DE19724661C2

DE19724661C2 - Process for producing a toothed gear part

Info

Publication number: DE19724661C2
Application number: DE1997124661
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Koestermeier; Thomas Saeuberlich
Original assignee: Leico GmbH and Co Werkzeugmaschinenbau
Current assignee: Leifeld Metal Spinning GmbH
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2017-06-12
Also published as: DE19724661A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ver zahnten Getriebeteiles gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for producing a ver serrated gear part according to the preamble of claim 1.

Bei derartigen Verfahren ist es bekannt, durch eine radiale Ver formung Körper zu stauchen und diese dabei mit einer Außen- oder Innenverzahnung zu versehen. Dies kann durch radiales Zustellen einer Verzahnungsrolle für eine Außenverzahnung oder durch Andrüc ken an einen außenverzahnten Drückdorn für eine Innenverzahnung erfolgen. Innen- und/oder außenverzahnte Teile werden beispiels weise bei Starterkränzen, Zahnrädern oder Laufverzahnungen einge setzt. Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Lamel lenträgers für Automatikgetriebe ist beispielsweise aus dem Arti kel: "Drückwalzen von Verzahnungen in Lamellenträgern", in Bänder, Bleche, Rohre, 1/1994, Seite 38 bekannt.In such methods, it is known by a radial Ver shaping body and compressing it with an outer or To be provided with internal teeth. This can be done by radial delivery a toothing roller for an external toothing or by Andrüc on an externally toothed mandrel for an internal toothing respectively. Internally and / or externally toothed parts are for example wise with starter rings, gears or running gear puts. A generic method for producing a lamella Oil carrier for automatic transmission is, for example, from the Arti kel: "Pressure rolling of gears in lamellar beams", in strips, Sheets, pipes, 1/1994, page 38 known.

Bei Getriebeteilen, bei welchen eine hohe mechanische Dauer- und Verschleißfestigkeit gefordert ist, werden Verfahren eingesetzt, welche die Verfahrensschritte mechanische Weichbearbeitung, Här ten/Einsatzhärten und mechanische Hartbearbeitung aufweisen. Die zu fertigenden Teile werden zunächst aus einem Gußteil oder Halb zeug spanend herausgearbeitet. Voraussetzung für die mechanische Bearbeitung ist eine gute Spanbarkeit des Werkstoffs für das zu fertigende Teil. Dadurch können hohe Schnittgeschwindigkeiten rea lisiert werden, mit denen eine rationelle Fertigung möglich ist. For transmission parts in which a high mechanical durability and Wear resistance is required, processes are used which the process steps mechanical soft machining, hardness / case hardening and mechanical hard machining. The Parts to be manufactured are first cast or half stuff worked out. Prerequisite for the mechanical Machining is a good machinability of the material for that too finishing part. This enables high cutting speeds be rationalized with which rational production is possible.

Eine Bearbeitung hochfester Werkstoffzustände ist schwierig. Au ßerdem ist eine Verfestigung des Werkstoffes während der Bearbei tung unerwünscht. Der Grund dafür ist die daraus resultierende hö here Werkzeugbeanspruchung, die zum vorzeitigen Versagen dieser führt oder den Einsatz von teuren Hartmetallwerkzeugen notwendig macht. Außerdem entstehen bei der spanenden Bearbeitung von hoch festen Werkstoffzuständen hohe Temperaturen, die zur Veränderung der Mikrostruktur des zu bearbeitenden Werkstoffes führen können. Es kann beispielsweise zu Ausscheidungsvorgängen kommen, die eine Versprödung zur Folge haben.Machining high-strength material states is difficult. Au In addition, the material solidifies during processing tion undesirable. The reason for this is the resulting height here tool stress leading to the premature failure of this leads or the use of expensive carbide tools necessary makes. In addition, high machining results from machining solid material states high temperatures leading to change the microstructure of the material to be processed. For example, there can be excretion processes, the one Cause embrittlement.

Weiterhin können lokale Gefügeveränderungen die Ausbildung einer inhomogenen, rißanfälligen Struktur verursachen. Dem kann nur durch einen wesentlich höheren Kühlmitteleinsatz, was im Hinblick auf die Umweltbelastung unerwünscht ist, und durch die Herabset zung der Schnittgeschwindigkeit begegnet werden.Furthermore, local structural changes can lead to the formation of a cause inhomogeneous, crack-prone structure. That can only through a much higher use of coolant, which with regard on the environmental impact is undesirable, and by reducing it cut speed can be met.

