DE3834401C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen
Nockenwelle, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, bei dem auf einer
vorgefertigten rohrförmigen Welle einzelne Nocken nachträglich aufgebracht
werden.
Nockenwellen werden üblicherweise massiv gegossen; die Nocken selbst werden
durch Drehen und Schleifen auf Sollmaß gebracht. In den letzten Jahren
wurden im Hinblick auf die Mehrventiltechnik leichte und hohlförmige Nocken
wellen gefordert. Dies begünstigt konstruktiv die zentrale Schmierung und
erlaubt Materialeinsparungen. In jüngster Zeit gibt es praktische Ansätze
dafür, die Nockenwellen aus einzelnen Segmenten zusammenzusetzen. Dabei
werden einzelne, rohrförmige Wellensegmente mit bereits fertig bearbeiteten
Nocken zur Gesamtwelle zusammengesetzt, oder aber es werden einzelne Nocken
auf ein einstückiges Wellenrohr aufgebracht und mit diesem durch Kleben,
Löten oder mechanisch verbunden. Für das Verbinden von hohlförmiger Welle
und vorgefertigten Nocken, sowie eventuell von Lagerelementen, sind eine Viel
zahl von Verfahren vorbeschrieben.
Am gebräuchlichsten sind
- - das Aufschrumpfen der Nocken auf die rohrförmige Welle,
- - das Auffädeln der Nocken auf die Welle und das anschließende Aufweiten des Rohres über geeignete Druckmittel, z. B. mittels einer explosions artigen Hochgeschwindigkeitsumformung (DE-AS 22 32 438),
- - das thermische Aufweiten unter gleichzeitigem Stauchen des Rohres mittels an den Enden angebrachter Spannbacken (DE-OS 34 31 361), oder auch
- - eine Kombination von Aufschrumpfen der Nocken und elastischem Aufweiten der rohrförmigen Welle (DE-AS 26 57 479).
Als spezifisches Verfahren zum Aufbringen der Nocken auf der Welle ist
u. a. das Auflöten in Verbindung mit dem Rohraufweiten vorbeschrieben
(DE-OS 34 31 361). Dabei werden dort zur Erhöhung der Klemmwirkung sowie
zur Erzielung einer hochfesten Lötverbindung die Nocken an ihrer Innen
umfangsfläche mit einer Kerbverzahnung versehen.
Derartige Techniken erhalten immer größere Bedeutung, weil die Automobil
industrie wegen der verschärften Abgasforderung zunehmend Motorentwick
lungen mit vier oder mehr Ventilen pro Zylinder auf den Markt bringt und
damit die Zahl der Nocken pro Welle bzw. pro Verbrennungskraftmaschine
entsprechend erhöht wird. Gegossene und mittels Drehen und Schleifen fertig
bearbeitete Nockenwellen sind gegenüber Nockenwellen mit aufgesteckten
Nocken in der Herstellung heute noch wirtschaftlicher. Die neue Technologie
der zusammengesetzten Nockenwelle bringt aber wesentliche Vorteile hin
sichtlich konstruktiver Weiterentwicklung der nockenwellengesteuerten Brenn
kraftmaschine sowie hinsichtlich der Werkstoffauswahl und Formgebung für
die Nockenwelle.
Eine gegossene Nockenwelle besteht aus einem einheitlichen Werkstoff. Die
einem besonderen Verschleiß ausgesetzten Nocken werden häufig zusätzlich
oberflächenbehandelt bzw. erhalten eine besonders verschleiß- und abrieb
feste Oberflächenschutzschicht. Demgegenüber können bei rohrförmigen Wellen
mit aufgesetzten Nocken für beide Teile unterschiedliche Werkstoffe
eingesetzt werden (DE-OS 23 36 241).
