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Die Erfindung betrifft eine Bohrung eines Lenkritzels eines Lenksystems sowie das Lenkritzel, in dem im Zusammenbauzustand ein Drehstab angeordnet ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 046 765 A1 offenbart ein zweistufiges Verfahren, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt eine konventionelle mechanische vorzugsweise zerspanende Bearbeitung des zu bearbeitenden Materials stattfindet. Dabei wird berücksichtigt, dass das geometrische Bearbeitungsmaß um den Betrag des Bearbeitungsmaßes der nachfolgenden elektrochemischen Bearbeitung, das heißt dessen Werkstoffabtrag, korrigiert werden muss.
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In einem zweiten nachfolgenden Verfahrensschritt wird die konventionell vorbearbeitete Kavität mittels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens bearbeitet. Dazu werden bekannte Vorrichtungen zur elektrochemischen Bearbeitung eingesetzt - das Verfahren der elektrochemischen Bearbeitung (ECM - ElectroChemical Machining) oder auch der weiter entwickelten elektrochemischen Bearbeitung, der so genannten gepulsten elektrochemischen Bearbeitung (PECM - Pulsed ElectroChemical Machining), die dadurch gekennzeichnet sind, dass bei der Bearbeitung kein direkter Kontakt zwischen Werkzeug und Bearbeitungsobjekt (zu bearbeitendes Werkstück) herrscht. Zur Bearbeitung werden Werkzeug und zu bearbeitendes Werkstück relativ zueinander verschoben, so dass sich auf dem Werkstück die Geometrie des Werkzeugs abbildet. Dazu wird zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück eine elektrische Spannung angelegt, wobei das Werkstück als Anode und das Werkzeug als Kathode geschaltet wird. Für die Bearbeitung wird ein vorhandener Spalt, vorzugsweise kleiner als 1 mm, zwischen Werkzeug (Kathode) und Werkstück (Anode) mit einer Elektrolytlösung gespült. Der Werkstoffabtrag am Werkstück erfolgt somit elektrochemisch und der aufgelöste Werkstoff wird als Metallhydroxid von der Elektrolytlösung aus der Bearbeitungszone herausgespült. Das PECM-Verfahren weist eine weitaus geringere Spaltbreite zwischen Werkzeug und Objekt auf, vorzugsweise eine Spaltbreite von 0,01 bis 0,2 mm, und besitzt deshalb eine wesentlich höhere Bearbeitungsgenauigkeit als das ECM-Verfahren. Charakteristisch für das PECM-Verfahren ist noch, dass der Bearbeitungsstrom nicht permanent anliegt, wie beim ECM-Verfahren, sondern als gepulster Strom zugeführt wird. Das Verfahren der elektrochemischen Bearbeitung zeichnet sich weiterhin durch hohe Prozessstabilität aus.
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Ergänzend wird auf die Druckschrift
DE 10 2010 032 326 A1 verwiesen, die ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Kavität (Bohrung) mittels elektrochemischer Bearbeitung (ECM) beziehungsweise gepulsten elektrochemischen Bearbeitung (PECM) beschreibt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit eines Werkstückes zur Anwendung zu bringen.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Lenkritzel umfassend eine Bohrung mit einer Vorkontur.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Endkontur der Bohrung durch elektrochemische Bearbeitung ausgebildet ist, so dass die Seitenwandung der Endkontur der Bohrung eine glatte und struktureinheitliche Oberfläche aufweist, die für die elektrochemische Bearbeitung typisch ist.
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Die Oberfläche der Seitenwandung der Endkontur der Bohrung ist im Vergleich zu einer mechanisch bearbeiteten Oberfläche in vorteilhafter Weise glatter und struktureinheitlicher und weist eine für die elektrochemische Bearbeitung typischerweise optisch überprüfbare Oberflächenstruktur auf.
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Der Fachmann ist in der Lage, durch eine optisch mikroskopische Untersuchung eine mechanisch bearbeitete Oberflächenstruktur von einer durch elektrochemische Bearbeitung erzeugten Oberflächenstrukturen zu unterscheiden.