Die durch eine zerspanende Bearbeitung erzeugten Oberflächen wei sen zudem eine Mikrorauhigkeit mit Rauhigkeitsspitzen und -tiefen auf. Bei einer statischen oder dynamischen Beanspruchung des ge fertigten Bauteils tragen zunächst nur diese Spitzen. Die Folge ist eine rasche Ermüdung dieser Werkstoffbereiche, eine lokale plastische Verformung und letztendlich das Abplatzen einzelner Teilbereiche. Dies führt zur Bildung von Grübchen und Furchen auf der Oberfläche. Weiter sind die durch das Zerspanen entstandenen Mikrokerben mögliche Ansatzpunkte für die Ausbildung von Rissen.The surfaces produced by machining machining white micro roughness with roughness peaks and depths on. With a static or dynamic loading of the ge manufactured component initially only carry these tips. The consequence is a rapid fatigue of these material areas, a local one plastic deformation and ultimately the spalling of individuals Sub-areas. This leads to the formation of pits and furrows the surface. Further are those created by machining Micro notches are possible starting points for the formation of cracks.

Daher erfolgt in den meisten Fällen nach der mechanischen Bearbei tung eine vollständige oder lokale Vergütung oder Einsatzhärtung des zu fertigenden Teiles. Dadurch wird die Verschleißneigung her abgesetzt, sowie die Dauerfestigkeit und die Tragfähigkeit des Teiles erhöht. Die Wärmebehandlung der Bauteile ist dabei immer mit Maßänderungen und Verzug verknüpft. Ursachen sind Eigenspan nungen durch die Umwandlung des Gefüges und unterschiedliche Aus dehnung einzelner Bereiche, die zu örtlichen plastischen Verfor mungen führen. Weiterer Nachteil einer Wärmebehandlung ist die Verzunderung der Oberfläche der behandelten Teile und der dazu notwendige Zeit- und Energieaufwand, der zu einer Verteuerung des Fertigungsprozesses führt. Die wärmebehandelten Teile müssen an schließend noch maßhaltig geschliffen werden, was einen zusätzli chen Fertigungsaufwand bedeutet.Therefore, in most cases, the machining is done mechanically full or local compensation or case hardening of the part to be manufactured. This creates the tendency to wear discontinued, as well as the fatigue strength and the load-bearing capacity of the Part increased. The heat treatment of the components is always linked with dimensional changes and delay. The causes are own chip through the transformation of the structure and different forms expansion of individual areas that lead to local plastic deformation lead. Another disadvantage of heat treatment is that Scaling of the surface of the treated parts and the associated necessary time and energy expenditure, which increases the cost of the Manufacturing process leads. The heat-treated parts must be on finally be ground true to size, which is an additional Chen manufacturing effort means.

Das Drückwalzen hochfester Werkstoffe ist beispielsweise für spe zielle rohrförmige Hohlkörper für die Luft- und Raumfahrt oder die Erzeugung von Kernbrennstoffen bekannt, wie aus "Umformtechnik, Band 2 Massivumformung", von K. Lange, Springer Verlag, 1988, Sei ten 228 bis 248, insbesondere Seite 240 hervorgeht.The pressure rolling of high-strength materials is for example for spe Target tubular hollow body for aerospace or Generation of nuclear fuels known, as from "forming technology, Volume 2 Massive Forming ", by K. Lange, Springer Verlag, 1988, Sei ten 228 to 248, in particular page 240.

