DE102019125839A1 - Verfahren zum Herstellen einer wasserhydraulischen Maschine - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer wasserhydraulischen Maschine mit einem ersten Element (1) und einem zweiten Element (2) in gleitendem Kontakt mit einer Kontaktfläche (3) des ersten Elements (1) wird beschrieben, wobei das zweite Element (2) eine Oberfläche aus einem reibungsverminderten Kunststoffmaterial aufweist und die Kontaktfläche (3) eine metallische Fläche ist.Die Maschine sollte ein niedriges Risiko von Beschädigungen haben.Zu diesem Zweck weist das Verfahren die Schritte auf:- Verwenden eines ersten Elements (1), das einen ersten Teil (4) mit der Kontaktfläche (3) und einen zweiten Teil (5) aufweist,- Verwenden eines Hochtemperatur-Härtungsverfahrens bei einer Temperatur von mindestens 1000°C, um eine tiefe Oberflächenhärtung der Kontaktfläche (3) des ersten Teils (4) zu erreichen,- Bearbeiten des ersten Teils (4) zu der gewünschten Geometrie- Zusammensetzen des ersten Teils (4) und des zweiten Teils (5), um das erste Element zu bilden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer wasserhydraulischen Maschine mit einem ersten Element und einem zweiten Element in gleitendem Kontakt mit einer Kontaktfläche des ersten Elements, wobei das zweite Element eine Oberfläche aus reibungsverminderndem Kunststoffmaterial aufweist und die Kontaktfläche eine metallische Oberfläche ist.
  • Eine wasserhydraulische Maschine verwendet Wasser als Hydraulikflüssigkeit. Wasser hat den Vorteil, dass es umweltfreundlich ist. Wasser hat jedoch den Nachteil, dass es die relativ zueinander gleitenden Oberflächen nicht schmiert. Es ist daher bekannt, in einer der Kontaktflächen ein reibungsverminderndes Kunststoffmaterial zu verwenden. Ein solches reibungsverminderndes Kunststoffmaterial kann zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK) sein. Wenn jedoch eine derartige Kunststoffoberfläche Partikeln oberhalb einer gewissen kritischen Größe ausgesetzt ist, typischerweise Sand oder Kieselsäure, werden große Stücke aus der Metalloberfläche herausgerissen, die dann teilweise in das Kunststoffmaterial eingebettet werden. Der hervorstehende Teil der teilweise eingebetteten Metallstücke beginnt dann zu verschleißen und an der Metallkontaktfläche zu kratzen. Dies kann zu steigenden inneren Leckagen und einer Verringerung des volumetrischen Wirkungsgrades, zu erhöhtem Verschleiß der metallischen Kontaktfläche, der die Lebensdauer verringert, und zu einer erhöhten Reibung führen, was wiederum eine Verringerung des mechanischen Wirkungsgrads zur Folge hat.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine mit geringem Risiko von Beschädigungen herzustellen.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Verfahren die Schritte aufweist:
    • - Verwenden eines ersten Elements, das einen ersten Teil mit der Kontaktfläche und einen zweiten Teil aufweist,
    • - Verwenden eines Hochtemperatur-Härteverfahrens bei einer Temperatur von mindestens 1000°C, um eine tiefe Oberflächenhärtung der Kontaktfläche des ersten Teils zu erreichen,
    • - Bearbeiten des ersten Teils auf die gewünschte Geometrie,
    • - Zusammenfügen des ersten Teils und des zweiten Teils zum ersten Element.
