DE19834133C1 - Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von HohlwellenInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen aus geschweißten oder nahtlos gefertigten Stahlrohren mit einem maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,35% sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen. DOLLAR A In einem ersten Schritt wird das Rohr auf einen Kohlenstoffgehalt > 0,5% aufgekohlt. DOLLAR A In einem zweiten Schritt wird das aufgekohlte Stahlrohr langsam von der Prozeßtemperatur abgekühlt, so daß es keine Steigerung seiner Härte erfährt. DOLLAR A In einem dritten Schritt wird das aufgekohlte und weiche Stahlrohr durch zerspanende und/oder spanlose Bearbeitung zu einem Werkstückrohling weiterverarbeitet. DOLLAR A In einem vierten Schritt wird der Werkstückrohling durch lokales Erwärmen und Abschrecken an den Stellen, an den dieses erwünscht ist, gehärtet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Hohlwellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1
näher definierten Art.
Als Ausgangsmaterial zur Fertigung von Hohlwellen,
insbesondere statisch und dynamisch hochbelasteten
Hohlwellen, werden gattungsgemäß Stahlrohre, überwie
gend Präzisionsstahlrohre, genutzt. Neben den beson
ders gut geeigneten geschweißten Stahlrohren werden
auch nahtlos gefertigte Stahlrohre als Ausgangsmateri
al eingesetzt.
Bei der Fertigung von nahtlosen Stahlrohren geht man
im Allgemeinen von einem Rohling aus, welcher annä
hernd wellenförmig ist und durch zerspanende oder
spanlose Bearbeitung einen inneren Hohlraum erhält.
Anschließend wird der dickwandige Hohlkörper über ei
nem Dorn ausgezogen oder ausgewalzt. Die Bearbeitungs
riefen oder Ungenauigkeiten bezüglich der Konzentrizi
tät, welche beim Aushöhlen des wellenförmigen Rohlings
häufig auftreten, können auch durch diese spanlose
Nachbearbeitung nicht vollkommen eliminiert werden.
Bei der Fertigung von geschweißten Stahlrohren wird
dagegen ein auf die gewünschte Dicke ausgewalztes
Stahlblech, welches ein sehr gleichmäßiges und dichtes
Gefüge und eine gute Oberflächenqualität bei sehr kon
stanter Blechdicke aufweist, zu einem Rohr gebogen und
verschweißt. Nach dem Abtragen des überstehenden Teils
der Schweißnaht wird das Rohr mehrfach über einem Dorn
ausgewalzt oder ausgezogen. Nach einer nachfolgenden
Wärmebehandlung entsteht auch im Bereich der Schweiß
naht ein sehr gleichmäßiges Gefüge.
Dadurch weisen die geschweißten Stahlrohre im Ver
gleich zu den nahtlosen Stahlrohren eine deutlich bes
sere Oberfläche auf, sind in ihren mechanischen Eigen
schaften günstiger und in ihrer geometrischen Maßhal
tigkeit weitaus genauer. Allerdings können geschweißte
Stahlrohre verfahrensbedingt nicht mit einem Kohlen
stoffgehalt < 0,35% hergestellt werden, da sich ein
solcher Stahl nicht oder nur unter starken Qualitäts
einbußen schweißen läßt.
Soll nun eine Hohlwelle mit starken Drehmomenten be
aufschlagt werden, so ist auf jeden Fall eine Wärmebe
handlung, insbesondere ein Härten, der Hohlwelle er
forderlich. Für das Härten der Hohlwelle ist ein Koh
lenstoffgehalt von mindestens 0,4% Kohlenstoff, vor
zugsweise 0,5 bis 0,8% Kohlenstoff erforderlich, den
ein geschweißtes Stahlrohr verfahrensbedingt nicht
aufweisen kann.
Um nun ein Härten solcher Stahlrohre dennoch möglich
zu machen, hat sich in der Praxis das nachfolgend be
schriebene Verfahren allgemein durchgesetzt.
Als Ausgangsmaterial dienen Stahlrohre mit einem maxi
malen Kohlenstoffgehalt von 0,35%. Sie werden durch
zerspanendes Bearbeiten und/oder spanloses Umformen zu
Werkstückrohlingen verarbeitet. Nachfolgend werden
diese Werkstückrohlinge in eine Härterei gebracht, wo
sie bei hoher Temperatur in kohlenstoffhaltiger Atmo
sphäre auf einen Kohlenstoffgehalt von mindestens
0,5% aufgekohlt werden.
