DE3229115A1 - Verfahren zur herstellung der zaehne von hochleistungszahnraedern - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung der Zähne von Hochleistungszahnrädern

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Herstellungsverfahren zur Steigerung der Zuverlässigkeit von Hochleistungzahnrädern. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung üblicher Herstellungsverfahren von Zahnrädern hoher Festigkeit, was ein teueres Fertigschleifen der Zähne des Zahnrades erfordert.

Übliche Herstellungsverfahren für hochfeste Zahnräder umfassen den Fertigungsvorgang des Fertigschleifens, um bestimmte Abmessungen für einen sauberen Eingriff und die gewünschte Belastungsart zu erhalten. Da die Berührung von aufeinander auflaufenden Oberflächen von hochfesten Zahnrädern eine sehr harte Oberflächenstruktur für Verschleiß- und Dauerfestigkeit erfordert, ist die hauptsächliche spanabhebende Formgebung für Metall, die die gewünschte Wirkung erzielt, das Schleifen für Hochleistungszahnräder. Viele Beeinträchtigungen, wie beispielsweise Schleifschaden,der Oberflächengüte gehen mit

BÜRO 6370 OBERURSEL" I.INDENSTKASSE 10 TEL. 06171/56849 TELEX 4186343 real d

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2WEtGBURU. «3·» PASSAU LUDWICSTRASSE 2 TEL. 0851 Je*16

dem Oberflächenschi eifverfahren einher. Diese Beeinträchtigungen umfassen örtliches Verbrennen, strukturelle Umwandlungen (ungetemperter und getemperter Martensit), Schleifrisse und Entfernung von vergütenden Oberflächen-

c bestandteilen und nachteilige Restspannungen, was alles die erwünschte Dauerfestigkeit oder Oberflächenfestigkeit des Zahnrades vermindert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der ._n im Oberbegriff des Anspruchs 1 umrissenen Gattung zu schaffen, das die Herstellung eines Zahnrades höherer Qualität und größerer Zuverlässigkeit bei geringeren Kosten ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß die aufgekohlte Oberfläche eines Zahnradzähnes eines wälzgefrästen Zahnradrohlings im austenitischen Zustand in einem gleichförmigen Temperaturbereich knapp oberhalb der Temperaturgrenze des Beginnes der Martensitumwandlung für die auf-

2Q gekohlte Randzone geformt wird. Die Formgebung des aufgekohlten Zahnradzähnes im austenitischen Zustand wird durch Formwälzen (swage rolling) eines Meister-Formzahnes über die Evolventenzahnflanke in einer Art und Weise bewerkstelligt,daß das im Bereich der Oberfläche des Zahnes liegende Metall des wälzgefrästen Zahnradzahnes zur Anpassung ari die Evolvente und die Zahnkopfflanke des Meister-Formzahnes fließt.

Zusätzlich wird im grossen Maße die Oberflächenbeschaffenheit und die Mikrostruktür der Randzone bezüglich Korngröße . und Festigkeit der umgewandelten Randzone verbessert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Schleifbearbeitungen mit den damit verbundenen Oberflächenverschlechterungen vermieden werden können.

Weiter~e Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Aus-

führungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 ein Zeit-Temperatur-Diagramm für einen aufgekohlten Chromnickelstahl 3310. (US-Standard),

Fig. 2 ein Schaubild zur Darstellung der Beziehung zwischen Festigkeit und Korngröße.

Hochfeste Zahnräder werden im allgemeinen aus einer gering aufgekohlten Stahlsorte hergestellt, bei der die Oberfläche und die unter der Oberfläche liegenden Bereiche mit Kohlenstoff bis zu einer bestimmten Tiefe angereichert worden sind. Der höhere Kohlenstoffgehalt dient zur Steigerung der Härte und zur Verfestigung des Materials entlang der Flächen, die beim Eingriff der Zähne der Zahnräder miteinander in Berührung kommen, und zur Verfestigung des Materials unterhalb dieser Flächen.

