DE102019115294A1 - Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verzahnung oder Profilierung versehenen Werkstücks - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verzahnung (1) oder Profilierung versehenen Werkstücks (2), welches die Abfolge der Schritte aufweist: a) Weichbearbeitung des Werkstücks (2), bei der die Verzahnung (1) oder die Profilierung hergestellt wird; b) Härten der hergestellten Verzahnung (1) oder Profilierung; c) Hartfeinbearbeitung der Verzahnung (1) oder Profilierung, wobei die Verzahnung (1) oder Profilierung mit einem ersten Werkzeug in Form einer Schleifschnecke, einer Schleifscheibe oder eines Honrades bearbeitet wird, wobei das Werkzeug einen Grundkörper aufweist, der einen ersten Elastizitätsmodul (E1) hat; d) Verfestigen zumindest eines Abschnitts des Werkstücks (2) durch Durchführung eines Strahlprozesses. Um die Herstellung zu verbessern und Werkstücke hohe Festigkeit und hinreichende Genauigkeit zu produzieren, sieht die Erfindung vor, dass im Anschluss an Schritt d) der Schritt durchgeführt wird: e) Nochmalige Hartfeinbearbeitung der Verzahnung (1) oder Profilierung, wobei die Verzahnung (1) oder Profilierung mit einem zweiten Werkzeug (3) in Form einer Schleifschnecke, einer Schleifscheibe oder eines Honrades bearbeitet wird, wobei das zweite Werkzeug (3) einen Grundkörper (4) aufweist, der einen zweiten Elastizitätsmodul (E2) hat, der höchstens 33 % des ersten Elastizitätsmoduls (E1) beträgt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verzahnung oder Profilierung versehenen Werkstücks, welches die Abfolge der Schritte aufweist:
- a) Weichbearbeitung des Werkstücks, bei der die Verzahnung oder die Profilierung hergestellt wird;
- b) Härten der hergestellten Verzahnung oder Profilierung;
- c) Hartfeinbearbeitung der Verzahnung oder Profilierung, wobei die Verzahnung oder Profilierung mit einem ersten Werkzeug in Form einer Schleifschnecke, einer Schleifscheibe oder eines Honrades bearbeitet wird, wobei das Werkzeug einen Grundkörper aufweist, der einen ersten Elastizitätsmodul hat,
- d) Verfestigen zumindest eines Abschnitts des Werkstücks durch Durchführung eines Strahlprozesses.
- Das genannte Verfahren wird typischerweise als Prozesskette bei der Herstellung von Verzahnungen oder Profilen eingesetzt. Es beinhaltet die zumeist vorgesehene Weichbearbeitung der Verzahnung, an die sich eine Wärmebehandlung anschließt, die die Oberfläche der Zahnflanken härtet. Hieran schließt sich die Hartfeinbearbeitung an.
- Bei der Weichbearbeitung werden die Werkstücke, beispielsweise durch Fräsen, Stößen oder Schälen, vorverzahnt. Nach der Wärmebehandlung, insbesondere in Form des Einsatzhärtens, des Vergütens und des Induktionshärtens, müssen die Werkstücke nachbearbeitet werden, da sie insbesondere aufgrund des Restaufmaßes, aufgrund von Härteverzügen oder infolge einer Randschichtoxidierung, noch keine hinreichende Verzahnungs- bzw. Oberflächenqualität aufweisen. Die Hartbearbeitung erfolgt zumeist in Form einer abrasiven Bearbeitung, wobei insbesondere auf das Schleifen, das Honen oder das sog. Coronieren hingewiesen sei. Oft ist mit der Durchführung der Hartfeinbearbeitung die Prozesskette abgeschlossen, wobei die Werkstücke dann eine hinreichende Verzahnungs- bzw. Oberflächenqualität aufweisen.
- Werden die geforderten Verzahnungs- bzw. Oberflächenqualitäten mit diesem Verfahren nicht erreicht, können zusätzliche Verfahren wie das Polierschleifen, das Gleitschleifen oder das Schleppschleifen eingesetzt werden. Dieser Prozessschritt schließt sich an die Hartfeinbearbeitung an.
- Um die Tragfähigkeit des Fuß- bzw. Flankenbereiches der Verzahnung oder des Profils zu erhöhen, wird die Prozesskette häufig durch einen Verfahrensschritt zur Verfestigung ergänzt. Nach der Erzeugung der Fertiggeometrie durch Schleifen, Honen etc. werden die Werkstücke in diesem Falle dann mittels Verfestigungsstrahlen (z. B. Kugelstrahlen) behandelt.