Aufkohlen bedeutet, daß die Werkstückrohlinge bei er
höhter Prozeßtemperatur eine gewisse Haltezeit in ei
ner kohlenstoffhaltigen Atmosphäre verbleiben, so daß
der Kohlenstoff wenigstens in die Oberfläche des
Stahlrohres eindringen kann. Der so behandelte Stahl
oder zumindest dessen Oberfläche kann nun gehärtet
werden und wird dazu direkt aus der Prozeßtemperatur
heraus abgeschreckt.
Dieses allgemein als Einsatzhärten bekannte Verfahren
ermöglicht nicht nur das Härten von Stählen mit einem
Kohlenstoffgehalt < 0,4% sondern hat durch das aus
schließliche Härten der Oberflächenschicht auch noch
weitere, bekannte Vorteile.
Zur Fertigbearbeitung der Werkstückrohlinge müssen
diese zurück zur Fertigungslinie transportiert werden,
um sie dort weiterbearbeiten zu können. Dabei sind für
die Bearbeitung der gehärteten Rohlinge Fertigungsver
fahren wie Schleifen oder Läppen denkbar. Nach diesem
Schritt der Fertigungsbearbeitung erhält man die ge
wünschten montagefertigen Werkstücke.
Das beschriebene Verfahren verursacht einen hohen lo
gistischen Aufwand, da das Aufkohlen und Härten der
Werkstückrohlinge verfahrensbedingt in einer gesonder
ten Härterei durchgeführt werden muß. Neben diesem
Nachteil weist das Verfahren noch zwei weitere, gra
vierende, durch den Prozeß an sich verursachte Nach
teile auf. Durch das Abschrecken der Rohlinge direkt
aus der Prozeßwärme kommt es zu starken Härteverzügen,
da der komplette Rohling von Prozeßtemperatur schlag
artig auf eine niedrige Temperatur, z. B. die Umge
bungstemperatur, abgekühlt und damit gehärtet wird.
Aus der "Apparatus for heat treating sleeve pipes af
ter thread cutting" von Useinov, I. A.; Efendiev, E. M.
in "Metal Science & Heat Treatment" 1974, Vol. 16,
Nos. 7-8, Seiten 594 bis 596 ist es bekannt, daß
Rohre nach der zerspanenden Bearbeitung durch Erwärmen
und Abschrecken gehärtet werden.
Außerdem ist es aus der DE-D 3621/18c - 08.05.1952
bekannt, daß Hohlkörper durch induktives Erwärmen und
anschließendes Abschrecken an den gewünschten Stellen
lokal gehärtet werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu
schaffen, bei welchem Stahlrohre mit minimalem logis
tischen Aufwand zu wenigstens teilweise gehärteten
Hohlwellen verarbeitet werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn
zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale
gelöst.
Ein für die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe geeig
netes Stahlrohr ist im kennzeichnenden Teil des
selbstständigen Sachanspruchs 6 beschrieben.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Aufkohlen
des Ausgangsmaterials nämlich der Stahlrohre in direk
tem Anschluß an deren Herstellung. In logistisch be
sonders vorteilhafter Art und Weise kann der Herstel
ler des Stahlrohrs dabei das meistens ohnehin erfor
derliche Normalisierungsglühen mit leicht modifizier
ten Behandlungsparametern und aufkohlender Ofenatmo
sphäre nutzen.
Die mechanische Bearbeitung des aufgekohlten, jedoch
noch weichen Ausgangsmaterials, durch spanende oder
spanlose Formgebung zu dem Werkstückrohling der Welle
erfolgt in einer Fertigungslinie. Das anschließende
Härten des Werkstückrohlings kann, insbesondere wenn
es sich um ein induktives Härten handelt, dabei in
diese Fertigungslinie integriert sein, denn das Induk
tionshärten läßt sich nach Art der Maschinen und der
erforderlichen Infrastruktur ohne weiteres in eine
Fertigungslinie der zerspanenden oder spanlosen Bear
beitung integrieren.
Falls die geforderte Oberflächenqualität des gehärte
ten Werkstückes eine Nachbearbeitung desselben notwen
dig macht, kann diese ebenfalls leicht in die Ferti
gungslinie integriert werden.
Beim besonders vorteilhaften induktiven Härten können
auch nur lokale Stellen des Werkstückes erwärmt und
gehärtet. Dadurch erhält man die Möglichkeit, Werk
stücke nur lokal an den Stellen zu härten, an denen
dies auch wirklich erwünscht ist, z. B. an Lagerflä
chen, Zahnflanken oder Flanken von Nocken. Außerdem
treten durch die nur partiell eingebrachte Wärme, im
Vergleich zum normalen Härten, härtebedingte Verzüge
nur in sehr viel geringerem Maße auf. Deshalb ist eine
Nachbearbeitung meist nur noch dann notwendig, wenn
Zunder entfernt werden soll oder wenn hohe Oberflä
chenqualitäten bzw. Rundlaufeigenschaften gewünscht
werden, wie z. B. für Dichtflächen. Die Nachbearbeitung
der Teile nach dem Härten kann sich also sowohl auf
einen Teil der produzierten Werkstücke als auch auf
lokale Bereiche der einzelnen, nachzuarbeitenden Werk
stücke beschränken.
