DE19652836C1

DE19652836C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Werkstücks mit einem rotationssymmetrischen gehärteten Oberflächenbereich

Info

Publication number: DE19652836C1
Application number: DE19652836A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Koestermeier
Original assignee: Leico GmbH and Co Werkzeugmaschinenbau
Current assignee: Leifeld Metal Spinning GmbH
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: US5972418A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Werkstücks mit einem rotationssymmetrischen gehärteten Oberflächenbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11. Die Härtung von Oberflächenbereichen an metallischen Werk stücken dient der Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Oberflächenbereichen, die erhöhter Beanspruchung ausgesetzt sind.

Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vor richtung sind aus der SU-A-53292 bekannt. Hierin wird vor geschlagen, zwei miteinander kämmende Zahnräder in einen Elektroofen einzuschließen und zu erwärmen. An die Zentren beider Zahnräder wird Strom zugeführt, der eine starke Er wärmung an der Eingriffsstelle der miteinander kämmenden Zahnräder hervorruft. An diese Stelle werden pulverförmiges Graphit oder Stahlspäne zugeführt, um eine geforderte Ober flächenhärte zu erzeugen.

Aus der DE-A-35 03 935 geht ein Verfahren zum Kalthärten einer Oberfläche eines drehenden Bauteils hervor. Bei der Herstellung des Bauteils wird eine von der Oberfläche her vorstehende Materialwulst gebildet. Diese wird derart ge staucht, daß sie mit der Oberfläche des Bauteils bündig ausgebildet ist.

Im Stand der Technik sind weitere zahlreiche Verfahren zur Oberflächenhärtung bekannt, so etwa das Härten in einem Wärmofen, das Nitrierhärten durch Eindiffundieren von Stickstoff oder das Verchromen. Bei allen diesen Verfahren muß die formgebende Bearbeitung des Werkstücks vor dem Härten abgeschlossen sein. Nach dem Härten kann die Werkstückgeometrie kaum noch oder allenfalls unter großem Aufwand verändert werden. Da bei den zuvorgenannten Verfah ren die Gefahr einer unerwünschten geometrischen Verände rung des Werkstücks aufgrund eines Wärmeverzugs oder einer ungleichmäßigen Schichtanlagerung besteht, sind diese Ver fahren zur Herstellung maßgenauer Werkstücke schwer zu handhaben. Schließlich können diese Verfahren nur in spe ziellen Fertigungsvorrichtungen durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen ein rotationssymmetrisches Werkstück mit einem gehärteten Oberflächenbereich bei hoher Maßhaltigkeit möglichst ein fach gefertigt werden kann.

Zum einen wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Ver fahren gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs l gelöst. Die folgenden Verfahrensschritte sind vorgesehen:

- Auftragen eines Trägerfilms mit pulverisierten Legie rungselementen auf den zur härtenden rotationssymmetri schen Oberflächenbereich des Werkstücks,
- Rotieren des Werkstücks um seine Rotationsachse,
- radiales Zustellen und Andrücken mindestens einer Walze an den Trägerfilm auf dem zu härtenden Oberflächenbe reich des Werkstücks, und
- Einwalzen der pulverisierten Legierungselemente des Trä gerfilms in den zu härtenden Oberflächenbereich des Werk stücks unter Einfluß von Wärme, so daß sich die Legie rungselemente in der Oberfläche des Werkstücks einlagern und dessen Härte erhöhen.

Ein rotationssymmetrisches Werkstück, welches vorausgehend spanabhebend oder spanlos geformt wurde, wird zunächst in dem zu härtenden Oberflächenbereich mit einem Trägerfilm aus pulverisierten Legierungselementen versehen, so daß der zu veredelnde Bereich mit den pulverisierten Legierungsele menten bedeckt ist. Es kann so ein gleichmäßiger Auftrag von Legierungselementen an der gesamten Oberfläche oder nur einem Teil hiervon gebildet werden. Durch die Andruckkraft beim anschließenden Einwalzen der Legierungselemente wird die notwendige Wärme erzeugt, die den Prozeß des Einlagerns der Legierungselemente in die Werkstoffmatrix des Werk stücks fördert. Die Drückwalze führt beim Einwalzen der Legierungselemente gleichzeitig einen Kalibiervorgang aus, durch den die Gefahr des Auftretens eines Wärmeverzugs weitgehend vermieden wird. Zudem wird beim Einwalzen die Oberflächenrauhigkeit verringert und insgesamt die Ober flächendichte verbessert, was zu kleinen Toleranzbereichen am fertigen Werkstück führt. Durch Auftragen unterschied licher Legierungselemente an verschiedenen Stellen des Werkstücks kann weiter eine differenzierte Härteverteilung an der Werkstückoberfläche erzeugt werden.