Beim Drückwalzen von verzahnten Getriebeteilen werden als Aus gangsmaterialien gut umformbare, weiche Stähle eingesetzt, die nach dem Umformen ebenfalls wärmebehandelt werden müssen, um eine ausreichende Dauer- und Verschleißfestigkeit zu erreichen. Es tre ten somit ebenfalls die oben beschriebenen Nachteile ein.When spinning rolling geared gear parts are considered off well-formable, soft steels must also be heat treated after forming in order to to achieve sufficient durability and wear resistance. It tre thus also the disadvantages described above.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem verzahnte Getriebeteile bei einer hohen Dauer- und Verschleißfestigkeit einfach gefertigt werden können.The invention has for its object a method with which toothed gear parts with a high permanent and wear resistance can be easily manufactured.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merk malen des Anspruchs 1 gelöst. Dieses Verfahren ist dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausgangswerkstück aus einem mikrolegierten, hochfesten Baustahl ohne zusätzliche Einsatzhärtung oder Vergütung gefertigt wird. Überraschender Weise hat sich herausgestellt, daß nicht nur weiche Stähle, sondern auch hochfeste, mikrolegierte Baustähle zum Einformen von Verzahnungen mittels Drückwalzen ge eignet sind. Insbesondere hochfeste Baustähle mit einer unteren Streckgrenze von 500 bis 700 N/mm² und erreichbaren Zugfestigkeiten im Bereich von 1000 N/mm² und Bruchdehnungen bis zu 20% und dar über sind geeignet. The object is achieved by a method with the Merk paint of claim 1. This method is characterized in that the starting workpiece is made from a micro-alloyed, high-strength structural steel without additional hardening or tempering. Surprisingly, it has been found that not only soft steels, but also high-strength, micro-alloyed structural steels are suitable for molding teeth by means of pressure rollers. In particular, high-strength structural steels with a lower yield strength of 500 to 700 N / mm ² and achievable tensile strengths in the range of 1000 N / mm ² and elongations at break of up to 20% and above are suitable.

Es ist erfindungsgemäß, daß das Werkstück in seinem Oberflächenbe reich bis an die Grenze seines Umformvermögens umgeformt wird. Es entsteht dabei eine kaltverfestigte Oberfläche, während die inne ren Bereiche des Getriebeteiles weiter eine hohe Zähigkeit aufwei sen, was im Hinblick einer guten Dauerfestigkeit erwünscht ist. It is in accordance with the invention that the workpiece is in its surface area is formed to the limit of its forming capacity. It this creates a work hardened surface, while the inside areas of the transmission part still have a high toughness sen, which is desirable in terms of good fatigue strength.

Auf diese Weise können Getriebeteile sehr rationell gefertigt wer den, welche sonst nur spanend mit hohem Aufwand herzustellen sind. Vorteil der Herstellung durch Drückwalzen ist weiter eine Ferti gung bei gleichzeitig hoher Maßhaltigkeit und geringer Rauhtiefe der gefertigten Teile. Bedingt durch das Fertigungsverfahren ent stehen glatte Oberflächen. Durch die geringe Rauhtiefe mit glatter Oberfläche wird die Entstehung und Bildung von Rissen verhindert. Schließlich wird ein beträchtlicher Festigkeitsgewinn am Übergang zwischen Zahngrund und Zahnflanke erzielt.In this way, gear parts can be manufactured very efficiently those that can otherwise only be machined with great effort. Another advantage of manufacturing by spinning rollers is a Ferti with high dimensional accuracy and low roughness of the manufactured parts. Due to the manufacturing process ent there are smooth surfaces. Due to the low roughness depth with smoother Surface formation and formation of cracks is prevented. Eventually there will be a significant gain in strength at the transition achieved between tooth base and tooth flank.

