimmt ist. Ein Blechmaterial ist kein massivmetallischer Rohling im Sinne der Erfindung. Aus dem Rohling bzw. Werkstück wird sukzessive das Getriebebauteil gefertigt bzw. hergestellt. Bevorzugt sind der Rohling und das daraus hergestellte Getriebebauteil einstückig, d. h. in einem Stück ausgebildet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht mit wenigen Herstell- bzw. Fertigungsschritten und ohne das bislang übliche Einsatzhärten die Herstellung bzw. Fertigung harter bzw. fester (mitunter ultrahochfester) und somit belastbarer, robuster und verschleißunanfälliger Getriebebauteile. Damit werden einerseits Leistungssteigerungen ermöglicht und andererseits neue Potentiale für Leichtbau und Downsizing geschaffen. Außerdem ergeben sich energetische Vorteile und Kostenvorteile. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem auch für die Serienfertigung geeignet.
  • Der Rohling kann auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 1300 °C, bevorzugt zwischen 950 °C und 1300 °C, erwärmt werden und wird dann bevorzugt auf dieser Temperatur gehalten (Haltephase), um ein Lösungsglühen durchzuführen. Das Erwärmen und gegebenenfalls Halten kann in einem Ofen, insbesondere Durchlaufofen, erfolgen. Prinzipiell ist auch eine induktive Erwärmung möglich. Bevorzugt ist eine homogene Erwärmung vorgesehen, wobei grundsätzlich auch eine inhomogene Erwärmung möglich ist.
  • Das Warmumformen kann bei einer Temperatur zwischen 400 °C und 1250 °C erfolgen. Die Umformtemperatur kann von der vorausgehenden Erwärmungs- und Haltetemperatur abweichen.
  • Das Auslagern bzw. Warmauslagern und gleichzeitige Nitrieren (was auch als Auslagern mit Nitrieren bezeichnet werden kann) erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 450 °C bis 550 °C, insbesondere bei ca. 500 °C, wodurch eine Sekundärhärtung des Stahls bzw. Stahlwerkstoffs erzielt wird bzw. eine Sekundärhärte erreicht wird.
  • Beim Warmumformen des Rohlings kann bereits im Wesentlichen die Endform bzw. Endgeometrie des herzustellenden Getriebebauteils, insbesondere auch wenigstens einer Verzahnung, erzeugt werden, sodass anschließend keine spanende und/oder umformende Bearbeitung mehr erforderlich ist. Für die Herstellung eines Zahnrads oder einer Zahnwelle eignen sich insbesondere Präzisionsumformverfahren wie bspw. das Taumelumformen oder das Drehschmieden, idealerweise bei einer Temperatur zwischen 400 °C und 1250 °C. Beide Verfahren sind inkrementelle Umformverfahren, die ausführlich in der DE 10 2012 017 525 A1 beschrieben sind. Für die Herstellung einer Welle eignen sich Präzisionsumformverfahren wie bspw. das Bohrungsdrücken, Drückwalzen oder Radialumformen, idealerweise bei einer Temperatur zwischen 400 °C und 1250 °C.
  • Bevorzugt wird für das Warmumformen, insbesondere bei der Herstellung eines Zahnrads oder Zahnwelle, ein kühlbares Gesenk genutzt bzw. verwendet, sodass das Abschrecken, zumindest teilweise, noch im Gesenk erfolgen kann. Ein Umformwerkzeug mit einem solchen Gesenk ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs.
  • Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug zur Herstellung bzw. Erzeugung eines Getriebebauteils, insbesondere eines Zahnrads oder einer Zahnwelle, weist ein Gesenk (Matrize) auf, das mit (wenigstens) einer Negativkontur einer am Getriebe- bzw. Verzahnungsbauteil zu erzeugenden Verzahnung, wobei es sich insbesondere um eine Außenverzahnung handelt, ausgebildet ist. Das Gesenk ist mit integrierten bzw. inneren Kühlkanälen ausgebildet, die an die Negativkontur angepasst sind. Die Kühlkanäle ermöglichen mittels durchströmendem Kühlfluid eine aktive Kühlung des Gesenks und des darin gefertigten Getriebe- bzw. Verzahnungsbauteils. Bevorzugt sind die Kühlkanäle im Bereich der Negativkontur konturnah bzw. der Verzahnungsform folgend ausgebildet. Das Gesenk ermöglicht also nicht nur das umformende Herstellen des Getriebe- bzw. Verzahnungsbauteils, sondern auch ein gezieltes Abkühlen und insbesondere Abschrecken im Gesenk, sodass im Werkzeug bzw. Gesenk auch eine Härtung durchgeführt werden kann, d. h. ein Härten im Gesenk bzw. Gesenkhärten ist möglich. Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug ist insbesondere ein Taumelumformwerkzeug oder ein Drehschmiedewerkzeug.