  • Die Verwendung eines Hochtemperatur-Härteverfahrens ergibt eine relativ harte Kontaktfläche, um Beschädigungen durch Partikel mit einer bestimmten kritischen Größe zu widerstehen. Die Verwendung eines Hochtemperatur-Härteverfahrens hat jedoch den Nachteil, dass der gehärtete Teil verformt wird, was für jede hydraulische Maschine nachteilig ist. Dieser Nachteil wird überwunden, indem der erste Teil auf die gewünschte Geometrie bearbeitet und der erste Teil und der zweite Teil zu einem ersten Element zusammengesetzt werden. Das erste Element hat dann eine Kontaktfläche von beträchtlicher Härte und die gewünschte Geometrie.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Hochtemperatur-Härteprozess in Gegenwart von Stickstoff durchgeführt. Dies bietet die Möglichkeit, dass Stickstoff bis zu einer Tiefe von 1 bis 2 mm in die Kontaktfläche diffundiert und die Oberfläche eine Härte von bis zu 400 HV (Vickers Härte) aufweist. Die Bearbeitung reduziert die Dicke der gehärteten Schicht. Der Rest des ersten Elements ist jedoch immer noch hart, um in hohem Maße Beschädigungen, die durch Sand oder Kieselsäurepartikel verursacht werden, zu widerstehen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Niedertemperatur-Härteverfahren bei einer Temperatur von 550°C oder weniger verwendet, um eine endgültige superharte Kontaktoberfläche des ersten Teils zu erhalten. Wenn die Kontaktfläche durch die Bearbeitung des ersten Teils die gewünschte Härte verloren hat oder die gewünschte Härte unter einen vorbestimmten Schwellenwert abgesenkt wird, kann das Niedertemperatur-Härteverfahren verwendet werden, um eine endgültige superharte Oberfläche zu erhalten, z.B. 1000 HV oder mehr und eine Oberflächenschicht von etwa 100 µm. Dies ist für eine wasserhydraulische Maschine ausreichend.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Kontaktfläche poliert. Ein Polieren wird verwendet, um die erforderlichen Ebenheitstoleranzen zu erreichen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der erste Teil so gewählt, dass er eine geringere Dicke als der zweite Teil hat. Je geringer die Dicke ist, desto geringer ist das Risiko einer Verformung des zweiten Teils.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Dicke des ersten Teils gleich oder kleiner als 10 mm. Diese Dicke ist ausreichend, um den ersten Teil zu bilden. Die Gefahr der Verformung ist jedoch beherrschbar.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der erste Teil symmetrisch in Bezug auf eine Achse gewählt, die sich in der Kontaktfläche befindet. Wenn der erste Teil ein symmetrisches Teil ist, kann die Verformung kleingehalten werden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der erste Teil symmetrisch in Beug auf eine zweite Achse gewählt, die sich in der Kontaktfläche befindet und orthogonal zu der ersten Achse ist. Auch hier verringert die Symmetrie die Verformung.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der erste Teil aus rostfreiem Stahl gewählt. Rostfreier Stahl ist bevorzugt, wenn Wasser als Hydraulikflüssigkeit verwendet wird.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der erste Teil aus Duplex Stahl oder Super Duplex Stahl oder 316er Stahl gewählt. Sogar der 316er Stahl kann verwendet werden, da er durch das Verfahren gehärtet wird.
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt:
    • Einzige Figur: ein schematisches Flussdiagramm des Verfahrens.
  • Die Fig. zeigt schematisch Elemente einer wasserhydraulischen Maschine, genauer gesagt ein erstes Element 1 in Form einer Taumelscheibe und ein zweites Element 2 in Form eines Gleitschuhs. Die Erfindung kann jedoch in Verbindung mit anderen Paarungen von Elementen, z.B. Zylindertrommel und Ventilplatte, verwendet werden. Das erste Element weist eine metallische Kontaktfläche 3 auf. Das zweite Element 2 steht in gleitendem Kontakt mit der Kontaktfläche 3. Um Wasser als Hydraulikflüssigkeit verwenden zu können, ist das zweite Element 2 zumindest auf der der Kontaktfläche 3 zugewandten Seite mit einer Beschichtung aus einem reibungsverminderten Kunststoff, z.B. Polyetheretherketon (PEEK) versehen.
  • Um das Risiko von Beschädigungen der Kontaktfläche 3 kleinzuhalten, ist es wünschenswert, die Kontaktfläche 3 so hart wie möglich zu machen.
  • Zu diesem Zweck ist das erste Element 1 so konzipiert, dass es zwei Teile aufweist, nämlich einen ersten Teil 4 mit der Kontaktfläche 3 und einen zweiten Teil 5.
  • Der erste Teil 4 ist zumindest in Bezug auf eine erste Symmetrieachse, die sich in der Kontaktfläche befindet, symmetrisch. Es ist jedoch vorzuziehen, dass der erste Teil 4 symmetrisch in Bezug auf eine zweite Symmetrieachse ist, die ebenfalls in der Kontaktfläche liegt und orthogonal zur ersten Symmetrieachse ist.
  • Außerdem wird der erste Teil 4 so gewählt, dass er eine geringere Dicke aufweist als der zweite Teil 5. Die Dicke des ersten Teils 4 ist gleich oder kleiner als 10 mm.
