DE19854168C2

DE19854168C2 - Verfahren zur Herstellung eines verzahnten Getriebeteils

Info

Publication number: DE19854168C2
Application number: DE1998154168
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Koestermeier
Original assignee: Leico GmbH and Co Werkzeugmaschinenbau
Current assignee: Leifeld Metal Spinning GmbH
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2018-11-25
Also published as: DE19854168A1

Description

Die Anmeldung ist eine Zusatzanmeldung zum Hauptpatent DE 197 24 661. Die Offenbarung des Hauptpatents wird ausdrücklich auch zum Inhalt dieser Zusatzanmeldung ge macht.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines profilierten Getriebeteils gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Bei derartigen Verfahren ist es bekannt, durch eine radiale Verformung Körper zu stauchen und diese dabei mit einer Außen- oder Innenverzahnung zu versehen. Dies kann durch radiales Zustellen einer Verzahnungsrolle für eine Außen verzahnung oder durch Andrücken an einen außenverzahnten Drückdorn für eine Innenverzahnung erfolgen. Innen- und/ oder außenverzahnte Teile werden beispielsweise bei Star terkränzen, Zahnrädern oder Laufverzahnungen eingesetzt. Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Lamel lenträgers für Automatikgetriebe ist beispielsweise aus dem Artikel: "Drückwalzen von Verzahnungen in Lamellenträgern", in: Bänder, Bleche, Rohre, 1/1994, Seite 28 bekannt.

Bei Zahnrädern von Getrieben kommt es besonders darauf an, eine harte, verschleißarme Schicht an den Zahnflanken der Verzahnungen zu erzeugen, damit beim Eindringen von Schmutzpartikeln keine Mikrorisse in den Oberflächen der Zahnflanken entstehen. Die Vermeidung solcher Mikrorisse ist wichtig, da diese zur Grübchenbildung in der Zahnflan kenoberfläche und damit zur Zerstörung der Zahnflanken führen können.

Bei Getriebeteilen, bei welchen eine hohe mechanische Dauer- und Verschleißfestigkeit gefordert ist, werden Ver fahren eingesetzt, welche die Verfahrensschritte mecha nische Weichverarbeitung, Härten/Einsatzhärten und mecha nische Hartbearbeitung aufweisen. Die zu fertigenden Teile werden zunächst aus einem Gußteil oder Halbzeug spanend herausgearbeitet. Voraussetzung für die mechanische Bear beitung ist eine gute Spanbarkeit des Werkstoffs für das zu fertigende Teil. Dadurch können hohe Schnittgeschwindigkei ten realisiert werden, mit denen eine rationelle Fertigung möglich ist.

Eine Bearbeitung hochfester Werkstoffzustände ist schwie rig. Außerdem ist eine Verfestigung des Werkstoffes während der Bearbeitung unerwünscht. Der Grund dafür ist die daraus resultierende Werkzeugbeanspruchung, die zum vorzeitigen Versagen dieser führt oder den Einsatz von teuren Hartme tallwerkzeugen notwendig macht. Außerdem entstehen bei der spanenden Bearbeitung von hochfesten Werkstoffzuständen hohe Temperaturen, die zur Veränderung der Mikrostruktur des zu bearbeitenden Werkstoffes führen können. Es kann beipielsweise zu Ausscheidungsvorgängen kommen, die eine Versprödung zur Folge haben.

Weiterhin können lokale Gefügeveränderungen die Ausbildung einer inhomogenen, rißanfälligen Struktur verursachen. Dem kann nur durch einen wesentlichen höheren Kühlmittelein satz, was im Hinblick auf die Umweltbelastung unerwünscht ist, und durch die Herabsetzung der Schnittgeschwindigkeit begegnet werden.

Die durch eine zerspanende Verarbeitung erzeugten Oberflä chen weisen zudem Mikrorauhigkeit mit Rauhigkeitsspitzen und -tiefen auf. Bei einer statischen oder dynamischen Beanspruchung des gefertigten 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 Ober fläche. Weiter sind die durch das Zerspanen entstandenen Mikrokerben mögliche Ansatzpunkte für die Ausbildung von Rissen.