Das Verfahren hat dabei nicht nur bei geschweißten
Stahlrohren Vorteile. Es ermöglicht es auch Hohlwellen
aus nahtlosen Stahlrohren, die natürlich durchaus mit
einem Kohlenstoffgehalt von z. B. 0,5% herstellbar
sind, ohne großen logistischen Aufwand durch Einsatz
härten qualitativ zu verbessern. Dazu müssen lediglich
die nahtlosen Rohre mit einem Kohlenstoffgehalt
< 0,35% gefertigt und nach erfindungsgemäßen Verfah
ren bearbeitet werden.
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung das erfindungsge
mäße Herstellungsverfahren prinzipiell beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des eingangs
beschriebenen Fertigungsverfahrens für Hohl
wellen gemäß dem Stand der Technik; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfin
dungsgemäßen Fertigungsverfahrens für Hohl
wellen.
Bei dem Herstellungsverfahren für hochbelastete Hohl
wellen gemäß dem Stand der Technik, wie er in Fig. 1
dargestellt ist, erfolgt die Eingabe des Rohmaterials
1 (Stahlblech) beim Rohrhersteller. Dort wird das Rohr
geschweißt und auf das gewünschte Maß ausgezogen oder
ausgewalzt. An diese Rohrherstellung 2 schließt sich
im Allgemeinen eine Wärmebehandlung 2a in der Art ei
nes Normalisierungsglühens an. Dadurch erhält das ge
zogene oder gewalzte Rohr wieder eine homogene Gefü
gestruktur. Dann erfolgt der Transport 3 der Rohre zum
eigentlichen Hersteller der Hohlwellen. Dort gelangen
die Rohre in eine entsprechende Fertigungslinie 4 zur
Herstellung von Hohlwellen.
In einer Anzahl von Fertigungsschritten 5 werden aus
den Stahlrohren die Hohlwellenrohlinge hergestellt.
Dabei können sämtliche bekannte Verfahren der spanlo
sen und/oder der spanenden Formgebung zum Einsatz kom
men.
Im weiteren Verlauf des Verfahrens erfolgt der Trans
port 6 der Hohlwellenrohlinge zu einer Härterei, wobei
diese die eigentliche Fertigungslinie 4 verfahrensbe
dingt verlassen müssen. In der Härterei werden die
Hohlwellenrohlinge auf eine erhöhte Prozeßtemperatur
gebracht, und unter Zufuhr von Kohlenstoff 7 kommt es
zu einem Aufkohlen 8 der Hohlwellenrohlinge. Zum Här
ten 9 werden die Hohlwellenrohlinge dann direkt aus
der hohen Prozeßtemperatur des Aufkohlens 8 heraus
abgeschreckt. Die Hohlwellenrohlinge werden dadurch an
ihrer kompletten Oberfläche gehärtet und weisen prak
tisch immer Härteverzüge auf, welche durch den starken
Temperatursturz im gesamten Hohlwellenrohling verur
sacht werden. Da das Aufkohlen 8 der Hohlwellenrohlin
ge bei hoher Prozeßtemperatur in kohlenstoffhaltiger
Atmosphäre eine längere Haltezeit erforderlich macht,
lassen sich die Ursachen für das Auftreten der Härte
verzüge in diesem Verfahren nicht vermeiden.
Im weiteren Verlauf erfolgt ein Transport 10 zurück in
die Fertigungslinie 4, zu einer wegen der Härteverzüge
der Hohlwellenrohlinge auf jeden Fall erforderlichen
Fertigbearbeitung 11. Erst danach können die montage
fertigen Hohlwellen die Fertigungslinie 4 verlassen
12.
Das neue Herstellungsverfahren für hoch belastete
Hohlwellen gemäß der Erfindung, wie es in Fig. 2 dar
gestellt ist, unterscheidet sich von dem bisherigen in
einigen wesentlichen Punkten.
Auch bei diesem Verfahren erfolgt die Eingabe des Roh
materials 1 (Stahlblech) beim Rohrhersteller. Dort
wird das Rohr geschweißt und auf das gewünschte Maß
ausgezogen oder ausgewalzt. An diese Rohrherstellung 2
schließt sich aber nun eine leicht modifizierte Wärme
behandlung 2b an. Dabei wird neben der Homogenisierung
des Metallgefüges durch das Normalisierungsglühen,
mittels der Zufuhr von Kohlenstoff 8 gleichzeitig ein
Aufkohlen der Rohre erreicht. Die Parameter der Wärme
behandlung 2b müssen gegenüber der bisher üblichen
Wärmebehandlung 2a dazu nur leicht modifiziert werden.