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In vorteilhafter Weise kommt es bei der elektrochemischen Bearbeitung typischerweise zu einer strukturellen Polierwirkung sowie einer strukturellen Einebnung der Oberfläche der Bohrung des Lenkritzels, wobei insbesondere feststellbar ist, dass über den gesamten Bereich, in dem die elektrochemische Bearbeitung vorgenommen worden ist, keine strukturellen Unterschiede der Oberflächenparameter festgestellt werden, wie es vergleichsweise bei einer mechanischen Bearbeitung in dort typischer Weise der Fall ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Seitenwandung der Endkontur der Bohrung durch die elektrochemische Bearbeitung eine gemittelte Rautiefe (Rz ) aufweisen, die sogar kleiner/gleich </= 5 µm beträgt.
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Von besonderem Vorteil ist somit neben der Erreichbarkeit der glatten Oberfläche (gemittelte Rautiefe (Rz ) kleiner/gleich </= 5 µm möglich), dass durch die elektrochemische Bearbeitung (ECM, PECM) die Oberfläche der Bohrung über alle derart hergestellten Lenkritzel eine sehr ähnliche Struktur aufweist, wobei in vorteilhafter und typischer Weise Spuren, die bei einer mechanischen Bearbeitung entstehen, nicht vorhanden sind. Bei jeder irgendwie gearteten mechanischen Bearbeitung können solche Spuren festgestellt werden, wobei insbesondere mikroskopische Untersuchungen bei mechanisch bearbeiteten Bohrungen partiell starke - nicht gewünschte - Unterschiede in der Oberflächenstruktur zeigen.
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Es wurde festgestellt, dass bei konventionellen mechanischen Hartbearbeitungen nahezu identische Messwerte hinsichtlich der Oberflächengüte, beispielsweise der gemittelten Rautiefe (Rz ), vorliegen, jedoch optisch deutlich unterschiedliche Oberflächenstrukturen vorliegen.
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Diese unterschiedlichen Oberflächenstrukturen entstehen insbesondere durch den Werkzeugverschleiß, der bei der elektrochemischen Bearbeitung (ECM, PECM) in vorteilhafter Weise nicht auftritt, wodurch die optisch unterschiedlichen Oberflächenstrukturen vermieden werden.
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Diese optisch feststellbaren Strukturunterschiede der Oberfläche bei der mechanischen Bearbeitung beeinflussen drastisch den später folgenden Fügevorgang (das so genannte Drehstabfügen) zwischen der Oberflächenstruktur der Endkontur der Bohrung und der Oberflächenstruktur eines Drehstabes, der durchgeführt wird, um das Lenkritzel und den Drehstab in den Zusammenbauzustand zu bringen, wie nachfolgend detailliert erläutert wird. Für die dauerhafte Haltbarkeit des Drehstabes in der Bohrung des Lenkritzels im Zusammenbauzustand sind die Oberflächenstrukturen der Bohrung und des Drehstabes von besonderer Bedeutung, insbesondere vor dem Hintergrund, dass die von dem Lenkritzel über den Drehstab aufzunehmenden Kräfte stets höheren Anforderungen unterliegen.
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Bevorzugt ist in einer ersten Ausführungsvariante vorgesehen, dass die Vorkontur der Bohrung mechanisch ausgebildet ist.
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In einer anderen bevorzugten zweiten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Vorkontur der Bohrung durch elektrochemische Bearbeitung ausgebildet ist.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Vorkontur (in der ersten Ausführungsvariante) und/oder die Endkontur durch elektrochemische Bearbeitung oder durch die gepulste elektrochemische Bearbeitung ausgebildet sind. Beim Gegenstand der Erfindung ist es durch messtechnische Oberflächenprüfung anhand der Oberflächengüte und durch optische, insbesondere mikroskopische Untersuchungen der Struktur der Oberfläche erkennbar, ob die Seitenwand der Vorkontur oder der Endkontur nach der erfindungsgemäßen Vorgehensweise hergestellt ist oder nicht. Insbesondere kann festgestellt werden, dass bei einer sehr glatten Oberfläche (gemittelte Rautiefe (Rz ) kleiner/gleich </= 5 µm möglich) keine Strukturunterschiede in der Oberfläche vorliegen.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren zur Herstellung einer Bohrung in einem Lenkritzel dadurch aus, dass in einem ersten Schritt durch mechanisches Bohren oder mittels elektrochemischer Bearbeitung eine Bohrung mit einer Vorkontur hergestellt wird, wobei sich an den ersten Schritt ein zweiter Schritt zur Herstellung der Endkontur der Bohrung mittels elektrochemischer Bearbeitung anschließt.