Das Verfahren kann grundsätzlich mit herkömmlichen Fer tigungsmaschinen mit einer rotierenden Spindel, beispiels weise einer Drehmaschine, durchgeführt werden, wobei eine entsprechende Auftrags- und Einwalzvorrichtung eingesetzt werden muß. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht jedoch darin, daß das Einwalzen der Le gierungselemente auf einer Drück- oder Drückwalzmaschine durchgeführt wird. Eine derartige Fertigungsmaschine weist bereits eine oder mehrere Drückwalzen auf, die auch zum Einwalzen der Legierungselemente verwendet werden können.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß vor oder während des Einwalzens der Legierungselemente das Werkstück umge formt wird. Wird beispielsweise eine Riemenscheibe oder ein verzahntes Getriebeteil auf einer Drück- oder Drückwalzma schine spanlos geformt, so kann in derselben Einspannung eine Oberflächenhärtung des Werkstücks durchgeführt werden. Eine derartige Komplettfertigung von Werkstücken ist vor allem aufgrund der Einsparung von Handlings-, Transport- und Lagerzeiten wirtschaftlich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, daß der Trägerfilm nach dem Einspannen des Werkstücks in der Drück- oder Drückwalzmaschine und bei rotierendem Werkstück auf den zu härtenden Oberflächenbe reich aufgetragen wird. Es wird so ein schnelles und ge naues Bedecken des gewünschten Oberflächenbereichs des Werkstücks mit dem Trägerfilm erreicht.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorge sehen, daß der zu härtende Oberflächenbereich als profi lierter Bereich ausgebildet wird, und daß die pulverisier ten Legierungselemente mittels einer Profilwalze in den zu härtenden Oberflächenbereich eingewalzt werden. Der pro filierte Bereich kann insbesondere eine Verzahnung für Ge triebeteile oder ein Poly-V-Pofil für Riemenscheiben sein. Die Profilwalze weist dabei entsprechend eine Außenver zahnung oder ein Poly-V-Außenprofil auf. Die Profilwalze kann an ihrem Umfang eine Profilierung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung aufweisen. Zudem können meh rere Walzen mit unterschiedlicher Profilierung an einem Werkstück zum Einsatz kommen.

Für ein schnelles und genaues Auftragen des Trägerfilms auf das Werkstück ist weiter vorgesehen, daß der Trägerfilm durch Aufsprühen der pulverisierten Legierungselemente auf den zu härtenden Oberflächenbereich aufgetragen wird. Der Trägerfilm kann dabei neben den pulverisierten Legierungs elementen auch ein Adhäsionsmittel aufweisen, welches ein Anhaften der Legierungselemente an der Werkstückoberfläche vor dem Einwalzen verbessert.

Weiter ist es zur Verbesserung der Einlagerungsvorgänge der Legierungselemente in die Werkstoffmatrix des Werkstücks vorteilhaft, daß der zu härtende Oberflächenbereich des Werkstücks mittels einer Heizeinrichtung erhitzt wird. Eine derartige Heizeinrichtung, welche ein Brenner, eine In duktionsspule oder ein Wärmestrahler sein kann, ist immer dann vorteilhaft, wenn die beim Einwalzen der Legierungs elemente entstehende Wärme zur Förderung der Einlagerungs vorgänge als nicht ausreichend erachtet wird. Die Wärme kann so während oder auch vor dem Einwalzen eingebracht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich grundsätzlich zum Einbringen unterschiedlicher anorganischer und orga nischer Elemente in die Werkstückoberfläche. Eine besonders gute Härtung wird dadurch erreicht, daß Metallkarbide als pulverisierte Legierungselemente verwendet werden.

Ähnlich gute Ergebnisse beim Härten werden dadurch er reicht, daß keramische Nanokristalle als pulverisierte Le gierungselemente verwendet werden. Dabei können an einem Werkstück bedarfsgerecht unterschiedliche Legierungsele mente an verschiedenen Werkstückbereichen eingesetzt wer den. Durch diese freie Wahl der pulverisierten Legierungs elemente kann gezielt an bestimmten Werkstückbereichen eine genau definierte Oberflächenhärte eingestellt werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen bestehen darin, daß der zu härtende Oberflächenbereich mit einer Verzahnung, insbesondere einer Innenverzahnung, einer zylindrischen oder einer kegeligen Fläche ausgebildet wird.

Der zweite Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11. Es sind vorgesehen:

- eine Spindel, die rotierend angetrieben ist,
- eine Spanneinrichtung zum drehfesten Einspannen des Werkstücks an der Spindel, und
- mindestens eine Drückwalze, die radial zur Spindelachse verfahrbar ist, wobei
- ein Aufnahmebehälter für pulverisierte Legierungselemente vorgesehen ist,
- eine Auftragseinrichtung zum Auftragen der pulverisierten Legierungselemente radial beabstandet zur Spindel ange ordnet ist, und
- eine Zuführeinrichtung vorgesehen ist, welche die pulve risierten Legierungselemente von dem Aufnahmebehälter zur Auftragseinrichtung zu führt.