In der besagten Offenlegungsschrift wird beispielsweise ausgeführt, für die
auf die rohrförmige Welle aufgesetzte Nocken gesinterte, sinter
geschmiedete, gegossene, fließgepreßte, gestanzte oder auch gedrehte und
gefräste Teile zu verwenden und diese durch Kleben, Schweißen, Hartlöten,
Schrumpfen oder Dehnen fest mit der Welle zu verbinden.
Ein Nachteil aller vorbeschriebenen Verfahren zum nachträglichen Aufbringen
von Nocken auf eine Welle ist die Schwierigkeit bzw. der große technische
Aufwand zur Vorbearbeitung der Nocken und zu deren genauer Positionierung
und Fixierung auf der Welle. Die Verfahrensabstimmung des Aufweitens bzw.
des Aufschrumpfens im Hinblick auf die für die rohrförmige Welle sowie für
die Nocken vorteilhafterweise verwendeten Materialien ist ebenfalls noch
nicht technisch ausreichend gelöst. Die Werkstoff-Auswahl erfordert große
Kompromisse.
Schließlich bedeutet ein Aufweiten der rohrförmigen Welle in der Regel ein
Fließen des Materials und somit die Ausbildung unterschiedlicher Wand
stärken in Teilbereichen der rohrförmigen Welle. Diese Gesichtspunkte sind
bei der Dimensionierung der Rohrwandstärke angemessen zu berücksichtigen,
d. h. es müssen zur Gewährleistung ausreichender Festigkeitseigenschaften
relativ dickwandige Rohre eingesetzt werden. Das aber läuft dem Bemühen
nach möglichst leichten Nockenwellen für kraftstoffsparende Brennkraft
maschinen entgegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist danach die Bereitstellung eines gegen
über dem Stand der Technik technisch weniger aufwendigen und damit wirt
schaftlicheren Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle
unter Verwendung einer vorgefertigten rohrförmigen Welle, auf die nachträg
lich Nocken und eventuell andere Lager- oder Verschleißteile aufgebracht
werden. Das erfindungsgemäße Verfahren soll insbesondere den Bau sehr leichter
Nockenwellen mit möglichst dünnwandigen Wellen ermöglichen. Auswahl
kriterien für die Werkstoffe bei Welle und Nocken sollen vornehmlich eine
Optimierung der geforderten und in einzelnen Bereichen der Nockenwelle
unterschiedliche mechanische Festigkeiten und Verschleißfestigkeiten sein,
ohne Kompromisse mit Rücksicht auf die bis heute nur dann gegebene Herstell
barkeit.
Diese Aufgabe wird gemäß Erfindung dadurch gelöst, daß das Nockenmaterial
als Pulver auf die vorgefertigte, rohrförmige Welle aufgepreßt und aufge
sintert wird, daß die Welle und das Nockenmaterial in eine verlorene Preß
hülle eingebracht und in dieser Anordnung mittels eines Druckmediums
isostatisch gepreßt werden und daß weiterhin das Druckmedium während des
Preßvorganges freien Zutritt zum Rohrinneren erhält.
Bevorzugte Verfahren gemäß Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Das erfinderische Verfahren wird vornehmlich zur Herstellung metallischer
Nockenwellen verwendet, ist aber nicht auf diese Ausführungen beschränkt.
Insbesondere für die Ausbildung der Nocken ist die Verwendung von Hart
metallen, von metallkeramischen oder auch rein nichtmetallischen
Materialien denkbar.
Es ist in Anwendung bekannter Techniken ferner denkbar, in die Preßhülle im
Bereich der Nocken zunächst ein Material A in Form einer vergleichsweise
dünnen Schicht einzubringen und dann den Nockenbereich
der Preßhülle mit
einem pulverförmigen Material B aufzufüllen. Das Material A kann beispiels
weise in einer Mischung mit einem später ausdampfbaren Haftungsmittel in
die Preßform eingespritzt oder auch in Form metallischer Tücher, d. h. in
Form eines Gemisches aus verschleißfestem Material und elastischem,
ausdampfbarem Bindematerial, eingebracht werden.
