DE3923404C2 - Verfahren zur Herstellung eines oberflächengehärteten Zahnrads aus einem metallischen Rohling - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines oberflächen­ gehärteten Zahnrads aus einem metallischen Rohling.

Aus dem Zeitschriftenartikel DE-Z.: Fertigungstechnik, 8. Jahrgang, Heft 6, S. 241 bis 246 ist das Oberflächenhärten der Zahnoberflächen eines Zahnrades bekannt. Die Oberflächenhärtung kommt entweder bei einem unbehandelten Rohling dann zur Anwendung, wenn die Zahnradzähne auf dem Außenumfang des Rohlings ausgebildet worden sind, oder gegebenenfalls der Rohling vorvergütet wird, d. h. gehärtet und anschließend angelassen wird, und dann werden die Zahnradzähne auf dem Außenumfang des so vergüteten Rohlings ausgebildet und erst an­ schließend erfolgt die Oberflächenhärtung.

Ein solches oberflächengehärtetes Zahnrad hat einen relativ dünnen äußeren Bereich, der beträchtlich härter als der innere Bereich oder der Kernbereich des Zahnrades ist. Diese harte Oberflächenschicht folgt der Zahnform des Zahnrads, ist jedoch nicht sehr groß.

Oberflächengehärtete Zahnräder können relativ hohen Kontaktkräften im Betriebszustand Stand halten. Die Zähne können auch relativ hohen Biegekräften Stand halten, die am Zahnfuß auftreten. Oberflächengehärtete Zahnräder versa­ gen viel seltener frühzeitig wegen Ermüdung. Der relativ weiche Kernbereich der Zahnräder ermöglichen aufgrund der Eigenelastizität eine Aufnahme von Stößen und es können auch hohe Druckbelastungen aufgenommen werden.

Um die auf die Zähne wirkenden Kontaktkräfte und Biegebelastungen aufnehmen zu können, sollte auch der Kernbereich in gewissem Maße gehärtet werden. Der Härtegrad hängt von dem bestimmungsgemäßen Einsatzes des Zahnrades ab. Ohne eine ausreichende Härtung des Kernbereichs des Zahnrads können aber die Oberflächen der Zähne reißen und absplittern und es können Brüche am Zahnfuß auftreten.

Bei der bisherigen Herstellungsweise von oberflächengehärteten Zahnrädern erfolgte eine Vorhärtung des unbearbeiteten Rohlings und dann wurden die Zähne beispielsweise durch Fräsen ausgebildet. Anschließend erfolgte eine Oberflächenhärtung beispielsweise mit Hilfe einer Induktions-Härteeinrichtung oder dergleichen, wodurch man ein oberflächengehärtetes Zahnrad mit aus­ reichend festem vorgehärtetem Kernbereich erhielt. Da hierbei die Ausbildung der Zähne des Zahnrads nach der Vorhärtungsbehandlung erfolgt, bereitet die spa­ nende Bearbeitung hierzu große Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächengehärtetes Zahnrads aus einem metallischen Rohling bereitzustellen, welches eine verschleißärmere Ausbildung der Zahnradzähne ermöglicht und günstigere Gesamteigenschaften bei dem hergestellten, oberflächengehärteten Zahnradkörpers bereitstellt.

Nach der Erfindung zeichnet sich ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächengehärteten Zahnrads aus einem metallischen Rohling durch die Kombination der Schritte nach dem Patentanspruch 1 aus.

Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist zu Beginn die Wärmebehandlung des unbearbeiteten Rohlings zur Erweichung desselben auf eine relativ niedrige Härte. Dieser weicher gemachte Rohlings läßt sich dann verschleißärmer bei der maschinellen Bearbeitung zur Ausbildung der Zahn­ radzähne auf dem Außenumfang des Rohlings bearbeiten, so daß sich die Zahn­ radzähne auf effektivere und kostengünstigere Weise ausbilden lassen. Falls in dem inneren Bereich zusammenarbeitende Dichtungen vorgesehen sind, so sind die weicheren Flächen des Kernbereichs günstiger und ermöglichen ein ver­ schleißärmeres Arbeiten der entsprechend zugeordneten Dichtungen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 wiedergegeben.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigen die

Fig. 1 bis 4 Schnittansichten zur Verdeutlichung der Verfahrensschritte bei der Herstellung eines oberflächengehärteten Zahnrads aus einem metallischen Rohling.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines metallischen Zahnradrohlings 10. Der Rohling 10 kann aus jedem geeigneten Stahl bestehen, der ausreichend härtbar ist, wie zum Beispiel Stahl SAE 5155. Der Rohling 10 ist allgemein ringförmig und kann auf übliche Weise durch Schmieden oder Stanzen hergestellt werden. Der metalli­ sche Rohling 10 hat allgemein die Form des herzustellenden Zahnrades. Der Außendurchmesser des Rohlings 10 ist nur etwas größer als der Außendurch­ messer der noch auszubildenden Zähne.

