DE4118003A1 - Verfahren zum herstellen einer nockenwelle - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen
einer Nockenwelle aus einer Grundwelle und aus auf die
Grundwelle mit radialem Spiel aufgeschobenen, aus einer Sin
terpulvermischung vorgeformten Formteilen, die zunächst auf
der Grundwelle durch formschlüssig in radiale Ausnehmungen
der Grundwelle und der Formteile eingreifende Halterungsein
sätze positioniert und anschließend unter einem das radiale
Spiel übersteigenden Schrumpfen mit flüssiger Phase gesin
tert werden.
Um einerseits der Forderung nach Nockenwellen mit einem ver
gleichsweise geringen Gewicht nachzukommen und anderseits
die Herstellung solcher Nockenwellen zu vereinfachen, wurde
bereits vorgeschlagen (DE-A-35 00 653), die Nocken, die La
geransätze und andere Formteile der Nockenwelle sinterme
tallurgisch herzustellen, auf eine stählerne, vorzugsweise
hohle Grundwelle aufzuziehen und dann mit der Grundwelle
durch ein Sintern mit flüssiger Phase zu verbinden. Die Win
kellage der vorgesinterten Formteile, insbesondere der Noc
ken soll dabei durch einen Preßsitz gewährleistet werden,
was nicht nur das Festlegen der genauen Winkellage erschwert,
sondern auch die Gefahr mit sich bringt, daß sich der Preß
sitz während des Sintervorganges lockert und damit die einge
stellte Winkellage verlorengeht.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bereits bekannt (DE-A-
32 09 980), die vorgesinterten Formteile mit radialem Spiel
auf die Grundwelle aufzuschieben und zur Positionierung der
Formteile in der Grundwelle und in den Formteilen fluchtende
Bohrungen vorzusehen, in die ein Rohr als Halterungseinsatz
eingepreßt wird, das zur Schmiermittelzufuhr dient. Die auf
die Grundwelle bezogene Winkellage der Formteile kann zwar
über die Bohrungen für die Halterungseinsätze auf der Grund
welle mit hoher Genauigkeit festgelegt werden, doch ergeben
sich Schwierigkeiten, die vorgesinterten Nocken nachträglich
genau zu bohren. Außerdem bedarf es zum Bohren der Formteile
einer ausreichenden Festigkeit dieser Formteile, was eine
entsprechende Vorsinterung bedingt, so daß die bei der Vor
sinterung auftretende Schrumpfung der Formteile nicht mehr
für die Verbindung der losen Formteile mit der Grundwelle
ausgenützt werden kann.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese Mängel
zu vermeiden und ein Verfahren zum Herstellen von Nockenwel
len der eingangs geschilderten Art mit einfachen Mitteln so
zu verbessern, daß nicht nur eine genaue Positionierung der
Formteile auf der Welle sichergestellt, sondern auch eine
besonders gute Verbindung zwischen den Formteilen und der
Grundwelle erreicht wird.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die
Ausnehmungen für die Halterungseinsätze beim Formpressen der
Formteile in eine Stirnseite der Formteile eingepreßt werden
und daß die Formteile auf die Grundwelle bis zum Eingriff
der jeweils vorher radial in die Grundwelle eingesetzten Hal
terungseinsätze in die Ausnehmungen der Formteile aufgescho
ben werden, bevor die vorzugsweise auf den Halterungseinsät
zen der stehenden Grundwelle aufliegenden Formteile mit flüs
siger Phase gesintert werden.
Da zufolge dieser Maßnahmen die Ausnehmungen für die Halte
rungseinsätze beim Formpressen in die Formteile eingepreßt
werden, hängt die Lagegenauigkeit dieser Ausnehmungen nicht
von einer nachträglichen Bearbeitung der Formteile, sondern
von der Genauigkeit der Preßformen ab, so daß im Zusammen
hang mit der genau bohrbaren Grundwelle besonders vorteil
hafte Voraussetzungen für eine Serienherstellung von Nocken
wellen unter hohen Genauigkeitsanforderungen gegeben sind.
Dazu kommt noch, daß wegen des Wegfalls einer zusätzlichen
Bearbeitung der Formteile vor dem Aufbringen auf die Grund
welle eine Vorsinterung mit dem Vorteil entfallen kann, daß
die beim Sintern der Formteile auftretende Gesamtschrumpfung
für die Verbindung zwischen den Formteilen und der Grundwelle
ausgenützt werden kann. Dies bedeutet zunächst, daß zwischen
den Formteilen und der Grundwelle eine bessere Verbindung
zufolge des erreichbaren Überdeckungsgrades möglich wird,
also jenes Maßes, um das der Innendurchmesser eines für sich
ohne Grundwelle gesinterten Formteiles kleiner als der Außen
durchmesser der Grundwelle ist. Für einen vorgegebenen Über
deckungsgrad kann somit ein Werkstoff eingesetzt werden, der
gegenüber dem vergleichbaren Stand der Technik ein geringe
res Schwindungsmaß aufweist. Bei vergleichbarem Schwindungs
maß kann das radiale Spiel zwischen den Formteilen und der
Grundwelle entsprechend größer gewählt werden, was sich auf
die erforderliche Oberflächenqualität der Welle unmittelbar
auswirkt.