Das Kunststoff-Blasverfahren ist heute ein weitverbreitetes wirtschaft
liches Verfahren, nach dem eine Vielzahl von Kunststoffen, insbesondere
Polyäthylene, in eine schlauchartige Rohform extrudiert und diese in noch
nicht ausgehärtetem Zustand anschließend mittels Preßluft gegen eine Form
werkzeugwand gepreßt und ausgehärtet werden.
Bei der Auswahl der für eine Preßhülle geeigneten Kunststoffe ist selbst
verständlich auf für den Pulverpreßvorgang ausreichende Elastizität und
Festigkeit zu achten, denn derartige in der Pulvermetallurgie verbreitete
Preßverfahren erfolgen bei Preßdrucken zwischen 500 und 4000 bar. Das Druck
medium ist vornehmlich Wasser. Das ergibt eine mittlere Preßschrumpfung des
in die Hülle eingeschütteten und durch Rütteln leicht vorverdichteten
Pulvermaterials von größenordnungsmäßig 15-25%.
Bei der dimensionsmäßigen Auslegung der Hüllenform ist der Tatsache aus
reichend Rechnung zu tragen, daß die auf die vorgefertigte Welle aufge
preßten Nocken-Grünlinge während der anschließenden Sinterung um weitere
15-20% ihres Volumens schrumpfen. Die Preßhülle ist weiterhin so zu
dimensionieren, daß diese außerhalb der Nockenbereiche formschlüssig an der
rohrförmigen Welle anliegt und damit eine unerwünschte Exzentrizität der
Nockenwelle vermieden wird.
Um für den Preßvorgang sicherzustellen, daß die Preßhülle dicht auf der
äußeren Oberfläche der Welle an deren Enden aufliegt und gleichzeitig
gewährleistet ist, daß das Druckmedium während des Preßvorganges ungehin
derten Zutritt zum Inneren der rohrförmigen Welle erhält, wird die Preß
hülle vorteilhafterweise mittels einer metallischen Manschette mechanisch
auf der Wellenoberfläche im Endenbereich aufgeklammert.
Der ungehinderte Zugang des Druckmediums zum Rohrinneren während des Preß
vorganges ist wünschenswert, einmal, um bei den hohen Druckbeaufschlagungen
während des Pressens das vergleichsweise dünnwandige Wellenrohr nicht zu
verformen, zum anderen um sicherzustellen, daß das Aufpressen des Nocken
materials auf die vorgefertigte Welle preßtechnisch ein einseitiges Auf
pressen und Verdichten ist. Das erleichtert eine ausreichend gleichförmige
Pulververdichtung und die Einhaltung der gewünschten Grünlingsabmessungen.
Die Endenbereiche der vorgefertigten rohrförmigen Welle, d. h. die
Abschnitte zwischen Wellenende und erster Nocke, müssen ausreichend lang
sein, um einen pulverdichten Abschluß zwischen Preßhülle und Wellenober
fläche zu ermöglichen. Es kann daher erforderlich sein, die zunächst über
dimensionierte rohrförmige Welle nach dem Preßvorgang abzulängen.
Alternativ oder auch ergänzend können auf der Nockenwelle im Anschluß an
den erfinderischen Preßvorgang separat zu Grünlingen verpreßte Wellenenden
beliebiger Ausgestaltung auf die Welle auf- oder in diese eingeschoben und
in einem gemeinsamen Sinterprozeß mit den Nocken auf die Welle aufgesintert
und über Diffusionsverbinden materialschlüssig mit der Welle verbunden
werden.
Nach einer besonderen Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens wird eine
vorgefertigte rohrförmige Welle aus einem vergleichsweise duktilen und
fließfähigen Material, z. B. Kupfer, verwendet und die Form der verlorenen
Preßhülle so dimensioniert, daß pulverförmiges Nockenmaterial auch im
Bereich zwischen einzelnen Nocken als Schicht auf die Welle aufgepreßt und
anschließend aufgesintert wird.