Die Steigerung der Härte resultiert aus einer Umwandlung in eine tetragonale, sehr feinkörnige kristalline Struktur des Stahles vom austenitischen Zustand in den martensitischen Zustand oder aus einer isothermen Umwandlung zu Troostit mit* harten metallischen Bestandteilen von Eisenkarbid, die aufgrund des Abschreckens in der Martensitmatrix vorhanden sind.

Bei üblichen Zahnradherstellungsverfahren wird der wälzgefräste Zahnradrohling schnell durch den austenitischen Bereich hindurch durch Eintauchen des Zahnradrohlings in warmes Öl oberhalb der M -Temperatur abgeschreckt. Der wälzgefräste Rohling wird auf dieser Temperatur gehalten bis das Zahnrad die M -Temperatur erreicht, worauf das Zahnrad in der Luft in einen umgewandelten Martensitzustand abgekühlt wird. Der Fachausdruck für dieses Verfahren ist Martensitabschreckung,

der zu einer Martensit-Struktur führt. Der wälzgefräste Rohling wird nachfolgend auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, um die Struktur weicher zu machen, und um ihm Zähigkeit zu verleihen. Nachdem das Anlassen durchgeführt worden ist, wird das Zahnrad zur abschließenden Bearbeitung auf bekannte Weise zur Herstellung von Hochleistungszahnrädern geschliffen. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet den SchLeifVorgang, wodurch eine mikrostrukturell verbesserte Zahnfläche des Zahnrades geschaffen wird.

Gemäß Fig. 1 ist das Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild für einen Chromnickelstahl 3310 dargestellt, der auf einen Kohlenstoffgehalt von ungefähr 1% in der Oberfläche aufgekohlt ist. Der aufgekohlte Chromnickelstahl 3310 wird im allgemeinen zur Herstellung von Hochleistungszahnrädern in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet.

Das Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild zeigt die Zeitspannen, die für Austenit zu Beginn und zur Vollendung der Umwandlung bei der jeweiligen Temperatur nötig sind. Hierzu ist die Temperatur auf der Ordinate und die Zeit im logarithmischen Maßstab auf der Abszisse aufgetragen.

!5 Nachdem ein Zahnrad aus aufgekohltem Chromnickelstahl 3 310 über seine kritische Temperatur zur Umwandlung in den austenitischen Zustand erwärmt worden ist, wird es schnell und isotherm mit einer Geschwindigkeit abgeschreckt, die die kritische Abkühlgeschwindigkeit über-

!0 schreitet, wie dies es durch die Linie 1-2 in dem Diagramm gemäß Fig. 1 dargestellt ist, wobei die Abschreckung in einem Medium vorgenommen wird, welches eine Temperatur knapp oberhalb derjenigen Temperatur hat, bei welcher die Martensitbildung beginnt und ein metastabiler Austenit erhalten wird. Die kritische Abkühlgeschwindigkeit wird mittels des Verlaufes der Linie 1-2 bestimmt, die die'Nase der Umwandlungskurve nicht aufweist, bei der die Bildung von Perlit und/oder Troostit beginnt.

Ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung ist darin zu sehen, eine aufkohlbare Stahlsorte zu wählen, wie beispielsweise den aufgekohlten Chromnickelstahl 3310, der eine Umwandlungskurve mit einem metastabilen austenitisehen Zustand knapp oberhalb des Martensitbereiches für eine Zeitspanne aufweist, die genügend lang andauert, so daß die Herstellung der Oberflächen der Zahnradzähne möglich ist. Das in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild verdeutlicht, daß der metastabile austenitische Zustand entlang der Linie 2-3 mehr als 30 Minuten bei einem Aufkohlungsgrad von 0,8 bis 1% Kohlenstoff andauert.