Daher erfolgt in den meisten Fällen nach der mechanischen Bearbeitung eine vollständige oder lokale Vergütung oder Einsatzhärtung des zu fertigenden Teiles. Dadurch wird die Verschleißneigung herabgesetzt, sowie die Dauerfestigkeit und die Tragfähigkeit des Teiles erhöht. Die Wärmebehand lung der Bauteile ist dabei immer mit Maßänderungen und Verzug verknüpft. Ursachen sind Eigenspannungen durch die Umwandlung des Gefüges und unterschiedliche Ausdehnung ein zelner Bereiche, die zu örtlichen plastischen Verformungen führen. Weiterer Nachteil einer Wärmebehandlung ist die Verzunderung der Oberfläche der behandelten Teile und der dazu notwendige Zeit- und Energieaufwand, der zu einer Ver teuerung des Fertigungsprozesses führt. Die wärmebehandel ten Teile müssen anschließend maßhaltig geschliffen werden, was einen zusätzlichen Fertigungsaufwand bedeutet.

Im Hauptpatent DE 197 24 661 wird zur Herstellung eines Zahnrades ein mikrolegierter, hochfester Haustahl verwen det, der beim Drückwalzen maximal umgeformt wird. Dabei wird eine hohe innere Festigkeit der geformten Zähne nach dem Umformprozeß erreicht. Die gewünschte Endhärte wird durch eine anschließende wärmeverzugsfreie Härtung ange strebt, welche aufgrund des fehlenden Wärmeverzuges eine Nachbearbeitung des Werkstückes entbehrlich macht.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem profilierte, insbesondere verzahnte Getriebeteile bei einer hohen Dauer- und Ver schleißfestigkeit einfach gefertigt werden können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das gattungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines profi lierten Getriebeteils, bei dem ein Werkstück aus einem Stahlwerkstoff durch Drückwalzen umgeformt wird und dabei eine Profilierung, insbesondere eine Verzahnung, in das Werkstück eingeformt wird, ist dadurch erfindungsgemäß wei tergebildet, daß das Werkstück bei einer Temperatur unter halb der Rekristallisationstemperatur des Stahlwerkstoffes drückgewalzt und dabei gezielt kaltverfestigt wird, daß nach dem Umformen die Oberfläche des mit der Profilierung versehenen Werkstückes wärmeverzugsfrei gehärtet wird und daß die Temperatur des Werkstücks während der wärmever zugsfreien Härtung der Oberfläche unterhalb der Rekristal lisationstemperatur des Stahlwerkstoffes gehalten wird.

Durch eine entsprechende Wahl der beim Verfahren auftreten den Temperaturen wird zuverlässig die Rekristallisation des Stahls vermieden und so eine hochqualitative Härtung der Oberfläche bereitgestellt. Bei einem Umformen bis an die Streckgrenze des Stahlwerkstoffes, welcher ein üblicher Um formstahl oder der spezielle Stahl gemäß der Hauptanmeldung sein kann, wird eine hohe Kaltverfestigung erreicht. Beim anschließenden Härten kommt es dabei nicht allein darauf an, daß durch zu schnelle Temperaturveränderungen ein Ver zug eintritt, sondern daß die Kaltverfestigung voll erhal ten bleibt. Dies wird durch ein Härten unterhalb der Rekri stallisationstemperatur erreicht. Diese ist abhängig vom Werkstoff sowie vom Umformgrad und kann unter 300°C liegen. Die beim Härten erreichte Härte addiert sich voll zu der beim Umformen erreichten Härte und Festigkeit, so daß für Getriebe einsetzbare hochfeste Teile herstellbar sind.

Das Verfahren wird bevorzugt in der Weise durchgeführt, daß die wärmeverzugsfreie Härtung der Oberfläche des Werk stückes durch galvanisches Auftragen einer harten Schicht erfolgt. Ein solches Auftragen einer galvanischen Schicht ist ohne Überschreitung der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffes möglich. Dabei wird ein Verzug beim gal vanischen Auftragen durch entsprechende Temperaturführung ausgeschaltet. Die Verzahnung bleibt sowohl im Hinblick auf die Festigkeit als auch geometrisch unverändert. Es kommt lediglich eine zusätzliche Schicht durch das galvanische Auftragsverfahren hinzu. Das galvanische Auftragen kann so wohl bei einem legierten als auch bei einem unlegierten Stahl erfolgen. Die erreichbaren Schichtdicken sind um ein Vielfaches größer als etwa beim Härten durch Ionenimplanta tion. Zum Härten können jedoch auch die Härt- und Beschich tungsverfahren eingesetzt werden, die in der Hauptanmeldung beschrieben sind, wobei jedoch auf die erfindungsgemäße Temperaturführung zu achten ist.