Der Rohling 10 wird zunächst mittels einer Wärmebehandlung erweicht, um das Metall auf eine gewünschte niedrige Härte zu erweichen. Der Grad der Erwei­ chung des Rohlings 10 hängt von der Güte oder der Qualität des verwendeten Metalles ab, allgemein sollte aber die Erweichung ausreichend sein, um eine relativ leichte maschinelle, insbesondere spanabhebende Bearbeitung (z. B. Zahnradfräsen) zu ermöglichen, wie noch beschrieben wird. Der Rohling kann typischenweise erweicht werden auf etwa 98RB (Rockwellhärteskala B) oder weniger, womit er ausreichend weich ist. Als spezielles Beispiel kann der Rohling 10 aus SAE-Stahl 5155 bestehen und der Rohling 10 kann auf etwa 89RB er­ weicht werden.

Die Erweichung des metallischen Rohlings 10 kann durch jede geeignete kon­ ventionelle Wärmebehandlung erfolgen. Beispielsweise kann der Rohling 10 in bekannter Weise geglüht werden, um das Metall des Rohlings 10 zu erweichen. Alternativ kann der Rohling 10 normalisiert oder abgeschreckt und angelassen werden, um den gewünschten Härtegrad bzw. Weichheitsgrad zu erhalten. Die Wahl der geeignete Methode zur Erweichung des Rohlings 10 hängt unter ande­ rem von der Qualität oder Güte des verwendeten Metalles des Rohlings 10 ab und der gewünschten Weichheit.

Indem zuerst das Metall des Rohlings 10 auf diese niedrige Härte erweicht wird, wird es relativ einfach, im nächsten Verfahrensschritt ein Zahnrad 11 (Fig. 2) mit einer Mehrzahl von Zähnen 12 auszubilden. Die Zähne 12 werden ausgebildet durch Abtragen von Material an vorgegebenen Bereichen des Rohlings 10 und jede konventionelle Maschinenbearbeitung kann hierfür eingesetzt werden. Die Herstellung der Zähne 12 verändert nicht die Härte irgendeines Teiles des Zahn­ rades 11. Alle Bereiche des Zahnrades 11 verbleiben somit auf der Härte 89RB während der Herstellung der Zähne 12.

Nach der maschinellen Bearbeitung wird das Zahnrad 11 nochmals gehärtet, und zwar derart, daß der innere Kernbereich des Zahnrades 11 die gewünschte Härte und Festigkeit erhält, die für den beabsichtigten Gebrauch erforderlich ist. Wäh­ rend dieser Härtung wird die Temperatur eines Teils oder des gesamten Zahnra­ des 11 über die kritische Temperatur erhöht, bei der das jeweils benutzte Material zur Bildung des Zahnrades 11 sich in Austenit umwandelt. Die kritische Tempera­ tur hängt von dem jeweiligen verwendeten Material ab. Diese Härtung des Zahn­ rades 11 erfolgt zweckmäßigerweise mittels Induktionsheizung unter Verwendung konventioneller Einrichtungen, wie z. B. eines Induktors oder einer Spule.

Das Zahnrad 11 wird über eine vorgegebene Zeitspanne auf die kritische Tempe­ ratur erwärmt, wodurch die Austenit-Umformung bis zu einer vorgegebenen Tiefe innerhalb des Zahnrades 11 bewirkt wird, wie in den Fig. 3 und 4 als äußerer ringförmiger Bereich 13 des Kernes dargestellt ist. Die jeweilige Eindringtiefe hängt ab von der gewünschten Festigkeit für den Kern des Zahnrades 11, die ihrerseits abhängt von dem beabsichtigten Gebrauch. Die Zeitdauer, während der das Zahnrad 11 erwärmt wird, und die Qualität des verwendeten Materials zur Bildung des Zahnrades 11 bestimmen die Eindringtiefe.

Obwohl diese Tiefe von Anwendungsfall zu Anwendungsfall variieren kann, ist es allgemein zweckmäßig, daß der äußere Bereich des Kernes sich wenigstens unter den Fußkreis der Zähne 12 erstreckt, um die gewünschte Festigkeit zu erreichen.