  • Das Gesenk ist insbesondere ein geschlossenes Gesenk. Ein geschlossenes Gesenk bedeutet, dass das Werkstück beim Umformen vollständig in einer geschlossenen Vertiefung eingeschlossen ist. Die Verwendung eines geschlossenen Gesenks verbessert einerseits die Formgenauigkeit und verhindert andererseits Verzug beim Abschrecken.
  • Das Gesenk ist bevorzugt durch additive Fertigung und insbesondere durch ein 3D-Druckverfahren, bspw. durch Lasersintern (z. B. unter Verwendung eines metallischen Pulverwerkstoffs) und einer sich gegebenenfalls anschließenden Wärmebehandlung, hergestellt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
    • 1 veranschaulicht einen erfindungsgemäßen Verfahrenablauf bzw. eine erfindungsgemäße Prozesskette zur Fertigung eines gehärteten Zahnrads.
    • 2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Taumelumformvorgang und ein hierfür verwendbares gekühltes Gesenk.
  • Das in der 1 veranschaulichte Verfahren 100 zur Fertigung eines einstückigen gehärteten Stirnzahnrads 20 mit Schrägverzahnung 21 (zur Weiteren Verwendung als Getriebeteil) weist die im folgenden erläuterten Fertigungsschritte auf, wobei nicht näher erläuterte Zwischenschritte und Teilschritte vorgesehen sein können. Ferner können einzelne Schritte gegebenenfalls auch entfallen.
    • - Fertigungsschritt 110: Bereitstellen eines ringförmigen Rohlings (Rohteils) 10 aus einem ausscheidungshärtenden Stahlwerkstoff S (bspw. Ferrium M54). Der Rohling 10 wird bspw. durch spanende Bearbeitung oder durch Schmieden und anschließende spanende Bearbeitung aus einem stangenförmigen Ausgangsmaterial hergestellt. Das Ausgangsmaterial weist im Anlieferungszustand bspw. eine Härte von 38 bis 40 HRC auf. Beim Schmieden oberhalb der AC1-Temperatur kann bereits eine Härtung eintreten, sodass die Ausgangshärte des Rohlings 10 auch oberhalb der Härte im Anlieferungszustand liegen kann.
    • - Fertigungsschritt 120: Lösungsglühen des Rohlings 10, wozu der Rohling 10 auf eine legierungstypische Temperatur zwischen 800 °C und 1300 °C, bevorzugt zwischen 950 °C und 1300 °C, erwärmt wird und über eine Mindestzeit auf dieser Temperatur gehalten wird (Haltephase), bis sich Austenit gebildet und/oder bis sich alle zur späteren Ausscheidung nötigen Elemente in Lösung befinden.
    • - Fertigungsschritt 130: Umformen des erwärmten Rohlings 10 mithilfe eines Umformwerkzeugs, wobei eine der Endform bzw. Endkontur (des herzustellenden Zahnrads 20) nahe Vorform oder zumindest nähere Vorform (falls der bereitgestellte Rohling bereits eine Vorform aufweist) erzeugt wird. Hierbei kann gegebenenfalls bereits eine Verzahnungsvorkontur erzeugt werden. Das Umformen erfolgt bspw. bei einer Temperatur zwischen 400 °C und 1250 °C, wozu der Rohling nach dem Lösungsglühen evtl. noch weiter erwärmt oder abgekühlt werden muss.