- In vorteilhafter Weise wird somit die Festigkeit der Verzahnung bzw. des Profils erhöht. Nachteilig ist allerdings, dass mitunter nach der Verfestigungsbehandlung die Oberflächenqualität der Verzahnung bzw. des Profils nicht mehr der gewünschten Qualität entspricht. Dies kann eine weitere Behandlung des Werkstücks erforderlich machen.
- Das Schleifen oder Honen kommt an dieser Stelle nicht in Frage, da das Abtragen eines (weiteren) Aufmaßes von der Verzahnungsflanke das verfestigte Material zerspant und somit abträgt und so den Verfestigungseffekt wieder eliminiert. Um die vorliegende Oberflächenqualität zu verbessern, müssen die Flanken also mit einem sehr kleinen Abtrag bearbeitet werden, da ansonsten der Verfestigungseffekt vom Werkstück wieder teilweise oder vollständig abgetragen wird. Verwendet man dafür das Schleifen oder Honen, müssen die entsprechenden Werkzeuge sehr genau in der Verzahnungslücke positioniert bzw. ausgerichtet werden. Die Werkstücke haben zwar eine Fertiggeometrie, die geometrischen Parameter schwanken jedoch innerhalb eines Toleranzbandes. Zusätzlich kann auch der Ausrichtprozess nur mit einer beschränkten Genauigkeit (bezüglich der Symmetrie) durchgeführt werden. Das bedeutet, dass das abzuschleifende Aufmaß mindestens so groß sein muss wie die Summe aller Fehler beim Ausrichten, um die geforderte Geometrie zuverlässig zu erzeugen. In der Praxis führt das nachteilig zu einem erhöhten Abtrag und zur Eliminierung der gewünschten verfestigten Schicht.
- Daher wird in diesem Falle zumeist das Gleitschleifen eingesetzt, bei dem die so behandelte Oberfläche nur noch einen Abtrag im Rauheitsbereich ohne eine Veränderung der Gesamtgeometrie erfährt. Dieses Verfahren kann gegebenenfalls auch mit chemischer Unterstützung erfolgen.
- Mitunter führt allerdings auch dieses Verfahren nicht zum gewünschten Ergebnis bzw. es hat entsprechend hohe Prozesskosten zur Folge.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren so weiterzubilden, dass die Herstellung eines Werkstücks mit einer Verzahnung bzw. mit einem Profil weiter verbessert werden kann, wobei das Werkstück sowohl eine hohe Festigkeit als auch hinreichende Genauigkeit aufweisen soll. Das Verfahren soll darüber hinaus auch wirtschaftlich arbeiten.
- Die Lös u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung sieht vor, dass im Anschluss an obigen Schritt d) der Schritt durchgeführt wird:
- e) Nochmalige Hartfeinbearbeitung der Verzahnung oder Profilierung, wobei die Verzahnung oder Profilierung mit einem zweiten Werkzeug in Form einer Schleifschnecke, einer Schleifscheibe oder eines Honrades bearbeitet wird, wobei das zweite Werkzeug einen Grundkörper aufweist, der einen zweiten Elastizitätsmodul hat, der höchstens 33 %, vorzugsweise höchstens 25 %, des ersten Elastizitätsmoduls beträgt.
- Bevorzugt beträgt der zweite Elastizitätsmodul sogar höchstens 10 % des ersten Elastizitätsmoduls, besonders bevorzugt höchstens 5 % des ersten Elastizitätsmoduls.
- Das gemäß obigem Schritt c) verwendete erste Werkzeug weist bevorzugt einen Grundkörper aus Stahl oder einen solchen aus Keramik-Material mit eingelagertem Korund auf.
- Das gemäß obigem Schritt c) verwendete erste Werkzeug ist nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Schleifschnecke, die gemäß der zu bearbeitenden Verzahnung oder Profilierung profiliert oder abgerichtet ist.
- Eine andere Lösung sieht vor, dass das gemäß obigem Schritt c) verwendete erste Werkzeug eine aus Stahl bestehende Schleifscheibe oder ein Schleifscheibensatz ist, die oder der mit abrasivem Material belegt ist.
- Das gemäß obigem Schritt e) verwendete zweite Werkzeug weist bevorzugt einen Grundkörper aus einem Kunststoff oder aus Gummi auf, insbesondere einen solchen aus Polyurethan.