Um die maximale Zeit zum Walzen im metastabilen austenitischen Zustand zu ermöglichen, sollte die Abkühlung knapp oberhalb des Martensitbereiches durchgeführt werden. Gemäß Fig. 1 liegt die Linie 2-3 bei ungefähr 23O°C (45O⁰F).

Bei der Herstellung von Zahnradzähnen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Verfahrensschritt vorgesehen, bei dem das Zahnrad einer Schmiede/Walzbearbeitung unterworfen wird, wodurch die Zahnradzähne durch Verformen der aus metastabilem Austenit bestehenden aufgekohlten Schicht vor deren Umwandlung zu Martensit während eines Vorumwandlungs-Zeitabschnittes bei einer Temperatur unterhalb derjenigen gebildet· werden, bei der die Rekristallisation des Austenits abläuft und knapp oberhalb der M -Temperatur der aufgekohlten Schicht. Dieses Verfahren stellt eine Methode zur Schaffung von extrem hohen Festigkeiten bei den gegenwärtigen, durch Aufkohlung einsatzgehärteten Zahnrädern dar, die mittels üblicher Wärmebehandlungsverfahren bearbeitet werden können.

Gemäß Fig. 2 ist verdeutlicht, daß die Bruch- und Fließfestigkeit zunimmt, wenn die Korngröße kleiner wird. Dies entspricht der grundlegenden Erkenntnis der Beziehung zwischen Korngröße und mechanischen Eigenschaften, die

empirisch beobachtet und theoretisch substantiiert worden ist. Es ist bekannt, daß die Fließ- und Bruchfestigkeit einer Vielzahl von kristallinen Festkörpern zu dem Kehrwert der Quardratwurzel der Korngröße von Martensit und Troostit umgewandelten Kristallstrukturen proportional ist. Die Korngröße des Martensit ist umgekehrt proportional zum Grad der Austenitverformung.

Die Formgebung mittels Wärmebehandlung des metastabilen Austenits bei einer Temperatur, die zu niedrig für die Rekristallisation ist, aber die oberhalb des Martensitumwandlungspunktes liegt, hat eine hohe Versetzungsdichte zur Folge, die ein viel feineres Netzwerk von Karbiden bei der Umwandlung in das in Martensit umgewandelte oder in das isotherm niedrigere Troostit umgewandelte Produkt zur Folge hat. Dar verformte, teilweise vorliegende Austenit erzeugt eine sehr feine Korngröße, die eine günstige Kristallstruktur des umgewandelten Martensit oder Troostites aufweist, was die Eigenschaft extrem hoher Festigkeit ergibt.

Die Eigenschaft der hohen Festigkeit, die sich durch den aufgrund der Umwandlung eines wärmebehandelten metastabilen Austenites entstandenen Martensit ergibt, kann

J5 durch den Umstand des tatsächlich feinen Kornes des Produktes erklärt werden, das von dem bruchstückhaften Korn des warmverformten Austenites umgewandelt wurde. Eine einzelne Platte von Martensit aus einem derartig verformten Austenit kann sich auch nicht nur annähernd

}0 auf große Abmessungen ausdehnen, wie dies Platten aus Martensit von normalem, nicht verformtem,metastabilem Austenit können. Die Martensitplatte kann nicht über ein warmverformtes Austenitband ohne eine erhebliche Richtungsänderung hinaus wachsen. 5

Das Abschrecken kann unter Verwendung eines sehr schnell abschreckenden Öles bei einer Temperatur von beispielsweise ca. 23O°C durchgeführt werden. Während sich der

".to-

Zahnradrohling im gleichförmigen Temperaturbereich im austenitischen Zustand befindet, werden seine Zahnradzähne in die gewünschte Form gebracht, wie dies oben beschrieben ist. Nach der Formgebung kann das Zahnrad an der Luft durch den Martensitbereich des aufgekohlten Wandbereiches abkühlen oder isotherm auf den niedrigeren Troostit in einem Ölbad von ungefähr 23O°C umgewandelt werden, um eine Oberflächenhärte einer Rockwellhärte von annähernd RC 59-62 zu erhalten. Schließlich wird das fertige Zahnrad mittels Zahnradwalzen bei Raumtemperatur geglättet, um noch verbliebenen Austenit "kalt zu härten".