Die Vorrichtung kann dabei inbesondere eine herkömmliche Drück- oder Drückwalzmaschine sein, wobei der Aufnahme behälter, die Auftragseinrichtung und die Zuführeinrichtung als eine nachrüstbare Einheit angebracht werden können.

Zum genauen Auftragen des Trägerfilms ist es erfindungsge mäß vorgesehen, daß die Auftragseinrichtung radial und/oder radial verstellbar ist. Die Auftragseinrichtung kann so ge nau in der Nähe des zu beschichtenden Oberflächenbereichs positioniert werden.

Ein besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung wird dadurch erreicht, daß die Auftragseinrichtung an der Drückwalze an geordnet ist. Auf diese Weise kann die Auftragseinrichtung zusammen mit der Drückwalze verfahren werden, welche übli cherweise an einem radial und axial bewegbaren Support angeordnet ist. Die Legierungselemente können entweder zu nächst auf die Walze oder direkt auf den Werkstückbereich vor der Walze aufgebracht werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung besteht weiter darin, daß die Auftragseinrichtung eine Düse zum Aufsprühen der pulverisierten Legierungsele mente ist. Durch das Aufsprühen der Legierungselemente wird unnötige Reibung beim Vorgang des Auftragens vermieden. Zum Aufsprühen ist eine Druckerzeugungseinrichtung vorzusehen, mit welcher die Legierungselemente über die Zuführeinrich tung zur Düse gefördert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung gewähren so die Möglichkeit, ein Werkstück bei hoher Maßgenauigkeit besonders wirtschaftlich zu härten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit einem rotationssymmetrischen gehärteten Oberflächenbereich, mit den Verfahrensschritten:

- Auftragen eines Trägerfilms mit pulverisierten Le gierungselementen auf den zu härtenden rotations symmetrischen Oberflächenbereich des Werkstücks,
- Rotieren des an einer Spindel eingespannten Werk stücks um seine Rotationsachse und
- Ausbilden eines gehärteten Oberflächenbereichs aus den pulverisierten Legierungselementen unter Ein fluß von Wärme,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die pulverisierten Legierungselemente des Trä gerfilms in den zu härtenden Oberflächenbereich des Werkstücks eingewalzt werden , so daß sich die Le gierungselemente in der Oberfläche des Werkstücks einlagern und dessen Härte erhöhen,
- daß das Einwalzen durch radiales Zustellen und Andrücken mindestens einer Drückwalze an den Trägerfilm auf den zu härtenden Oberflächenbereich des Werkstücks erfolgt und
- daß in derselben Einspannung, in der auch die Ober flächenhärtung durch Einwalzen der pulverisierten Legierungselemente durchgeführt wird, das Werkstück spanlos umgeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einwalzen der Legierungselemente auf einer Drück- oder Drückwalzmaschine durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerfilm nach dem Einspannen des Werkstücks in der Drück- oder Drückwalzmaschine und bei rotieren dem Werkstück auf den zu härtenden Oberflächenbereich aufgetragen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zu härtende Oberflächenbereich als ein profi lierter Bereich ausgebildet wird, und daß die pulverisierten Legierungselemente mittels einer Profilwalze in den zu härtenden Oberflächenbe reich eingewalzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerfilm durch Aufsprühen der pulverisierten Legierungselemente auf den zu härtenden Oberflächenbe reich aufgetragen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zu härtende Oberflächenbereich des Werkstücks mittels einer Heizeinrichtung erhitzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Metallkarbide als pulverisierte Legierungselemente verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß keramische Nanokristalle als pulverisierte Legie rungselemente verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zu härtende Oberflächenbereich mit einer Ver zahnung, insbesondere einer Innenverzahnung, ausgebil det wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zu härtende Oberflächenbereich mit einer zy lindrischen oder kegeligen Fläche ausgebildet wird.

11. Vorrichtung zur Herstellung eines Werkstücks mit einem rotationssymmetrischen gehärteten Oberflächenbereich, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit

- einer Spindel, die rotierend angetrieben ist,
- einer Spanneinrichtung zum drehfesten Einspannen des Werkstücks an der Spindel und
- einer Auftragseinrichtung zum Auftragen der pulve risierten Legierungselemente, wobei die Auftrags einrichtung radial beabstandet zur Spindel angeord net ist, dadurch gekennzeichnet,
- daß mindestens eine Drückwalze vorgesehen ist, die radial zur Spindelachse verfahrbar ist,
- daß ein Aufnahmebehälter für pulverisierte Legie rungselemente vorgesehen ist,
- daß eine Zuführeinrichtung vorgesehen ist, welche die pulverisierten Legierungselemente von dem Auf nahmebehälter zur Auftragseinrichtung zuführt, und
- daß die Auftragseinrichtung radial und/oder axial verstellbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftragseinrichtung an der Drückwalze angeord net ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftragseinrichtung eine Düse zum Aufsprühen der pulverisierten Legierungselemente ist.