    • - Fertigungsschritt 140: Abschrecken des umgeformten Rohlings 10, was noch im Umformwerkzeug und/oder an der Luft, gegebenenfalls mittels Luftdusche oder dergleichen, erfolgen kann. Der Rohling 10 wird dabei vorgehärtet und erreicht eine Härte (bzw. Festigkeit) von bspw. 46 bis 48 HRC, die oberhalb der Ausgangshärte (Ausgangsfestigkeit) und unterhalb der angestrebten Endhärte (bzw. Endfestigkeit) liegt. Dieser Zustand kann auch als halbhart (bzw. halbfest) bezeichnet werden. Für das Umformen im Fertigungsschritt 130 wird quasi die Lösungsglühwärme aus dem Fertigungsschritt 120 und für die Härtung im Fertigungsschritt 140 wird quasi die Umformwärme aus dem Fertigungsschritt 130 genutzt, wodurch sich energetische Vorteile ergeben.
    • - Fertigungsschritt 150: Spanende bzw. zerspanende und/oder umformende Bearbeitung des Rohlings, wobei im Wesentlichen die Endform bzw. Endkontur des herzustellenden Zahnrads 20 erreicht wird (z. B. > 95 % der Endgeometrie) und wobei insbesondere die Verzahnung 21 erzeugt bzw. hergestellt oder, falls der Rohling bereits eine Verzahnungsvorkontur aufweist, fertiggestellt wird. Eine spanende Bearbeitung kann bspw. ein Drehen, Fräsen, Räumen, Schleifen und Entgraten umfassen. Eine spanende Bearbeitung umfasst insbesondere eine spanenden Verzahnungsherstellung, insbesondere durch Wälzfräsen. Durch den halbharten Zustand wird allerdings auch eine umformende Verzahnungsherstellung ermöglicht, bspw. durch Verzahnungswalzen. Dieser auch als Grünbearbeitung bezeichnete Fertigungsschritt wird also im halbharten Zustand ausgeführt und kann mehrere Bearbeitungsverfahren und -schritte umfassen.
    • - Fertigungsschritt 160: Auslagern, d. h. Warmauslagern bzw. Anlassen, des bearbeiteten Rohlings 10 bei einer Temperatur von z. B. 450 °C bis 550 °C, insbesondere bei ca. 500 °C, und gleichzeitiges Nitrieren, bspw. Gasnitrieren durch Verwendung einer nitrierenden Atmosphäre (z. B. Ammoniak) beim Auslagern. Hierfür sind je nach Legierung mehrere Stunden vorzusehen. Die beiden Verfahren Auslagern und Nitrieren werden quasi zusammen- bzw. übereinandergelegt. (Das Auslagern und Nitrieren wird quasi zu einem Arbeitsgang bzw. Fertigungsschritt zusammengefasst.) Hierbei wird einerseits der Rohling 10 durch Ausscheidungshärtung (Sekundärhärtung) durchgehärtet und erreicht die Endhärte von z. B. 50 bis 52 HRC. Andererseits erfolgt durch die Nitrierung zusätzlich eine Oberflächenhärtung (Nitrierhärtung) z. B. auf mindestens 70 HRC. Es wird zumindest die Verzahnung 21 nitriergehärtet.
    • - Fertigungsschritt 170: optionale Hartfeinbearbeitung, z. B. durch Hartdrehen, Harträumen, Schleifen, Entgraten und dergleichen.
    • - Fertigungsschritt 180: optionale Endbearbeitung (Finishing), z. B. durch Strahlen und/oder Phosphatieren (Phosphatierung).
  • Spätestens nun ist das hergestellte bzw. gefertigte Zahnrand 20 verbaufertig.
  • Das beschriebene Fertigungsverfahren 100 umfasst also die für das Ausscheidungshärten typischen Stufen Lösungsglühen, Abkühlen bzw. Abschrecken und Auslagern, wobei das Auslagern in einem höheren Temperaturbereich erfolgt, um eine sogenannte Sekundärhärte zu erreichen, welche die Härte nach dem Abschrecken (im Fertigungsschritt 140) übersteigt. Der verwendete Stahlwerkstoff S ist demnach ein ausscheidungshärtender Stahl mit sekundärhärtenden Eigenschaften. Das Fertigungsverfahren 100 kommt somit ohne ein energieintensives Einsatzhärten aus. Insbesondere entfallen die in der Praxis sehr komplizierten Abhängigkeiten zwischen Grünbearbeitung, Einsatzhärten und Hartbearbeitung.