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Erfindungsgemäß wird zwischen den beiden Schritten ein Schritt zum Härten des Lenkritzels vorgesehen. Insbesondere dann, wenn das Härten, insbesondere das Einsatzhärten, auch das Materialgefüge der Umgebung der Bohrung betrifft, wird durch die elektrochemische Bearbeitung eine sehr hohe und immer wieder reproduzierbare Oberflächengüte erreicht.
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Es ist vorgesehen, dass zur Herstellung der Endkontur der Bohrung insbesondere die gepulste elektrochemische Bearbeitung mit oszillierender Werkzeugbewegung, gepulstem Strom und einer Vorschubbewegung des Werkzeuges durchgeführt wird.
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Die Erfindung beansprucht ein Lenksystem, bei dem ein Drehstab in einer Endkontur einer Bohrung des vorbeschriebenen Lenkritzels angeordnet und nach dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellt ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Lenkritzel in einer perspektivischen Darstellung;
- 2 das Lenkritzel in einer Seitendarstellung vor Herstellung einer Endkontur einer Bohrung, wobei das Lenkritzel oberhalb einer sich in axialer Richtung erstreckenden Mittellinie geschnitten dargestellt ist;
- 3 das Lenkritzel in der Seitendarstellung gemäß 2 während der Herstellung der Endkontur der Bohrung.
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Die 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Lenkritzel 10.
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Das Lenkritzel 10 umfasst einen sich in axialer Richtung erstreckenden ersten Lagerbereich 10.1 und einen zweiten sich in axialer Richtung erstreckenden Lagerbereich 10.2, zwischen denen ein sich ebenfalls in axialer Richtung erstreckenden Verzahnungsbereich 10.4 ausgebildet ist.
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Über ausgebildete Lager in den Lagerbereichen 10.1 und 10.2 ist das Lenkritzel 10 als Teil eines Lenksystems in karosserieseitigen Lagerstellen gelagert. An den ersten Lagerbereich 10.1 schließt sich in axialer Richtung des Lenkritzels 10 ein Überlastschutzbereich 10.3 an, der eine Überlastschutzform aufweist.
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Auf der Seite des Überlastschutzbereiches 10.4 des Lenkritzels 10 wird in einem Zusammenbauzustand ein nicht dargestellter Drehstab in einer Bohrung 12 eingepresst, so dass zwischen Drehstab und der Seitenwandung 12E-1 der Bohrung 12 eine form- und reibschlüssige Verbindung hergestellt ist. Der Drehstab überträgt eine Lenkbewegung von einem nicht dargestellten Lenkrad, welches mit dem Drehstab in Wirkverbindung steht, auf das Lenkritzel 10, welches über den Verzahnungsbereich 10.4 beispielsweise mit einer Zahnstange in Verbindung steht.
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Es wird deutlich, dass die feste Verbindung zwischen Drehstab und Bohrung 12 nach dem Drehstabfügen, mithin dem Einpressen des Drehstabes in die Bohrung 12, von besonderer Bedeutung ist.