Bei dem so entstehenden "doppelwandigen Rohr" wird in der Regel die Biege
festigkeit der Nockenwelle durch die äußere Wandung bestimmt.
Vorteilhafterweise wird in diesem Fall die Welle während des isostatischen
Pressens gegen Verzug geschützt, indem während dieses Verfahrensschrittes
zumindest abschnittsweise perforiertes Stahlrohr paßgenau in die vorge
fertigte rohrförmige Welle eingeführt wird. Die Perforation erlaubt den
Durchtritt des Preßmediums zur inneren Rohroberfläche der vorgefertigten
Welle.
Über das erfinderische Verfahren läßt sich eine "nar net shape" Formgebung
erzielen, d. h. die so vorgefertigte Nockenwelle muß nach dem Sintern nur
noch in einem abschließenden Schleifprozeß auf die geforderte Oberflächen
güte und auf die Endabmessungen innerhalb der erlaubten Dimensions
toleranzen gebracht werden.
Entsprechend dem verwendeten Begriff "verlorene Preßhülle" wird die Kunst
stoff-Preßhülle nach dem Preßvorgang vom Preßling abgelöst bzw. abgebrannt
und ist nicht wiederverwertbar. Der anschließende Sintervorgang erfolgt
nach bekannten Verfahren. Um Sinterverzug zu vermeiden und dennoch wirt
schaftlich zu arbeiten, werden die Nockenwellen vorteilhafterweise senk
recht hängend gesintert. In Ausnahmefällen ist nach dem Sintern eine
Werkstoff-Nachbehandlung zur Wiederherstellung der durch das Sintern
verlorengegangenen mechanischen Wellenmaterial-Eigenschaften erforderlich.
Die rohrförmige vorgefertigte Welle wird vornehmlich zylinderförmig sein.
Sie kann aber auch im Querschnitt die Form eines polygonalen Vieleckes
aufweisen.
Die vorgefertigte Welle wird vor dem Aufpressen des Pulvermaterials vorteil
hafterweise entsprechend dem bekannten Stand der Technik vorbehandelt, um
das Aufsintern des aufgepreßten Nockenmaterials unter Diffusionsbindung mit
dem Wellenmaterial zu erleichtern. Solche Maßnahmen sind beispielsweise das
Sandstrahlen oder das Phosphatisieren der Oberfläche.
Zur Verminderung mechanischer Spannungen zwischen den unterschiedlichen
Materialien für Nocken und rohrförmige Welle kann die Ausgestaltung einer
Zwischenschicht aus einem dritten Werkstoff vorteilhaft sein.
Mechanische Spannungen können zu Rissen, ungünstigstenfalls zum Ablösen der
Nocken von der Welle führen. Das Zwischenschichtmaterial sollte bezüglich
Schrumpfverhalten und thermischer Ausdehnungskoeffizient in seinen Eigen
schaften zwischen denen des Nocken- und des Wellenmaterials liegen oder
aber selbst hohe Duktilität und Fließfähigkeit besitzen. Derartige Zwischen
schichten lassen sich beispielsweise vor dem Einführen in die Preßhülle auf
Teilbereiche der vorgefertigten Welle aufspritzen, auftragen oder als
geformtes Blech paßgenau aufschieben.
Der wesentliche Vorteil des vorliegenden erfinderischen Verfahrens gegen
über dem bekannten Stand der Technik zur Herstellung rohrförmiger Nocken
wellen unter Verwendung eines vorgefertigten Wellenrohres liegt in der
wirtschaftlichen Fertigung bei im Unterschied zum Stand der Technik
praktisch nicht eingeschränkter
Materialauswahl. Der wirtschaftliche
Vorteil des erfinderischen Verfahrens rührt einmal daher, daß sich ver
lorene Preßhüllen kostengünstig nach dem Kunststoff-Blasformverfahren und
doch mit großer maßlicher Reproduzierbarkeit und Qualitätskonstanz her
stellen lassen. Zum anderen lassen sich nach diesem Verfahren
"near net shape"-Nocken auf die rohrförmige Welle aufsintern, welche
abschließend allein mittels eines vergleichsweise kostengünstigen Schleif
vorganges in den einsatzfertigen Zustand gebracht werden.