Mirolegierte, hochfeste Baustähle haben aufgrund einer abgestimm ten Zusammensetzung und Wärmebehandlung trotz geringer Zusätze ei ne hohe Festigkeit und ein hohes Verformungsvermögen. Erfindungs gemäß ist bevorzugt, daß das Werkstück aus einem Dualphasen-Stahl oder Mehrphasen-Stahl gefertigt wird. Das Werkstück kann die Form einer einfachen Blechronde aufweisen oder bereits eine vorbearbei tete Vorform sein. Dualphasen-Stähle sind besonders gut kaltum formbar. Zur Verfestigung ist eine geeignete zweite Phase vorgese hen, welche die Kaltverarbeitbarkeit nur verhältnismäßig wenig einschränkt. Bevorzugte Dualphasen-Stähle bestehen aus Ferrit mit ca. 20 bis 30% inselartig eingelagertem Martensit. Diese Gefü gestruktur kann beim Warmwalzen oder durch Glühen hergestellt wer den. Der Martensit wird durch eine beschleunigte Abkühlung eines sehr kohlenstoffarmen Stahls aus dem teilaustenitisierten Zustand erhalten. Neben Martensit können auch geringe Mengen an Bainit ge bildet werden, wobei auch Anteile von Restaustenit möglich sind. Je nach der Legierungszusammensetzung, die die kritische Abkühlge schwindigkeit bestimmt, kann der Dualphasen-Zustand aus der Walz hitze unmittelbar nach dem Warmbandwalzen oder durch eine Warm bandglühung mit Schnellabkühlung in einem Durchlaufofen erzeugt werden. Ein starkes Verfestigungsvermögen, d. h. ein hoher Verfe stigungsexponent, kann im Bereich geringer Verformungsgrade von bis zu 5% erzielt werden.Miro-alloyed, high-strength structural steels have been voted on th composition and heat treatment despite small additives ne high strength and high deformability. Invention According to it is preferred that the workpiece is made of a dual-phase steel or multi-phase steel is manufactured. The workpiece can shape have a simple sheet metal blank or already a preprocessing be preform. Dual-phase steels are particularly good at cold temperatures malleable. A suitable second phase is provided for solidification hen, the cold processability only relatively little restricted. Preferred dual-phase steels consist of ferrite with approx. 20 to 30% island-like martensite. This feeling structure can be produced by hot rolling or annealing the. The martensite is accelerated by cooling one very low carbon steel from the partially austenitized state receive. In addition to martensite, small amounts of bainite can also be used are formed, portions of residual austenite are also possible. Depending on the alloy composition, the critical cooling determined speed, the dual-phase state from the roll heat immediately after hot strip rolling or by a warm strip annealing with rapid cooling in a continuous furnace become. A strong solidification ability, i.e. H. a high verfe stigungsexponent, can in the range of low degrees of deformation of up to 5% can be achieved.

Zur Erreichung einer hohen Festigkeit bei ausreichender Verform barkeit ist es nach einer Alternative der Erfindung vorgesehen, daß das Werkstück aus einem Stahl mit kohlenstoffarmen Bainit oder einem vergüteten mikrolegierten Stahl gefertigt wird. Bainit bei spielsweise kann durch eine thermomechanische Behandlung erzeugt werden.To achieve high strength with sufficient deformation Availability is provided according to an alternative of the invention that the workpiece is made of steel with low carbon bainite or a tempered micro-alloy steel is manufactured. Bainite at for example, can be generated by a thermomechanical treatment become.

Um eine weitere Erhöhung der Härte im Randbereich und damit einen besseren Widerstand gegen abrasiven Verschleiß zu erreichen, ist es erfindungsgemäß von Vorteil, daß nach dem Umformen die Oberflä che des Werkstücks mit Kohlenstoff in einer diamantähnlichen Struktur beschichtet wird. Die Beschichtung, beispielsweise im DLC-Verfahren, erfolgt dabei ohne eine wesentliche Temperaturerhö hung, so daß kein Wärmeverzug auftreten kann. Die Kohlenstoffatome können zwei verschiedene Raumstrukturen annehmen, nämlich eine hexagonale Schichtstruktur mit leicht gegeneinander verschiebbaren Einzelebenen, wie sie beim Graphit auftritt, und eine vom Diamant bekannte konische Kristallstruktur, die sich durch eine hohe Bin dungsenergie zwischen den Kohlenstoffatomen auszeichnet. Durch ei ne Ionenstrahl- oder Plasmastrahl-Beschichtung in einem Hochvakuum können bei niedrigen Temperaturen auf einer Werkstückoberfläche amorphe Kohlenstoffschichten abgeschieden werden, welche einen ho hen Anteil an diamantähnlichen Bindungen aufweisen. Durch eine ge zielte Variation der Abscheidungsbedingungen kann ein gewünschtes Verhältnis zwischen diamantähnlichen und graphitähnlichen Bindun gen eingestellt werden. Auf den Getriebeteilen können so Oberflä chen mit gewünschten guten Gleitreibungs- oder Notlaufeigenschaf ten bei hoher Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erzielt wer den.To further increase the hardness in the edge area and thus one to achieve better resistance to abrasive wear it is advantageous according to the invention that the surface after the shaping surface of the workpiece with carbon in a diamond-like Structure is coated. The coating, for example in DLC process takes place without a significant temperature increase hung, so that no heat distortion can occur. The carbon atoms can assume two different spatial structures, namely one hexagonal layer structure with easily displaceable against each other Individual levels, as occurs with graphite, and one from diamond well-known conical crystal structure, which is characterized by a high bin energy between the carbon atoms. By egg ne ion beam or plasma beam coating in a high vacuum can at low temperatures on a workpiece surface amorphous carbon layers are deposited, which have a ho hen share in diamond-like bonds. By a ge Targeted variation of the deposition conditions can be a desired one Relationship between diamond-like and graphite-like bonds be set. On the gear parts, surfaces can with desired good sliding friction or emergency running properties ten with high wear and corrosion resistance the.