Nachdem das Zahnrad 11 eine vorgegebene Zeitspanne über die kritische Tem­ peratur erwärmt worden ist, wird es relativ langsam abgekühlt. Die Abkühlungs­ rate wird bestimmt durch die gewünschte Härte für den Außenbereich 13 des Kernes des Zahnrades 11 und durch die Qualität des für das Zahnrad verwende­ ten Materiales. Der langsame Abkühlungsprozeß hilft ferner eine Verformung des Zahnrades 11 zu vermeiden bzw. zu minimalisieren. Der Abkühlprozeß kann bewirkt werden durch einfaches Kühlen des Zahnrades 11 in Luft oder durch Gasabschreckung unter Verwendung von Druckluft oder inertem Gas. Alternativ kann das Zahnrad 11 gekühlt werden durch Abschrecken in Flüssigkeit, wenn das verwendete Metall ein relativ geringes Härtungsvermögen hat.

Nach dem vorstehend beschriebenen Härten hat das Zahnrad 11 allgemein die in Fig. 3 gezeigte Struktur, wobei die Zähne 12 und der äußere Ringbereich 13 des Kernes des Zahnrades 11 merklich härter sind als der anfängliche weiche Zu­ stand. Beispielsweise können die Zähne 12 und der Außenbereich 13 des Kernes des Zahnrades 11 gehärtet werden auf eine Härte zwischen etwa 25RC und 45RC (Rockwellhärteskala C), was eine zufriedenstellende Härte für allgemeine Verwendungen des Zahnrades 11 ist. Ein innerer Bereich 14 des Kernes des Zahnrades 11 bleibt jedoch auf dem niedrigeren Härteniveau 89RB, da die Dauer der Härtung nicht lang genug war, um die Temperatur des inneren Bereiches 14 über die kritische Temperatur zu erhöhen.

Dann erfolgt die Oberflächenhärtung des Zahnrades 11. Bei der Oberflächenhär­ tung wird die Temperatur eines teils des Zahnrades 11 über die kritische Tempe­ ratur erhöht, ähnlich wie bei der oben beschriebenen Härtung. Jedoch ist die Dauer der Erwärmung beträchtlich kürzer bei der Oberflächenhärtung als bei dem zuvor durchgeführten Härten, um die Eindringtiefe auf eine relativ dünne Schicht der Zähne 12 des Zahnrades 11 zu begrenzen. Nach dem Erwärmen wird das Zahnrad 11 schnell abgekühlt, um die allgemeine Struktur nach Fig. 4 zu erhal­ ten, wobei die Außenschicht oder der Außenmantel 15 der Zähne 12 weiterhin beträchtlich härter ist als der Außenbereich 13 des Kernes, beispielsweise hat diese Außenschicht eine Härte zwischen 52RC und 65RC. Der Außenbereich 13 des Kernes des Zahnrades 11 bleibt im Bereich von 25RC bis 45RC, während der innere Bereich 14 des Kernes des Zahnrades 11 mit relativ niedriger Härte von weniger als 89RB erhalten bleibt. Die Oberflächenhärtung kann mittels üblichen Einrichtungen erfolgen, beispielsweise mittels derselben Induktions-Einrichtung, die für die vorangehende Härtung eingesetzt wurde.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines oberflächengehärteten Zahnrads aus einem metallischen Rohling, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Schrit­ te:

• a) der unbearbeitete Rohling wird zuerst mittels einer Wärmebehandlung auf eine relativ niedrige Härte erweicht,
• b) am Umfang des so erweichten Rohlings werden durch maschinelle Bearbeitungen die Zähne ausgebildet,
• c) der maschinell bearbeitete Zahnradkörper wird derart gehärtet, daß die Zahnoberflächen und ein äußerer Bereich (14) des Zahnradkörpers einen mittleren Härtegrad haben, während der innere Kernbereich mit relativ niedriger Härte nach a) erhalten bleibt, und
• d) der nach c) gehärtete Zahnradkörper derart oberflächengehärtet wird, daß die Zahnoberflächen eine beträchtlich höhere Härte besitzen, aber der äußere Bereich des Kerns seinen mittleren Härtegrad nach c) und der innere Kernbereich seine relativ niedrige Härte nach a) beibehält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebe­ handlung nach (a) durch Glühen des Rohlings erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebe­ handlung nach (a) durch Normalisieren (Normalglühen) des Rohlings erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebe­ handlung nach (a) durch Erhitzen, Abschrecken und Anlassen des Rohlings erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ niedrige Härte nach (a) 98RB (Rockwellhärteskala B) oder weniger beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtung nach (c) wenigstens bis unterhalb des Fußkreises der Zähne vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtung nach (c) durch Induktionserwärmung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Härte­ grad nach (c) etwa 25 bis 45RC (Rockwellhärteskala C) beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen­ härtung nach (d) durch Induktionserwärmung erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach (d) erziel­ te Oberflächenhärte etwa 57 bis 65RC (Rockwellhärteskala C) beträgt.