Die stirnseitig eingepreßten Ausnehmungen in den Formteilen
gewährleisten eine besonders einfache und genaue Positionie
rung der Formteile auf der Grundwelle, weil ja die Formteile
lediglich auf die Grundwelle aufgeschoben werden müssen, bis
die vorher in die Grundwelle eingesetzten Halterungseinsätze
in die Ausnehmungen der Formteile eingreifen, womit nicht
nur die axiale Lage der Formteile auf der Welle, sondern
auch deren Winkellage eindeutig festgelegt wird. Die An
schlagstellung der Formteile bedingt allerdings, daß die
Halterungseinsätze erst in die radialen Ausnehmungen der
Grundwelle eingesetzt werden können, wenn der in Aufschub
richtung vorangestellte Nockenteil auf die Grundwelle auf
geschoben ist. Werden die Formteile bei stehender Grund
welle gesintert, wobei die Halterungseinsätze Auflagen für
die Formteile bilden, so wird einerseits die Gefahr einer
axialen Verlagerung der Formteile ausgeschlossen und ander
seits eine Biegebeanspruchung der Grundwelle während des
Sintervorganges mit dem erheblichen Vorteil vermieden, daß
kein Durchhang der Nockenwelle zu befürchten ist. Bei einer
geeigneten Unterstützung der Grundwelle könnte allerdings
der Sintervorgang in herkömmlicher Weise bei liegender Welle
durchgeführt werden.
Zur Unterstützung des formschlüssigen Eingriffes der radial
aus der Grundwelle vorragenden Halterungseinsätze in die
stirnseitigen Ausnehmungen der Formteile können die Ausneh
mungen in den Formteilen zu einer axialen Ebene symmetrische
Zentrierflächen für die Halterungseinsätze bilden, so daß
beim Aufschieben der Formteile auf die Grundwelle durch das
Eingreifen der Halterungseinsätze in die stirnseitigen Aus
nehmungen der Formteile eine selbsttätige Zentrierung auf
tritt. In diesem Zusammenhang ergeben sich besonders vorteil
hafte Verhältnisse, wenn die Ausnehmungen einen U-förmigen
Querschnitt aufweisen, der an den Querschnitt der Halterungs
einsätze, üblicherweise Halterungsstifte, angepaßt ist. Um
die spielfreie Aufnahme der Halterungsstifte in den radialen
Ausnehmungen der Grundwelle sicherzustellen, können die Hal
terungsstifte konisch ausgebildet sein.
Bei Formteilen, die mit einem vergleichsweise geringen Spiel
auf die Grundwelle aufgeschoben werden, reicht ein einziger
Halterungseinsatz aus, um ein Formteil bei stehender Grund
welle in einer achsnormalen Ausrichtung zu halten, zumal ja
beim Schrumpfen des Formteiles geringfügige Verkantungen
rückgängig gemacht werden. Bei größeren Radialspielen muß
allerdings für eine zusätzliche, ein Verkanten der Formteile
auf der stehenden Welle verhindernde Abstützung gesorgt wer
den. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, die Formteile auf
wenigstens drei in die Grundwelle eingesetzten Halterungs
stücken während des Sintervorganges aufzulegen, von denen
eines als Halterungseinsatz formschlüssig in eine Ausnehmung
des jeweiligen Formteiles eingreift, während die anderen Hal
terungsstücke gegenüber dem Formteil Bewegungsspiel in Um
fangsrichtung aufweisen. Durch diese Maßnahme wird einer
seits ein unzulässiges Verkanten der Formteile auf der ste
henden Welle unterbunden und anderseits eine genaue Positio
nierung sichergestellt, weil wegen des Bewegungsspiels der
Halterungsstücke mit Ausnahme des Halterungseinsatzes eine
Überbestimmung der Winkellage ausgeschlossen ist. Um die
Halterungsstücke in einer Axialebene anordnen zu können,
sind für alle Halterungsstücke stirnseitige Ausnehmungen in
den Formteilen vorzusehen, allerdings unter Berücksichtigung
des geforderten Bewegungsspieles in Umfangsrichtung.