Die Evolventen zähne des.Zahnrades sind' in ihrer Stärke relativ zu dem gewünschten Endmaß in Breitenrichtung überdimensioniert ausgebildet,' wobei sich die Überdimensionierung±neiner Größenordnung von ungefähr 0,04 mm bis ungefähr 0,05 mm bewegt. Der Zahnradrohling, der mit einer geeigneten Abschreckgeschwindigkeit in den metastabilen austenitisehen Zustand abgeschreckt worden ist, wird zum Formwälzen in Eingriff mit einem . Meister-Formzahnr-ad

bewegt, das in Öl . derselben Temperatur eingetaucht worden ist.

Das Zahnradwalzwerkzeug weist vorzugsweise ein sich nach innen verjüngendes Ende auf der Seite auf, die zuerst mit dem Zahnradrohling in Berührung kommt, um den Eingriff des Werkzeuges und des Zahnradrohlings zu unterstützen und jeden Zahnradzahn so zu bearbeiten, daß

^QU ungefähr 0,03 mm Metall von jedem Zahn verdrängt werden. Nach diesem Bearbeitungsvorgang verbleibt das Werkstück in Drehung und in Eingriff mit dem Walzwerkzeug und wird zu einer bestimmten Zeit radial gegen das Walzwerkzeug unter Aufbringen eines gesteuerten Belastungsmaßes gedrückt, was die Fließrichtung des verdrängten Metalles auf den Verlauf der Fläche der Evolventenverzahnung ausrichtet. Vorzugsweise kann die Last zunehmend gesteigert werden, damit sie das verdrängte Material dem

J i'-^nnungsverlauf des Materials anpaßt, wodurch ein kronen-' or.niger Zahn und eine sehr glatte Oberfläche erzeugt werden können. Der Zahnradrohling weist eine Verzahnung mit annähernd 0,03 mm Übermaß nach dem Schmieden bezügj lieh der Zahndicke relativ zur endgültigen Dicke auf, -ο -ίίί? das Zahnrad den Abmessungstoleranzen der AGMA entspricht, die für Hochleistungszahnräder ohne die Not-•..ndigkeit des Schleifens gefordert sind. Die Verdrängung des Metalls während des Walzvorganges nach dem Schmieden -gt bei annähernd 0,03 mm. Da Schleifen nicht nötig ist, ,. iunen bis zu 70% Zunahme an Oberflächenhaltbarkeit bei im gegebenen Berührungsspannungsniveau erreicht werden.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist der Kern der Erfindung darin zu sehen, daß die aufgekohlte Oberfläche eines Zahnradzahnes geformt wird, während sie sich im metastabilen austenitischen Zustand knapp oberhalb des Beginnes der Martensitumwandlungstemperatur des aufgekohlten Randbereiches befindet. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der physikalische Zustand der Oberfläche des Zahnradzahnes aufgrund einer Reduzierung ■ der Maximal-Minimalrauheit zur Erzeugung einer glatteren Oberfläche und zur Aufrechterhaltung eines hydrodynamischen Schmierfilmes bei hohen Belastungen verbessert. Darüber hinaus weisen die Oberflächen der Zahnradzähne eine verbesserte metallurgische MikroStruktur und ein verbessertes Haltevermögen für Schmiermittel auf den Berührungsflächen der Zahnradzähne auf, um einen hydrodynamischen Film zwischen den Zahnradzähneflächen aufrechtzuerhalten. Derartig hergestellte Oberflächen von Zahnradzähnen weisen eine größere Berührungsdauerfestigkeit und eine längere Lebensdauer mit größerer Zuverlässigkeit auf, als Zahnräder, deren Zähne durch Schleifen mit einem Evolventenprofil versehen worden sind.