Es kann auch vorteilhaft sein, daß die wärmeverzugsfreie Härtung der Oberfläche des Werkstückes durch Einsatz eines Lasers erfolgt. Der Einsatz eines getakteten oder gepulsten Lasers ermöglicht eine gezielte, lokal begrenzte thermische Härtung in einer sehr kurzen Zeit, so daß keine Erwärmung des Restwerkstoffes bis in Bereiche der Rekristallisations temperatur eintritt. Die Geometrie der Verzahnung bleibt aufgrund der punktuellen Erwärmung unverändert. Ferner wird die Qualität der bereits verfestigten Zahnflankenoberfläche durch den Lasereinsatz nochmals verbessert, indem Rauhig keitsspitzen beseitigt werden. Durch den Einsatz eines Lasers kann eine Schichttiefe erzeugt werden, die um ein Vielfaches größer ist als die beim Ionenimplantieren er reichte Schichtdicke.

Bevorzugt erfolgt die wärmeverzugsfreie Härtung durch Einsatz eines Lasers in einer Oberflächenschicht von etwa 0,2 mm. Eine Härtung mit der genannten Schichtdicke gelingt in sehr kurzer Zeit. Dies bringt gleichzeitig mindestens zwei Vorteile mit sich. Zum einen wird durch die Kürze der Einsatzzeit des Lasers eine Erwärmung des Werkstückes in Bereiche der Rekristallisationstemperatur zuverlässig ver hindert. Zum anderen werden kurze Stückzeiten erreicht, so daß höchst effizient gearbeitet werden kann. Zudem kann das Getriebeteil in einer Einspannung auf einer Drückwalzma schine endgeformt sowie mit einem Laser an der Maschine ge härtet und somit komplett bearbeitet werden.

Weiter ist vorteilhaft, wenn das Härten der Oberfläche des Werkstückes unter Einsatz eines Schutzgases durchgeführt wird. Das Schutzgas wird auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, insbesondere auf Raumtempera tur gehalten. Das inerte Schutzgas ist vorzugsweise Argon, Helium oder ein Gemisch daraus.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Verzahnung durch einen Laser entgratet. Dies ist insbe sondere dann vorteilhaft, wenn auch die Härtung unter Ein satz eines Lasers erfolgt. Damit kann der Laser in Doppel funktion eingesetzt werden, was den apparativen Aufwand vermindert.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht dar in, daß das Schutzgas in Strömung versetzt wird und daß das Werkstück zumindest in dem zu härtenden Bereich gezielt mit dem Schutzgas angeströmt und auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur gekühlt wird. Das Schutz gas dient dabei als ein Kühlmittel, welche die erfindungs gemäße Temperaturführung unterstützt.

Dabei ist es bevorzugt, daß der Laser einen Laserstrahl er zeugt und daß parallel zu dem Laserstrahl ein Schutzgas strom erzeugt wird, der den Laserstrahl umhüllt und von der Umgebungsatmosphäre abschirmt. Der Schutzgasstrom schirmt die Bearbeitungsstelle von der umgebenden Sauerstoffatmos phäre ab, so daß eine unverwünschte Verzunderung der Werk stoffoberfläche verhindert wird. Des weiteren werden durch den Schutzgasstrom abgebrannte Werkstückteilchen von der Bearbeitungsstelle entfernt.

Eine besonders hohe Härte der Werkstückoberfläche wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß dem Schutzgas Diffu sionselemente beigemengt werden. Diese Diffusionselemente können beispielsweise Stickstoff, Bar, Kohlenstoff oder ein Siliziumdampf (SiCl₄) sein. Im Bereich der kurzzeiti gen, punktuellen Erwärmung der Werkstückoberfläche mittels des Lasers können diese Diffusionselemente in den Werkstoff eindiffundieren und so zu einer weiteren Erhöhung der Härte der Randschicht beitragen.