Die Herstellung von Nockenwellen gemäß Erfindung und Weiterverarbeitung bis
zum einsatzfähigen Produkt ist wirtschaftlicher als die Herstellung durch
Gießen und spanabhebende sowie Schleifbearbeitung.
Die materialtechnischen und konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten von
Nockenwellen werden bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens viel
fältiger als bei Herstellung nach bekannten Verfahren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
Zur Herstellung der Nocken einer Nockenwelle wurde ein Legierungspulver,
bestehend aus 5 Gew.-% Chrom, 1 Gew.-% Silizium, 0,5 Gew.-% Mangan, 0,5 Gew.-%
Phosphor, 0,15 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, mit 2,4% Graphit innig
vermischt und in eine vorbereitete verlorene Preßhülle in Nockenwellenform
eingefüllt. Anschließend wurde die mit einer aufgesetzten Kappe vorüber
gehend verschlossene, vorgefertigte, rohrförmige Welle von unten in die mit
Pulver gefüllte Preßhülle eingeführt und unter Vibration nach oben bewegt.
Die überfüllte Pulvermenge wurde nach oben herausgedrückt. Das Pulver in
der Preßhülle erhielt so Klopfdichte. Dann wurde die Preßhülle an beiden
Enden verschlossen - mittels mechanisch verriegelbaren Manschetten auf die
Enden der rohrförmigen Welle aufgeklemmt, dabei die Rohrenden offen
lassend - und bei einem Druck von 2500 bar in einer kaltisostatischen
Presse mittels Wasser als Druckmedium isostatisch verpreßt.
Nach dem Pressen wurde die Form im Schutzgasstrom in der Vorwärmzone eines
Sinterofens abgebrannt, wobei die verlorene Preßhülle aus Polyäthylen sich
nahezu rückstandsfrei zersetzte und verbrannte. Anschließend wurde die von
der Preßhülle befreite Nockenwelle an beiden Enden jeweils mit einem vorge
preßten Verschlußstopfen-Grünling versehen und mittels geeigneter
Halterungen hängend in den Sinterofen eingebracht. Die Sinterung unter
Schutzgas erfolgte bei einer Temperatur von 1080°C während 60 Minuten.
Dabei ging das aufgepreßte Legierungspulver mit dem Rohrwerkstoff eine
metallische Verbindung ein. Die Härte der Nocken im gesinterten Zustand
betrug 52-54 HRC.
Dank bekannter Techniken zur Fertigung der Nockenwelle durch Sintern auf
nur geringes Übermaß (near net shape), konnte die Nockenwelle allein durch
Schleifen wirtschaftlich fertigbearbeitet werden.
Eine vorgefertigte rohrförmige Welle aus Kupfer bzw. einer niedrig
legierten, vergleichsweise duktilen und fließfähigen Kupferlegierung wird
zur Herstellung der Nockenwelle für den isostatischen Preßvorgang auf ein
perforiertes Stahlrohr hoher Festigkeit paßgenau aufgeschoben.
In die verlorene Preßhülle wird Pulver einer verschleißfesten Stahl
legierung als Nockenmaterial eingeführt. Dann wird der Verbund,
perforiertes Stahlrohr und Kupferwelle, in eine der beiden Öffnungen der
Preßhülle eingeführt und unter Rütteln und Pulververdichten durch diese
durchgestoßen.