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Derzeit wird wie folgt vorgegangen: Die Bohrung 12 wird zunächst mit einer Vorkontur 12V mechanisch (im so genannten Weichzustand) in das Lenkritzel 10 eingebracht. Anschließend wird das Lenkritzel 10 insgesamt gehärtet, wobei zumeist das Induktionshärten oder das Einsatzhärten eingesetzt wird, um insbesondere die Verzahnung des Verzahnungsbereiches 10.4 zu härten. Bei dem Induktionshärten bleibt das Materialgefüge, welches die Vorkontur 12V der Bohrung 12 umgibt, weich, während das Materialgefüge im Randbereich des Lenkritzels 10 gehärtet wird. Anschließend wird die Vorkontur 12V durch einen weiteren mechanischen Schritt mechanisch nachbearbeitet, so dass Material um ein vorgebbares Aufmaß A mechanisch abgetragen wird. Nach diesem Abtrag von Material ist schließlich die Endkontur 12E der Bohrung 12 ausgebildet. Die finale mechanische Bearbeitung erfolgt durch Spindeln oder Reiben, wobei die Bearbeitung berücksichtigt, ob sich das Materialgefüge, welches die Bohrung 12 umgibt, im so genannten Weichzustand oder im so genannten Hartzustand befindet.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Oberflächengüte bei dieser Vorgehensweise schwankt, so dass nach einer Lösung gesucht wird, um diese Schwankungen hinsichtlich der Oberflächengüte zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorkontur 12V der Bohrung 12 in einer ersten Ausführungsvariante weiterhin mechanisch gefertigt wird.
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In einer zweiten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Vorkontur 12V der Bohrung 12 durch elektrochemische Bearbeitung ausgebildet wird.
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An einer dieser beiden Varianten schließt sich, wie bisher, das Härten des Lenkritzels 10 an, so dass zur Endbearbeitung, das heißt zur Herstellung der Endkontur 12E der Bohrung 12 je nach Verwendung des Verfahrens zur Härtung des Lenkritzels 10, eine weiche Vorkontur 12V (Induktionshärten) oder eine harte Vorkontur 12V (Einsatzhärten) der Bohrung 12 vorliegt.
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Bei beiden Ausführungsvarianten ist es möglich, die Endkontur 12E durch elektrochemische Bearbeitung (ECM) oder durch die gepulste elektrochemische Bearbeitung (PECM) auszubilden, wie in den 2 und 3 in einer Zusammenschau gezeigt wird.
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In 2 ist ein Schnitt durch die obere Hälfte des zylindrisch ausgeführten Lenkritzels 10 gelegt, so dass gegenüber dem nicht gehärteten Korpus 10.5 des Lenkritzels 10 der durch Induktionshärten gehärtete Randbereich der Verzahnung im Verzahnungsbereich 10.4, der im gezeigten Ausführungsbeispiel induktiv gehärtet ist, sichtbar wird, wobei ferner deutlich wird, dass die Vorkontur 12V der Bohrung 12 im ersten Lagerbereich 10.1 des Lenkritzels 10 ausgebildet ist.
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Die Bohrung 12 schließt sich an eine Öffnung der Überlastform des Lenkritzels 10 an, wobei die Öffnung von einem Kragen als Überlastform umgeben wird, der in axialer Richtung gesehen den Überlastschutzbereich 10.3 bildet.
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In 2 ist das vorgesehene Aufmaß A angetragen, welches den Materialbereich verdeutlicht, der durch elektrochemische Bearbeitung (ECM) oder durch die gepulste elektrochemische Bearbeitung (PECM) abgetragen werden soll, so dass aus der Vorkontur 12V die Endkontur 12E der Bohrung 12 ausbildbar ist. In 2 ist somit die Seitenwand 12V-1 der Vorkontur 12V dargestellt.
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In 3 ist das Prinzip des Verfahrensschrittes zur Herstellung der Endkontur 12E der Bohrung 12 verdeutlicht.
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Zur elektrochemischen Bearbeitung (ECM oder PECM) wird eine als Werkzeug dienende Kathode
K und das Lenkritzel
10 relativ zueinander verschoben, so dass sich innerhalb der Vorkontur
12V der Bohrung
12 die Geometrie der Kathode
K abbildet. Dazu wird zwischen der Kathode
K dem Lenkritzel
10 eine elektrische Spannung angelegt, wobei das Lenkritzel
10 als Anode fungiert. Für die Bearbeitung wird, wie nur beispielsweise in der Druckschrift
DE 10 2006 046 765 A1 erläutert ist, ein vorhandener Spalt, vorzugsweise kleiner als 1mm, zwischen Kathode und Lenkritzel
10 mit einer Elektrolytlösung gespült. Der Werkstoffabtrag an der Vorkontur
12V der Bohrung
12 erfolgt somit elektrochemisch und der aufgelöste Werkstoff wird als Metallhydroxid von der Elektrolytlösung aus der Bearbeitungszone herausgespült.