Dadurch wird nur ein unerheblicher logistischer Mehr
aufwand (wegen der Kohlenstoffzufuhr 8) beim Herstel
ler der Stahlrohre verursacht. Den Abschluß der Wärme
behandlung 2b bildet ein langsames Abkühlen der Rohre,
wodurch diese ihre Härte nicht steigern, sondern weich
bleiben.
Die aufgekohlten aber noch weichen Rohre werden dann
zu dem eigentlichen Hersteller der Hohlwellen trans
portiert 3 und die Rohre kommen dort in eine entspre
chende Fertigungslinie 4.
Auch hier werden, wie beim Stand der Technik, in einer
Anzahl von Fertigungsschritten 5 aus den Rohren die
Hohlwellenrohlinge hergestellt.
Im weiteren Verlauf des Verfahrens erfolgt der Trans
port 6' der Hohlwellenrohlinge jedoch nur innerhalb
der Fertigungslinie 4 zu einem induktiven Härten 13.
Dort werden die Hohlwellenrohlinge an lokal begrenzten
Bereichen, wie z. B. hochbelasteten Lagerflächen oder
Flanken von Nocken, gehärtet. Dieses gezielte lokale
Härten 13 bringt bei weitem nicht die Wärmemenge in
die Hohlwellenrohlinge ein, wie dies beim Stand der
Technik der Fall ist. Dadurch kommt es bei diesem Ver
fahren zu weit weniger starken Härteverzügen, weshalb
es möglich ist, daß wenigstens ein Teil der herge
stellten Hohlwellen bereits nach dem induktiven Härten
13 die Fertigungslinie 4 als montagefertige Hohlwellen
verlassen können 12'.
Für den verbleibenden Teil der Hohlwellen, bei dem im
Allgemeinen hohe Oberflächenqualitäten oder sehr ge
naue Toleranzen gefordert werden ist auch hier eine
Fertigbearbeitung erforderlich. Diese erfolgt analog
dem als Stand der Technik beschrieben Verfahren durch
einen Weitertransport 10' der Hohlwellen zu der Fer
tigbearbeitung 11', wobei dieser Transport 10' jedoch
nur innerhalb der Fertigungslinie 4 erfolgt. Danach
verlassen auch diese Teile als montagefertige Hohlwel
len die Fertigungslinie 4 bei Pfeil 12.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen aus ge
schweißten oder nahtlos gefertigten Stahlrohren
als Ausgangsmaterial, wobei das Ausgangsmaterial
einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,35% auf
weist,
gekennzeichnet durch
folgende Verfahrensschritte:
- 1. 1.1 in einem ersten Schritt wird das Ausgangsma terial auf einen Kohlenstoffgehalt < 0,5% aufgekohlt.
- 2. 1.2 in einem zweiten Schritt erfolgt, ausgehend von der Prozeßtemperatur des Aufkohlens, ein langsames Abkühlen des Ausgangsmaterial, in der Art, daß das Ausgangsmaterial keine Steigerung seiner Härte erfährt.
- 3. 1.3 in einem dritten Schritt wird das aufgekohl te Ausgangsmaterial durch zerspanendes Bear beiten und/oder spanloses Umformen zu einem Werkstückrohling weiterverarbeitet.
- 4. 1.4 in einem vierten Schritt wird der Werkstück rohling durch lokales Erwärmen und plötzli ches Abschrecken an den gewünschten Stellen gehärtet.
2. Verfahren zur Herstellung von Hohlwellen nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens lokale Bereiche der Werkstückrohlinge
nach dem Härten mit einem geeigneten Bearbei
tungsverfahren fertigbearbeitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Härten des Werkstückrohlings durch induktives
oder konduktives Härten erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Verfahrensschritt 1 beim Herstellen der
Stahlrohre gemeinsam mit einem Normalisierungs-
oder Rekristallisationsglühen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erforderlichen Bearbeitungsschritte und das
Härten des Werkstückrohlings in einer Fertigungs
linie erfolgen.
6. Geschweißtes oder nahtloses Stahlrohr als Halb
zeug für die Herstellung von Hohlwellen,
dadurch gekennzeichnet, daß
es einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,4%
und einen für Bearbeitungszwecke weichen Zustand
aufweist.
7. Geschweißtes oder nahtloses Stahlrohr nach An
spruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
es einen Kohlenstoffgehalt von 0,5 bis 0,8% auf
weist.
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