Eine besonders hohe Korrosions- und Verschleißfestigkeit auch bei hohen Temperaturen wird erfindungsgemäß alternativ dadurch er reicht, daß nach dem Umformen die Oberfläche des Werkstücks bei spielsweise mit einer keramischen TiN-Schicht beschichtet wird. Eine derartige Beschichtung kann beispielsweise durch ein Elektro denbeschichtungsverfahren unter Verwendung einer Kathodenzerstäu bung im sogenannten PVD-Verfahren hergestellt werden. A particularly high level of corrosion and wear resistance alternatively, according to the invention, high temperatures are thereby achieved is enough for the surface of the workpiece after forming is coated with a ceramic TiN layer, for example. Such a coating can, for example, by an electric the coating process using cathode sputtering exercise in the so-called PVD process.

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit zur Erzeugung sehr har ter Oberflächen besteht darin, daß nach dem Umformen in die Ober fläche des Werkstücks Elemente durch Ionenimplantation oder Plas manitrieren eindiffundiert werden. Die Elemente können Fremdatome sein, wie beispielsweise Stickstoff, Bor oder Titan.Another possibility according to the invention for generating very har ter surfaces is that after reshaping into the upper surface of the workpiece elements by ion implantation or plasma manicuring are diffused. The elements can contain foreign atoms be such as nitrogen, boron or titanium.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Getriebeteile gefer tigt werden, bei denen es zu einer Verfestigung oder Verdichtung des umzuformenden Materials kommt und nach der Fertigung nicht mehr gehärtet oder einsatzgehärtet werden muß. Die Oberfläche des Getriebeteiles wird durch eine dünne Beschichtung oder durch Ein diffusion von Fremdatomen durch PVD, DLC, Ionenimplantieren oder Plasmanitrieren hinsichtlich Verschleißfestigkeit und Tragfähig keit bei Reduzierung des Reibfaktors verbessert. Die erforderliche Bauteilfestigkeit wird durch eine Kombination aus Werkstoffverfe stigung und der hohen Grundfestigkeit des verwendeten Werkstoffes im Anlieferungszustand erreicht. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Getriebeteile weisen eine hohe Oberflächen qualität und eine hohe Maßgenauigkeit auf, so daß eine mechanische Nachbearbeitung entfallen kann. Es ergibt sich so ein Herstel lungsverfahren für Getriebeteile, welches vor allem in der Serien fertigung effizient eingesetzt werden kann.The method according to the invention allows gear parts to be removed in which there is a solidification or compaction of the material to be formed does not come after production needs more hardening or case hardening. The surface of the Gear part is by a thin coating or by a Diffusion of foreign atoms by PVD, DLC, ion implantation or Plasma nitriding with regard to wear resistance and load capacity speed when reducing the friction factor improved. The required Component strength is achieved through a combination of materials strength and the high basic strength of the material used reached in the delivery condition. According to the invention Processed gear parts have a high surface area quality and high dimensional accuracy, so that a mechanical Post-processing can be omitted. The result is a product process for transmission parts, which is mainly used in series production manufacturing can be used efficiently.

Claims

1. Method for producing a toothed gear part, in which

1. a workpiece is formed by spinning and
2. a toothing is formed in the workpiece,

characterized by

1. that the workpiece is made of a micro-alloyed, high-strength structural steel, which has a lower yield strength of at least 500 N / mm ² ,
2. that the workpiece is formed to the limit of its forming capacity when the toothing is formed, and
3. that a surface of the toothing provided with the toothing is hardened substantially while maintaining the temperature without warpage.

2. The method according to claim 1, characterized, that the workpiece is made of a dual-phase or multi-phase steel is manufactured.

3. The method according to claim 1, characterized, that the workpiece is made of steel with low carbon bainite or a tempered micro-alloy steel is manufactured.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized, that after forming for hardening the surface of the workpiece with Koh lenstoff is coated in a diamond-like structure.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized, that after forming for hardening the surface of the workpiece, for example is coated with a ceramic TiN layer.

6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized, that after forming for hardening in the surface of the workpiece Elemen diffused by ion implantation or plasma nitriding become.