  • Das hergestellte Zahnrad 20 weist ein durch Ausscheidungshärten bzw. Sekundärhärten erzeugtes Kerngefüge 22 mit einer Kernhärte von z. B. 50 bis 52 HRC und eine durch Nitrierhärten erzeugte Oberflächenhartschicht bzw. Nitrierschicht 23 mit einer Oberflächenhärte bzw. Randschichthärte von z. B. > 70 HRC auf. Die sehr harte und verschleißresistente Nitrierschicht 23 hat bspw. eine Dicke bzw. Tiefe (Nitrierhärtetiefe) von 0,3 bis 0,5 mm. Wegen der hohen Kernhärte tritt kein Eierschaleneffekt auf. Eine umformende Bearbeitung (im Fertigungsschritt 150) kann mit einer Kaltverfestigung und einer Erhöhung der Härte einhergehen, sodass das Zahnrad 20 in der Umformzone 24 eine Härte aufweisen kann, die oberhalb der Kernhärte und unterhalb der Oberflächenhärte liegt. Die Übergänge sind verlaufend ausgebildet. Im Übrigen kann das hergestellte Zahnrad 20 mehrere Verzahnungen aufweisen und bspw. noch mit wenigstens einer zweiten Laufverzahnung, einer Steckverzahnung und/oder einer Innenverzahnung ausgebildet sein.
  • Die Fertigungsschritte 130, 140 und 150 können durch ein Präzisionsumformen 190, bspw. ein Taumelumformen oder ein Drehschmieden, mit anschließender Abkühlung noch im Umformwerkzeug (d. h. im Taumelumformwerkzeug oder Drehschmiedewerkzeug) und/oder an der Luft ersetzt werden. 2a veranschaulicht das Umformen des erwärmten Rohlings 10 in einem Taumelumformwerkzeug 200. Das in einer Taumelpresse eingebaute Taumelumformwerkzeug 200 weist ein Werkzeugoberteil 210 auf und ein Werkzeugunterteil 220, welches als geschlossenes Gesenk ausgebildet ist und ein ringartiges Außenteil 230 sowie ein dorn- bzw. stempelartiges Innenteil 240 umfasst. Die einer Zustellbewegung überlagerte Taumelbewegung des Werkzeugoberteils 210 ist durch die Pfeile Z und T veranschaulicht. Der Rohling 10 wird dabei in einem Arbeitsschritt bis zur Endform (des herzustellenden Zahnrads 20) umgeformt, wobei auch die Verzahnung 21 (sowie gegebenenfalls auch wenigstens eine weitere Verzahnung, z. B. eine Innenverzahnung) erzeugt werden. Die als Grünfertigung bezeichnete spanende und/oder umformende Bearbeitung des Rohlings im Fertigungsschritt 150 entfällt. Gleichwohl kann eine solche Grünfertigung trotzdem vorgesehen, wie durch den strichlinierten Pfeil (von 190 zu 150) veranschaulicht. Anstelle des Taumelumformens kann auch ein Drehschmieden vorgesehen sein. Zum Taumelumformen und Drehschmieden wird im Weiteren auf die ausführlichen Erläuterungen in der DE 10 2012 017 525 A1 hingewiesen. Das Präzisionsumformen kann auch ein Drehschmieden sein, wie ebenfalls in der DE 10 2012 017 525 A1 beschrieben.
  • Das Abschrecken des umgeformten Rohlings 10 kann noch im Taumelumformwerkzeug 200 (bzw. Drehschmiedewerkzeug) erfolgen. Dabei kann der vom Werkzeugoberteil 210 erzeugte Formdruck bis zum Ende der Abkühlung aufrecht erhalten werden, um den Wärmeübergang zu verbessern und Verzug zu verhindern. Der umgeformte Rohling 10 kann allerdings auch schon vorher entnommen und z. B. an der Luft weiter abgekühlt werden. Ferner kann bereits schon während des Umformens abgekühlt werden.