- Das gemäß obigem Schritt e) verwendete zweite Werkzeug weist besonders bevorzugt einen Grundkörper auf, in den abrasives Material eingelagert ist und der gemäß der zu bearbeitenden Verzahnung oder Profilierung ausgeformt ist. In diesem Falle ist bevorzugt das zweite Werkzeug als Schleifschnecke oder als Schleifscheibe oder Schleifscheibensatz ausgebildet.
- Der gemäß obigem Schritt d) durchgeführte Strahlprozess ist bevorzugt ein Kugelstrahlprozess, insbesondere unter Verwendung von Metallkugeln oder Glaskugeln.
- Nach obigem Schritt d) und vor obigem Schritt e) kann das Werkstück gereinigt, insbesondere gewaschen, werden.
- Das vorgeschlagene Verfahren stellt somit eine Prozesskette insbesondere zur Zahnflankenbearbeitung mit hoher Oberflächenqualität bereit. Die Prozesskette umfasst insbesondere für die Hartfeinbearbeitung der Zahnflanken einer Verzahnung mit hoher Oberflächenqualität das dem üblichen Verzahnungsschleifen (bzw. Verzahnungshonen) und dem Verfestigungsstrahlen nachgelagerte Polierschleifen mit einem Werkzeug, dessen Grundkörper relativ weich und somit nachgiebig ist.
- Mit der vorgeschlagenen Vorgehensweise ist eine neuartige Prozesskette bereitgestellt, wobei das Gleitschleifen entbehrlich wird; dieser Prozessschritt wird vielmehr durch ein Polierschleifverfahren mit einem schleifähnlichen Werkzeug (insbesondere mit einer Schleifschnecke oder einer Schleifscheibe) durchgeführt, wobei besagtes Werkzeug eine Basis bzw. einen Grundkörper aus relativ elastischem Material aufweist, wobei insbesondere an Polyurethan, an ein Material, welches Polyurethan aufweist oder an Gummi gedacht ist.
- Der Einsatz eines solchen (zweiten) Werkzeugs, welches als Polierwerkzeug fungiert und welches relativ elastisch ausgeführt ist, hat folgende Vorteile zur Folge:
- Die Bearbeitung mit einem solchen Werkzeug erfolgt durch die (innere) Vorspannung des Werkzeuges in der Verzahnungs-Lücke. Dies ermöglicht es, alle möglicherweise noch vorhandenen Fehler der Werkstückgeometrie oder des Ausrichtprozesses dank des flexiblen Werkzeugkörpers auszugleichen.
- Das abzuschleifende Aufmaß liegt nur noch im Bereich der Oberflächenqualität. Somit ist sichergestellt, dass die verfestigte Materialschicht auf der Zahnflanke nicht beschädigt wird bzw. auf dieser verbleibt.
- Die Werkstücke gehen nach der Verfestigungsbehandlung entweder direkt zur Polierschleifbearbeitung (mit dem zweiten Werkzeug) oder werden erst noch gewaschen bzw. gereinigt. Die Polierschleifbearbeitung (mittels des zweiten Werkzeugs) erfolgt bevorzugt entweder mittels einer Wälzschnecke mit elastischer Bindung oder mittels einer Profilscheibe bzw. einem Profilscheibensatz mit elastischer Bindung.
- Die Bearbeitung (gemäß obigem Schritt c) und e)) kann auch mit einem kombinierten Werkzeug erfolgen, wobei mindestens ein Bereich bzw. ein Teil des Werkzeugs die elastische Bindung hat; es handelt sich dann also um ein Kombinationswerkzeug, mit dem zunächst die Hartfeinbearbeitung gemäß obigem Schritt c) und nachfolgend das Polierschleifen gemäß obigem Schritt e) durchgeführt werden kann, wobei jeweils unterschiedliche Abschnitte des Werkzeugs zum Einsatz kommen.
- Der E-Modul, auf den bei der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, ist als solcher hinlänglich bekannt, so dass er hier nicht weiter beschrieben werden muss. Er ist ein Materialkennwert, der bei linear-elastischem Verhalten den proportionalen Zusammenhang zwischen aufgebrachter Spannung und erzielte Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers beschreibt. Er wird in N/m2 bzw. in N/mm2 angegeben.
- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
-
1 in perspektivischer Darstellung ein zu bearbeitendes Werkstück in Form eines Zahnrad, welches mit einem schneckenförmigen Werkzeug poliergeschliffen wird, und -
2 ein Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren. - In
1 ist ein Teilschritt des vorgeschlagenen Fertigungsprozesses zur Herstellung eines Werkstücks2 in Form eines Zahnrads skizziert; das Werkstück2 weist eine Verzahnung1 auf, die mit hoher geometrischer Präzision und hoher Oberflächenqualität zu fertigen ist. - Dargestellt ist der Schritt des Polierschleifens mittels eines Werkzeugs
3 in Form einer Schleifschnecke. Die Schleifschnecke3 weist einen Grundkörper4 auf, der im Ausführungsbeispiel aus Polyurethan besteht. In das Material des Grundkörpers4 sind Abrasivpartikel eingelagert, so dass sich an der Oberfläche der Schleifschnecke3 abrasive Flächen5 bilden, die zum spanenden Bearbeiten der Verzahnung1 dienen. - Der gesamte Fertigungsvorgang des Werkstücks
2 ergibt sich aus2 . - Hiernach ist zunächst die Weichbearbeitung vorgesehen, bei der in einen metallischen Grundkörper die Verzahnung
1 eingearbeitet wird. Dies kann beispielsweise durch Wälzfräsen erfolgen. - An die Weichbearbeitung schließt sich die Wärmebehandlung an, mit der die Zahnflanken gehärtet werden.
- Ist das Werkstück
2 gehärtet, ist der nächste Bearbeitungsschritt die Hartfeinbearbeitung, wobei in2 drei alternative Möglichkeiten genannt sind, nämlich das Wälzschleifen, das Profilschleifen und das Verzahnungshonen. Wird das Wälzschleifen mit einer Schleifschnecke vorgesehen, ergibt sich hierbei dieselbe Situation, wie sie in1 dargestellt ist, wobei allerdings ein weitgehend starres Werkzeug3 eingesetzt wird, welches beim Auftreten der Kräfte während des Schleifen praktisch keine Verformungen erfährt. Hierzu wird als Schleifschnecke beispielsweise ein aus Keramik bestehender Grundkörper4 eingesetzt, in den Korund-Körner eingelagert sind, wobei die Schleifschnecke durch einen Abrichtvorgang mit den benötigten abrasiven Flächen5 versehen wird. Genauso ist auch der Einsatz eines Stahlgrundkörper-Werkzeugs möglich, der an der Oberfläche mit Abrasivmaterial beschichtet wird, um die abrasiven Flächen5 bereitzustellen. - Aus
2 ergibt sich weiterhin, dass nach dem Hartfeinbearbeiten ein Verfestigungsstrahlen erfolgt. Hierbei werden Bereiche des Werkstücks bzw. der Verzahnung durch Kugelstrahlen verfestigt. Hierbei werden die zu verfestigenden Bereiche mit Kugeln beispielsweise aus Gussstahl, Drahtkorn, Keramik oder Glas beschossen, so dass sich die Oberfläche verfestigt. - Im Anschluss an das Verfestigen erfolgt dann das oben bereits beschriebene Polierschleifen, welches im Ausführungsbeispiel mit einer Schleifschnecke
3 durchgeführt wird, was aber beispielsweise auch mit einer Profilschleifscheibe erfolgen kann. - Wesentlich ist bei dieser nochmaligen Hartfeinbearbeitung der Verzahnung
1 , dass das Werkzeug3 , im Ausführungsbeispiel also die Schleifschnecke, einen Grundkörper4 aufweist, dessen E-Modul wesentlich geringer ist als der E-Modul des Grundkörpers des Werkzeugs, mit dem das Wälzschleifen, das Profilschleifen bzw. das Verzahnungszonen nach der Wärmebehandlung erfolgte. - Hiernach wird beispielsweise das Schleifen nach der Wärmebehandlung mit einer Schleifschnecke durchgeführt, die einen Grundkörper aus Keramik-material aufweist, in welches Korundkörner eingelagert sind, wobei der Grundkörper gemäß der benötigten Form abgerichtet und so mit den abrasiven Flächen
5 versehen wurde. Der E-Modul für Keramik mit eingelagertem Korund liegt im Bereich zwischen 18.000 und 32.500 N/mm2. Alternativ kann der Grundkörper auch aus Stahl bestehen und die Flächen5 aufweisen, die mit abrasivem Material beschichtet sind; in diesem Falle liegt der E-Modul bei 210.000 N/mm2. - Demgegenüber wird für das Polierschleifen das in
1 dargestellte Werkzeug3 eingesetzt, dessen Grundkörper4 beispielsweise aus Polyurethan besteht, in welches Abrasivpartikel eingelagert sind. Nach der Profilierung des Werkzeugs3 in der in1 dargestellten Form (beispielsweise durch Vergießen des mit Abrasivpartikeln versetzten Polyurethans in eine entsprechende Form) liegen somit gleichermaßen abrasive Flächen5 vor. Der E-Modul liegt hier beispielsweise bei 3.500 N/mm2. Als Beispiel für ein für die vorliegende Erfindung brauchbares Material sei „ARTIFEX“ der ARTIFEX Dr. Lohmann GmbH & Co. KG, Kaltenkirchen, DE, genannt. - Somit ergibt sich, dass der E-Modul