Claims (5)

■PATENTANWALTSBÜRO REGISTERED REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE International Harvester Co. Chicago, Illinois U.S.A. PATENTANWÄLTE R.-A. KÜHNEN", dipl.-ing. W. LUDERSCHMIDT**, DR.. DlPL-CHEM. P.-A. WACKER*, DlPL-INC, DII'L-WIRTSCH.-ING 16 IHOl 11 2/bu Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Zahnradzähnen eines Hochleistungszahnrades, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein wälzgefräster Zahnradrohling mit aufgekohlten Zahnoberflächen über seine kritische Temperatur zur Erreichung einer metastabilen austenitischen Struktur in seiner aufgekohlten Randzone erwärmt wird,

b) der Zahnradrohling isotherm mit einer größeren Geschwindigkeit als der kritischen Abkühlgeschwindigkeit seiner aufgekohlten Randzone bis auf eine einen gleichförmigen metastabilen austenitischen Zustand erbringende Temperatur knapp oberhalb der Temperatur des Beginnes der Martensitumwandlung abgeschreckt wird,

c) die Temperatur des Zahnradrohlings in dem gleichförmigen Temperaturbereich gehalten wird, während die Oberflächen der Zahnradzähne in die gewünschte Form vor Ablauf der Martensitumwandlung formgewälzt

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werden, und

d) das Zahnrad durch den Martensitbereich für die aufgekohlten Zahnradoberflächen zur Härtung der Zahng radoberflachen abgekühlt wird.

2. Verfahren zur Herstellung von Zahnradzähnen eines Hochleistungszahnrades, dadurch gekennzeichnet, daß

η _n a) ein wälzgefräster Zahnradrohling mit aufgekohlten Oberflächen der Zahnradzähne über seine kritische Temperatur zur Erreichung einer metastabilen austenitischen Struktur in seiner aufgekohlten Randzone erwärmt wird, wobei die Zahnradzähne ungefähr 0,05

I^ ram (0,002 inohes) Übermaß bezüglich ihrer Dicke in Breitenrichtung gegenüber der gewünschten endgültigen Zahnabrnessung aufweisen,

b) der Zahnradrohling mit einer Abkühlgeschwindigkeit seiner aufgekohlten Randzone bis zu einer gleichförmigen austenistischen Temperatur oberhalb der Temperatur der Martensitbildung abgeschreckt wird,

c) der Zahnradrohling in dem gleichförmigen Temperäturbereich gehalten wird, während die Oberflächen der Zahnradzähne in die gewünschte Form formgewälzt werden, bevor die Martensitumwandlung abläuft, wobei die Verdrängung des Metalls in einem Bereich von annähernd 0,03 mm (0,001 inches) bis 0,05 mm (0,002 inches) liegt, und

d) das Zahnrad durch den Martensitbereich der aufgekohlten Zahnradoberfläche zur Härtung der Zahnradoberflächen abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur abschließenden Bearbeitung eine leichte Kaltverformung der Oberflächen der Zahnradzähne bei

3
Raumtemperatur durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschreckvorgang in einem Ölbad, das auf einer Temperatur von annähernd 2 3O°C (4 5O°F) gehalten wird, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Wälzbearbeitung deröberf lache der Zahnradzähne bei einer gleichförmigen austenitischen Temperatur folgende Verfahrensschritte aufweist:

a) ein Forrawäl/.en des oberen Endbereiches eines jeden Zahnradzahnes zur Verdrängung von wenigstens annähernd 0,03 mm (0,001 inches) bis wenigstens annähernd 0,05 mm (0,002 inches) von Metall, und

b) ein schrittweises Erhöhen der Belastung der seitlichen Flächen der Zahnradzähne in einer Richtung radial nach innen zur Verdrängung von Metall in

dem Zahnradfußbereich zwischen benachbarten Zähnen zur Formung einer kronenartigen Oberfläche.