  • Hierzu ist das Werkzeugunterteil 220 mit Kühlkanälen ausgebildet. 2b zeigt in einer perspektivischen Ansicht das Gesenk 220 des Taumelumformwerkzeugs 200 (oder alternativ eines Drehschmiedewerkzeugs), wobei nur das Außenteil 230 gezeigt ist, welches eine Negativkontur 231 der zu erzeugenden Außenverzahnung 21 aufweist. Das z. B. in einem 3D-Druckverfahen oder dergleichen hergestellte Außenteil 230 ist mit inneren Kühlkanälen 232 und 233 durchsetzt. Das Gesenk 220 bzw. Außenteil 230 weist zum einen in jedem Zahn der Negativkontur 231 linienangepasste Kühlkanäle 232 und zum anderen teilweise oder ganz umlaufende profilangepasste Kühlkanäle 233, die in mehreren Ebenen verlaufen, auf (siehe auch 2a). Die Kühlkanäle 232 und 233 sind konturnah ausgebildet und an die Verzahnungsform der Negativkontur 231 angepasst. In ähnlicher Weise kann auch das Innenteil 240 mit Kühlkanälen ausgebildet sein.
  • Mit dem vorausgehend erläuterten Fertigungsverfahren 100 kann in analoger Weise auch eine Zahnwelle 40 aus einem stangenförmigen oder rohrartigen Rohling 30 gefertigt werden. Nach dem Umformen und Abschrecken des Rohlings 30 (Fertigungsschritte 130 und 140) oder alternativ nach dem Präzisionsumformen und Abschrecken des Rohlings 30 (Fertigungsschritt 190) kann eine spanende und/oder umformende Bearbeitung des Rohlings 30 vorgesehen sein (Fertigungsschritt 150), wie z. B. Ablängen, Zentrieren, Drehen, Walzen, Rollen, Drücken, Fräsen, Entgraten, Einstich- und Planbearbeitung, Außenrundschleifen, Verzahnungsschleifen und dergleichen.
  • Ferner kann in analoger Weise aus einem stangenförmigen oder rohrartigen Rohling (30) auch eine Welle (Getriebewelle) ohne Verzahnung gefertigt bzw. hergestellt werden. Ein Präzisionsumformen (Fertigungsschritt 190) kann hierbei z. B. ein Bohrungsdrücken, Drückwalzen oder Radialumformen umfassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Rohling
    20
    Zahnrad
    21
    Verzahnung
    22
    Kern
    23
    Oberflächenschicht, Randschicht
    24
    Umformzone
    30
    Rohling
    40
    Zahnwelle
    41
    Verzahnung
    100
    Fertigungsverfahren (Prozesskette)
    110
    Fertigungsschritt
    120
    Fertigungsschritt
    130
    Fertigungsschritt
    140
    Fertigungsschritt
    150
    Fertigungsschritt
    160
    Fertigungsschritt
    170
    Fertigungsschritt
    180
    Fertigungsschritt
    190
    Fertigungsschritt
    200
    Werkzeug
    210
    Werkzeugoberteil
    220
    Werkzeugunterteil, Gesenk
    230
    Außenteil
    231
    Negativkontur
    232
    Kühlkanäle
    233
    Kühlkanäle
    240
    Innenteil
    S
    Stahlwerkstoff
    T
    Taumelbewegung
    Z
    Zustellbewegung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012017525 A1 [0003, 0013, 0023]
    • DE 60211496 T2 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren (100) zur Fertigung eines gehärteten Getriebebauteils, insbesondere eines Zahnrads (20), einer Welle oder einer Zahnwelle (40), umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines massivmetallischen Rohlings (10, 30) aus einem ausscheidungshärtenden Stahl (S), der eine Ausgangshärte aufweist; - Erwärmen des Rohlings (10, 30), Warmumformen zur Erzeugung einer Vorform und Abschrecken, wobei eine Härte erreicht wird, die oberhalb der Ausgangshärte und unterhalb einer beabsichtigten Endhärte liegt; - spanende und/oder umformende Bearbeitung des Rohlings (10, 30) zur Erzeugung der Endform; - Auslagern und gleichzeitige Nitrierung des Rohlings (10, 30), wobei durch Ausscheidungshärtung die Endhärte erreicht wird und durch die Nitrierung zusätzlich eine Oberflächenhärtung erfolgt.