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Insbesondere das PECM-Verfahren weist eine weitaus geringere Spaltbreite zwischen Kathode und Lenkritzel 10 auf, vorzugsweise eine Spaltbreite von 0,01 bis 0,2mm, und besitzt deshalb eine wesentlich höhere Bearbeitungsgenauigkeit (höhere Abbildungstreue der Kathodengeometrie) als das ECM-Verfahren, weshalb das PECM-Verfahren eine bevorzugte Ausführungsvariante darstellt. Charakteristisch für das PECM-Verfahren ist, dass der Bearbeitungsstrom nicht permanent anliegt wie beim ECM-Verfahren, sondern als gepulster Strom zugeführt wird. Das Verfahren der elektrochemischen Bearbeitung zeichnet sich weiterhin durch schnelle Prozesszeiten und hohe Prozessstabilität aus.
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Zudem hat sich herausgestellt, dass beim Abtrag des Materials eine mechanische Oszillationsbewegung zwischen Kathode K und Lenkritzel 10 von Vorteil ist, da dabei die Elektrolytlösung in ausreichender Weise ausgetauscht wird.
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Der Vorteil der elektrochemischen Bearbeitung (ECM oder PECM) besteht insbesondere darin, dass die Bearbeitung unabhängig vom Gefügezustand (weich/hart) des abzutragenden Materials ist.
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Hinzu kommt, dass das Lenkritzel 10 nach dem Härten nicht noch einmal thermisch oder mechanisch beansprucht wird, weshalb in dem Lenkritzel 10 auch keine Eigenspannungen erzeugt werden.
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Der Verfahrensschritt zur Herstellung der Endkontur 12E der Bohrung 12 findet kontaktfrei zum Bearbeitungswerkzeug (Kathode) statt, wobei sich insbesondere eine Oberflächenqualität der Seitenwand 12E-1 der Endkontur 12E mit einer Oberflächengüte von Rz </= 5 µm (Rz = gemittelte Rautiefe oder Mittelwert aus den gemessenen Rautiefen) erreichen lässt. Es werden in vorteilhafter Weise bearbeitungsbedingte Riefen und Grate, die bei herkömmlicher Vorgehensweise entstehen können, vermieden.
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Darüber hinaus lässt sich nicht nur eine gegenüber den herkömmlichen Verfahren verbesserte Oberflächengüte von Rz </= 5 µm erzielen, sondern die verbesserte Oberflächengüte von Rz </= 5 µm ist reproduzierbar und weist im Wesentlichen keine Schwankungsbreite hinsichtlich der Oberflächengüte auf, wobei insbesondere optisch mikroskopisch keine Strukturunterschiede erkennbar sind, worin ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise besteht.
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Die Oberflächengüte von Rz </= 5 µm wird insbesondere dann im unteren Bereich der erzeugbaren Oberflächengüte erreicht, wenn die elektrochemische Bearbeitung (ECM oder PECM) bei einem harten Gefügezustand des abzutragenden Materials durchgeführt wird.
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Schließlich liegt ein Vorteil noch darin, dass das Bearbeitungswerkzeug (Kathode) nahezu verschleißfrei ist.
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Außerdem werden geringe Prozesszeiten benötigt. Bei einer Tiefe der Bohrung von beispielsweise 18 mm und einer Vorschubgeschwindigkeit von beispielsweise 4 mm/s ergibt sich für den letzten Verfahrensschritt eine Taktzeit von 4 bis 5 s.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lenkritzel
- 10.1
- erster Lagerbereich
- 10.2
- zweiter Lagerbereich
- 10.3
- Überlastschutzbereich
- 10.4
- Verzahnungsbereich
- 10.5
- Korpus
- 12
- Bohrung
- 12V
- Vorkontur
- 12V-1
- Seitenwand der Vorkontur
- 12E
- Endkontur
- 12E-1
- Seitenwand der Endkontur
- K
- Kathode
- A
- Aufmaß
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006046765 A1 [0002, 0039]
- DE 102010032326 A1 [0004]