  • Nur der erste Teil 4 wird einem Härteprozess bei einer Temperatur von mindestens 1000°C und vorzugsweise in Gegenwart von Stickstoff unterzogen. Ein derartiger Härteprozess wird in EP 2 841 617 B1 beschrieben. Dieses Verfahren wird mit „Hochtemperatur-Härtungsverfahren“ 6 abgekürzt.
  • Während dieses Hochtemperatur-Härtungsverfahrens 6 verformt sich der erste Teil 4. Allerdings ist die Verformung aufgrund der Symmetrie gering.
  • In einem Bearbeitungsschritt 7 wird der erste Teil 4 auf die gewünschte Geometrie bearbeitet. Das bedeutet, dass ein Teil der gehärteten Oberflächenschicht des ersten Teils 4 entfernt wird.
  • In einem anschließenden Niedertemperatur-Härtungsverfahren 8 wird der erste Teil 4 mit einer superharten Oberflächenschicht versehen. Die Niedertemperatur-Härtung wird bei einem Temperaturbereich von 450°C bis 550°C durchgeführt. Die superharte Oberflächenschicht hat eine Dicke von ungefähr 100 µm und eine Härte von 1000 HV (Vickers Härte) oder mehr.
  • Das Niedertemperatur-Härtungsverfahren 8 wiederum führt zu einer Verformung des ersten Teils 4. Die Verformung ist jedoch kleiner als die durch das Hochtemperatur-Härtungsverfahren 6 verursachte Verformung.
  • Nach dem Niedertemperatur-Härtungsverfahren 8 wird der erste Teil 4 in einem Polierschritt 9 poliert. Im Polierschritt 9 wird der erste Teil 4 auf die erforderlichen Ebenheitstoleranzen poliert. Aufgrund der geringen Verformungen ist das Polieren ausreichend, um die gewünschte Geometrie zu erreichen.
  • Nach dem Polierschritt 9 werden der erste Teil 4 und der zweite Teil 5, z.B. durch Schrauben oder Kleben, zusammengeführt. Es ist möglich, andere Montagetechniken zu verwenden. Darüber hinaus ist es in einigen Fällen nicht notwendig, die beiden Teile miteinander zu verbinden, z.B. wenn ein Druck oder eine Kraft, die durch Federmittel auf eines der beiden Teile ausgeübt wird, ausreicht, um die beiden Teile zusammenzuhalten. In diesem Fall kann es notwendig sein, etwas zu verwenden, um die beiden Teile auszurichten.
  • Erreicht wird ein Endprodukt, d.h. das erste Element 1, das eine exakte Geometrie und eine hohe Oberflächenhärte mit einer Dicke der gehärteten Oberfläche von ca. 50 µm aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2841617 B1 [0021]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen einer wasserhydraulischen Maschine mit einem ersten Element (1) und einem zweiten Element (2) in gleitendem Kontakt mit einer Kontaktfläche (3) des ersten Elements (1), wobei das zweite Element (2) eine Oberfläche aus einem reibungsverminderten Kunststoffmaterial aufweist und die Kontaktfläche (3) eine metallische Oberfläche ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: - Verwenden eines ersten Elements (1), das einen ersten Teil (4) mit der Kontaktfläche (3) und einen zweiten Teil (5) aufweist, - Verwenden eines Hochtemperatur-Härtungsverfahrens bei einer Temperatur von mindestens 1000°C, um eine tiefe Oberflächenhärtung der Kontaktfläche (3) des ersten Teils (4) zu geben, - Bearbeiten des ersten Teils (4) zu der gewünschten Geometrie, - Zusammensetzen des ersten Teils (4) und des zweiten Teils (5), um das erste Element zu bilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperatur-Härtungsverfahren in der Anwesenheit von Stickstoff durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niedertemperatur-Härtungsverfahren bei einer Temperatur von 550°C oder weniger verwendet wird, um eine endgültige super harte Kontaktfläche (3) des ersten Teils (4) zu erreichen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Kontaktfläche (3) poliert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (4) so gewählt wird, dass er eine geringere Dicke als der zweite Teil (5) aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des ersten Teils (4) gleich oder kleiner als 10 mm ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (4) so gewählt wird, dass er symmetrisch in Bezug auf eine in der Kontaktfläche (3) liegende Achse ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil so gewählt wird, dass er symmetrisch im Hinblick auf eine zweite Achse ist, die sich in der Kontaktfläche (3) befindet und orthogonal zur ersten Achse ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (4) aus rostfreiem Stahl gewählt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (4) aus Duplex Stahl oder Super Duplex Stahl oder 316er Stahl gewählt ist.
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