  2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohling (10, 30) auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 1300 °C erwärmt und dann zunächst auf dieser Temperatur gehalten wird.
  3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformen bei einer Temperatur zwischen 400 °C und 1250 °C stattfindet.
  4. Verfahren (100) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslagern und gleichzeitige Nitrieren bei einer Temperatur zwischen 450 °C und 550 °C stattfindet, wobei eine Sekundärhärtung erreicht wird.
  5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Warmumformen bereits die Endform erzeugt wird, sodass anschließend keine spanende und/oder umformende Bearbeitung mehr erforderlich ist.
  6. Verfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformen ein Taumelumformen oder Drehschmieden ist.
  7. Verfahren (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Warmumformen ein kühlbares Gesenk (220) verwendet wird und das Abschrecken noch im Gesenk (220) erfolgt.
  8. Umformwerkzeug (200) zur Herstellung eines Getriebebauteils, insbesondere eines Zahnrads (20) oder einer Zahnwelle (40), mit einem Gesenk (220), insbesondere einem geschlossenen Gesenk, welches eine Negativkontur (231) einer am Getriebebauteil (20, 40) zu erzeugenden Verzahnung (21, 41) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesenk (220) mit inneren Kühlkanälen (232, 233) ausgebildet ist, die an die Negativkontur (231) angepasst sind.
  9. Umformwerkzeug (200) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesenk (220) mit einem 3D-Druckverfahren hergestellt ist.
  10. Umformwerkzeug (200) nach Anspruch 8 oder 9, wobei dieses Umformwerkzeug (200) ein Taumelumformwerkzeug oder ein Drehschmiedewerkzeug ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113059318A (zh) * 2021-03-19 2021-07-02 西安煤矿机械有限公司 一种薄壁零件的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3434759C2 (de) * 1984-09-21 1990-06-21 Sommer, Richard, 8900 Augsburg, De
DE10003791A1 (de) * 2000-01-28 2001-08-09 Forschungsges Umformtechnik Verfahren zur Herstellung von Felgen
DE10030433C2 (de) * 1999-06-23 2002-06-06 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Erzeugung verschleißbeständiger Randschichten an ausscheidungshärtbaren Werkstoffen
DE60211496T2 (de) 2001-03-29 2007-05-03 Bishop Innovation Ltd., North Ryde Schmiedeverfahren und -vorrichtung
DE102012017525A1 (de) 2011-09-10 2013-03-14 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur umformenden Herstellung eines Zahnrads mit Außenverzahnung, sowie nach diesem Verfahren herstellbares Zahnrad mit Außenverzahnung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3434759C2 (de) * 1984-09-21 1990-06-21 Sommer, Richard, 8900 Augsburg, De
DE10030433C2 (de) * 1999-06-23 2002-06-06 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Erzeugung verschleißbeständiger Randschichten an ausscheidungshärtbaren Werkstoffen
DE10003791A1 (de) * 2000-01-28 2001-08-09 Forschungsges Umformtechnik Verfahren zur Herstellung von Felgen
DE60211496T2 (de) 2001-03-29 2007-05-03 Bishop Innovation Ltd., North Ryde Schmiedeverfahren und -vorrichtung
DE102012017525A1 (de) 2011-09-10 2013-03-14 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur umformenden Herstellung eines Zahnrads mit Außenverzahnung, sowie nach diesem Verfahren herstellbares Zahnrad mit Außenverzahnung

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BERGMANN, M., MÜLLER, B., WAGNER, A.: Generative Fertigungsverfahren – Innovationen bei der Herstellung komplizierter Werkzeuggeometrien für das Gesenkschmieden zur kurzfristigen Bereitstellung von geschmiedeten Prototypen. In: Schmiede-Journal März 2011, S. 24-27. *
BLECK, W., KEUL, C., ZEISLMAIR, B.: Entwicklung eines höherfesten mikrolegierten auscheidungshärtenden ferritisch/perlitischen Schmiedestahls AFP-M. In: Schmiede-Journal März 2010, S. 42-44. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113059318A (zh) * 2021-03-19 2021-07-02 西安煤矿机械有限公司 一种薄壁零件的制备方法

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