Die innere Abmessung der Preßhülle ist so beschaffen, daß sie nach dem
Einführen der rohrförmigen Welle an beiden Enden auf dieser Welle paßdicht
aufsitzt, in den übrigen Bereichen außerhalb der Nocken aber ein mit Pulver
gefüllter Zwischenraum zwischen rohrförmiger Welle und Preßhüllenwand
bestehen bleibt. Alternativ sitzt die Preßhülle auf den aus dem Kupferrohr
herausragenden Enden des dort nicht perforierten Stahlrohres über eine
hinreichende Länge paßdicht auf.
Die Enden der Preßhülle werden mittels Manschetten auf die Rohroberfläche
aufgeklammert und so in eine isostatische Presse eingeführt, daß das Preß
medium auch in das Rohrende eindringen und dort durch die perforierte Stahl
welle hindurch auf die rohrförmige Welle aus Kupfer wirken kann. Dadurch
wird das Pulvermaterial sowohl durch die Preßhülle als auch über eine
leichte Aufweitung des Kupferrohres verpreßt.
Nach dem isostatischen Pressen wird das perforierte Stahlrohr wieder aus
dem Kupferrohr herausgezogen. Dies geschieht in der Regel wegen der
leichten Aufweitung des Kupferrohres beim isostatischen Preßvorgang mühelos.
Die von der Preßhülle befreite Nockenwelle wird entsprechend der
Bedingungen von Beispiel 1, jedoch bei um ca. 100°C tieferen Temperaturen
gesintert.
Die gesinterten Nockenwellen werden anschließend durch mechanisches
Schleifen fertig bearbeitet.
Mittels dieser Ausführung des Verfahrens lassen sich besonders gute und
elastische Verbindungen zwischen der vorgefertigten rohrförmigen Welle und
dem aufgesinterten Material erzielen. Materialuntersuchungen haben ergeben,
daß schon während des Preßvorganges fließfähiges Kupfer in einer Übergangs
zone in die Poren zwischen den Pulverkörnern eindringt und diese Material
vernetzung über Interdiffusion während des anschließenden Sintervorganges
noch verstärkt wird. Dadurch lassen sich besonders feste und zugleich
elastische Verbindungen zwischen der vorgefertigten rohrförmigen Welle und
dem Nockenmaterial erzielen. Derart gefertigte Nockenwellen zeigten keine
Neigung zur Rißbildung.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle, insbesondere
für eine Brennkraftmaschine, bei dem auf einer vorgefertigten rohr
förmigen Welle einzelne Nocken aus einem Nockenmaterial aufgebracht
werden, dadurch gekennzeichnet, daß
- - das Nockenmaterial als Pulver auf die Welle aufgepreßt und aufge sintert wird
- - die Welle und das Nockenmaterial in eine verlorene Preßhülle einge bracht und in dieser Anordnung mittels eines Druckmediums isostatisch gepreßt werden
- - das Druckmedium während des Preßvorganges freien Zutritt zum Rohr inneren erhält.
2. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine nach dem Kunststoff-
Blasformverfahren
gegen eine Nockenwellen-Formwerkzeugwand geblasene
Kunststoffhülle als Preßhülle verwendet wird.
3. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Nockenmaterial
unter einseitiger Druckbeaufschlagung auf die rohrförmige Welle auf
gepreßt wird.
4. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Nockenmaterial in das Innere
der Preßhülle eingefüllt und anschließend das hierzu an den Enden ver
schlossene Rohr in die Preßhülle eingeführt wird.
5. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche metallische Werk
stoffe für die rohrförmige Welle und zur Ausgestaltung der Nocken
verwendet werden.
6. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Nockenmaterial ein keramischer
oder metallkeramischer Werkstoff auf eine metallische rohrförmige Welle
aufgebracht wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Nockenbereich der Preßhülle
verschiedene Nockenmaterialien schichtweise übereinander eingebracht
werden.
8. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Nocken in einem einzigen
Arbeitsgang auf die vorgefertigte rohrförmige Welle aufgepreßt werden.
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