E1 des ersten Werkzeugs, welches für die Hartfeinbearbeitung nach der Wärmebehandlung zum Einsatz kommt, wesentlich größer ist als der E-ModulE2 des Werkzeugs, welches für das Polierschleifen nach dem Verfestigungsstrahlen eingesetzt wird. Das Verhältnis der E-Moduln beträgt mindestens 3:1, kann jedoch auch noch deutlich größer sein. - Das beim Polierschleifen eingesetzte Werkzeug ist also relativ elastisch und passt sich der vorgefertigten Form der Verzahnung
1 an, ohne relevante Teile des verfestigten Materials abzutragen. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verzahnung (Profilierung)
- 2
- Werkstück
- 3
- Werkzeug
- 4
- Grundkörper
- 5
- abrasive Fläche
- E1
- erster Elastizitätsmodul
- E2
- zweiter Elastizitätsmodul
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verzahnung (1) oder Profilierung versehenen Werkstücks (2), welches die Abfolge der Schritte aufweist: a) Weichbearbeitung des Werkstücks (2), bei der die Verzahnung (1) oder die Profilierung hergestellt wird; b) Härten der hergestellten Verzahnung (1) oder Profilierung; c) Hartfeinbearbeitung der Verzahnung (1) oder Profilierung, wobei die Verzahnung (1) oder Profilierung mit einem ersten Werkzeug in Form einer Schleifschnecke, einer Schleifscheibe oder eines Honrades bearbeitet wird, wobei das Werkzeug einen Grundkörper aufweist, der einen ersten Elastizitätsmodul (E1) hat, d) Verfestigen zumindest eines Abschnitts des Werkstücks (2) durch Durchführung eines Strahlprozesses, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an Schritt d) der Schritt durchgeführt wird: e) Nochmalige Hartfeinbearbeitung der Verzahnung (1) oder Profilierung, wobei die Verzahnung (1) oder Profilierung mit einem zweiten Werkzeug (3) in Form einer Schleifschnecke, einer Schleifscheibe oder eines Honrades bearbeitet wird, wobei das zweite Werkzeug (3) einen Grundkörper (4) aufweist, der einen zweiten Elastizitätsmodul (E2) hat, der höchstens 33 % des ersten Elastizitätsmoduls (E1) beträgt.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Elastizitätsmodul (E2) höchstens 10 % des ersten Elastizitätsmoduls (E1) beträgt, bevorzugt höchstens 5 % des ersten Elastizitätsmoduls (E1). - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Schritt c) vonAnspruch 1 verwendete erste Werkzeug einen Grundkörper aus Stahl oder aus Keramik-Material mit eingelagertem Korund aufweist. - Verfahren nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Schritt c) vonAnspruch 1 verwendete erste Werkzeug eine Schleifschnecke ist, die gemäß der zu bearbeitenden Verzahnung oder Profilierung profiliert oder abgerichtet ist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Schritt c) vonAnspruch 1 verwendete erste Werkzeug eine aus Stahl bestehende Schleifscheibe oder ein Schleifscheibensatz ist, die oder der mit abrasivem Material belegt ist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Schritt e) vonAnspruch 1 verwendete zweite Werkzeug (3) einen Grundkörper (4) aus einem Kunststoff oder aus Gummi aufweist, insbesondere aus Polyurethan. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass das gemäß Schritt e) vonAnspruch 1 verwendete zweite Werkzeug (3) einen Grundkörper (4) aufweist, in den abrasives Material eingelagert ist und der gemäß der zu bearbeitenden Verzahnung oder Profilierung ausgeformt ist. - Verfahren nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkzeug (3) als Schleifschnecke oder als Schleifscheibe oder Schleifscheibensatz ausgebildet ist. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass der gemäß Schritt d) vonAnspruch 1 durchgeführte Strahlprozess ein Kugelstrahlprozess ist, insbesondere unter Verwendung von Metallkugeln oder Glaskugeln. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) und vor Schritt e) vonAnspruch 1 das Werkstück gereinigt, insbesondere gewaschen, wird.
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