Um eine unerwünschte Erwärmung des Werkstoffes über die Rekristallisationstemperatur beim Härten zu vermeiden, kann das Härten in mehreren Schritten durchgeführt werden. Dabei ist es erfindungsgemäß, daß in einem ersten Schritt das Werkstück gehärtet und erwärmt wird, bis eine definierte obere Temperatur erreicht wird, die unterhalb der Rekri stallisationstemperatur liegt, daß das Härten unterbrochen und das Werkstück abgekühlt wird, bis das Werkstück eine definierte untere Temperatur erreicht hat, die unterhalb der oberen Temperatur liegt, und daß der erste Schritt so oft wiederholt wird, bis das Werkstück die vorgesehene Härte erreicht hat. Grundsätzlich ist es dabei möglich, daß für die einzelnen Schritte unterschiedliche Härtverfahren eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß, ausgehend von praktisch beliebigen Stählen, Getriebe teile wie Zahnräder oder Kupplungslamellenträger mit hoher Oberflächenhärte erzeugt werden können. Dies wird dadurch ermöglicht, daß bestimmte Temperaturbedingungen bei der Durchführung des Verfahrens berücksichtigt werden. Ent scheidend ist dabei, daß weder während des Drückwalzens noch bei der nachfolgenden wärmeverzugsfreien Härtung die Rekristallisationstemperatur des Werkstoffes überschritten wird. Da insbesondere kein lang andauernder Wärmeprozeß zur Härtung in der Fertigungskette erforderlich ist, reduziert sich die Herstellungszeit eines Werkstücks von bisher meh reren Stunden drastisch auf höchstens wenige Minuten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines profilierten Getriebe teils, bei dem

1. ein Werkstück aus einem Stahlwerkstoff durch Drück walzen umgeformt und
2. dabei eine Profilierung in das Werkstück eingeformt wird,

dadurch gekennzeichnet,

1. daß die Profilierung in das Werkstück bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstempera tur des Stahlwerkstoffes drückgewalzt und dabei das Werkstück gezielt kaltverfestigt wird,
2. daß nach dem Umformen die Oberfläche des mit der Profilierung versehenen Werkstückes wärmeverzugsfrei gehärtet wird und
3. daß die Temperatur des Werkstücks während der wärme verzugsfreien Härtung der Oberfläche unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Stahlwerkstoffes gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Werkstück beim Umformen eine Verzahnung eingeformt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten der Oberfläche des Werkstückes durch galvanisches Auftragen einer harten Schicht erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten der Oberfläche des Werkstückes durch Einsatz eines Lasers erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Härten der Oberfläche des Werkstückes ein ge takteter Laser benutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten mittels des Lasers auf eine Schicht tiefe bis höchstens 0,2 mm unterhalb der Oberfläche des Werkstückes begrenzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten der Oberfläche des Werkstückes unter Einsatz eines Schutzgases durchgeführt wird, welches auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisations temperatur gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas auf Raumtemperatur gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas in Strömung versetzt wird und daß das Werkstück zumindest in dem zu härtenden Be reich gezielt mit dem Schutzgas angeströmt und auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstem peratur gekühlt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Härten in mehreren Schritten durchgeführt wird,
daß in einem ersten Schritt das Werkstück gehärtet und erwärmt wird, bis eine definierte obere Temperatur erreicht wird, die unterhalb der Rekristallisations temperatur liegt,
daß das Härten unterbrochen und das Werkstück abge kühlt wird, bis das Werkstück eine definierte untere Temperatur erreicht hat, die unterhalb der oberen Temperatur liegt, und
daß der erste Schritt so oft wiederholt wird, bis das Werkstück die vorgesehene Härte erreicht hat.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück durch einen Laser entgratet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas Diffusionselemente beigemengt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser einen Laserstrahl erzeugt und daß parallel zu dem Laserstrahl ein Schutzgasstrom erzeugt wird, der den Laserstrahl umhüllt und von der Umgebungsatmosphäre abschirmt.