An Hand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen einer Nockenwelle näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Grundwelle für eine erfindungsgemäß herzustel
lende Nockenwelle in einer Seitenansicht,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 einen vorgeformten Nocken für die Grundwelle in einer
stirnseitigen Ansicht,
Fig. 4 diesen Nocken in einem Schnitt nach der Linie IV-IV
der Fig. 3,
Fig. 5 einen Schnitt durch die Grundwelle nach der Linie V-V
der Fig. 1,
Fig. 6 einen vorgeformten Nocken für die Grundwelle im Be
reich des Schnittes V-V in einer gegenüber dem Schnitt
V-V um 90° gedrehten Stirnansicht,
Fig. 7 einen Schnitt durch den Nocken nach der Fig. 6 entspre
chend der Linie VII-VII,
Fig. 8 eine in einen Drehtisch eingesetzte, stehende Grund
welle mit zum Teil aufgeschobenen Formteilen in einer
Seitenansicht und
Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 8.
Zur Fertigung einer Nockenwelle mit sintermetallurigsch her
gestellten Formteilen 1 werden die aus einer Sinterpulvermi
schung gepreßten Formteile 1 auf eine Grundwelle 2 mit ra
dialem Spiel aufgeschoben, positioniert und dann mit flüs
siger Phase gesintert. Zur Positionierung der Formteile 1
werden stiftförmige Halterungseinsätze 3 verwendet, die in
radiale Ausnehmungen 4 der Grundwelle 2 spielfrei eingesetzt
werden und formschlüssig in stirnseitige Ausnehmungen 5 der
Formteile 1 eingreifen. Die Formteile 1 werden zu diesem
Zweck auf die Grundwelle 2 aufgeschoben, bis die Halterungs
einsätze 3 in die Ausnehmungen 5 eingreifen. Zusätzlich zu
den Halterungseinsätzen 3 können noch Halterungsstücke 6
vorgesehen werden, um bei stehender Grundwelle 2 eine achs
normale Lage der Formteile 1 auch bei größeren Radialspielen
sicherzustellen. Diese zusätzlichen, ebenfalls stiftförmigen
Halterungsstücke 6 sind mit den Halterungseinsätzen 3 in
einer gemeinsamen achsnormalen Ebene angeordnet, wie dies
insbesondere die Fig. 2 erkennen läßt. Diese Halterungsstücke
6 greifen jedoch nicht formschlüssig in die zugehörigen
stirnseitigen Ausnehmungen 7 der Formteile 1 ein, sondern
weisen innerhalb dieser Ausnehmungen 7 ein Bewegungsspiel in
Umfangsrichtung auf, um die Winkellage der Formteile 1 aus
schließlich über die Halterungseinsätze 5 festzulegen. Aus
der Fig. 3 kann ersehen werden, daß die Ausnehmungen 7 eine
entsprechend größere Breite als die Ausnehmung 5 haben. Ist
aufgrund eines geringen Radialspieles keine unzulässige Ver
kantung der Formteile 1 auf der stehenden Grundwelle zu be
fürchten, so kann auf die zusätzlichen Halterungsstücke 6
verzichtet werden, wie dies in den Fig. 5 bis 7 dargestellt
ist.
Um ein spielfreies Eingreifen der Halterungseinsätze 3 in
die stirnseitigen Ausnehmungen 5 der Formteile 1 zu erleich
tern, können die Ausnehmungen 3 zu einer Axialebene symme
trische Zentrierflächen für die Halterungseinsätze 3 bilden,
wie dies bei einem U-förmigen Ausnehmungsquerschnitt der
Fall ist. Sollen die Halterungseinsätze 3 innerhalb der
Stirnflächen der Formteile 1 liegen, so müssen die Ausneh
mungen 5 eine den Durchmesser der Halterungseinsätze 3 über
steigende Tiefe aufweisen, um die axiale Schwindung der Form
teile 1 berücksichtigen zu können. Gleiches gilt auch hin
sichtlich der Länge der Ausnehmungen in den Formteilen 1.
Gemäß der Fig. 8 wird zur Herstellung einer Nockenwelle die
vorbereitete Grundwelle 2 in einem Drehtisch 8 mit vertika
ler Drehachse eingesetzt, um die mit der Grundwelle zu ver
bindenden Formteile auf die stehende Grundwelle 2 auffädeln
zu können. Zu diesem Zweck wird zunächst der auf der stehen
den Welle unterste Formteil 1, beispielsweise ein Lagerring,
auf die Grundwelle 2 aufgeschoben, bis der vorher in die
Grundwelle 2 eingesetzte unterste Halterungseinsatz 3 in die
stirnseitige Ausnehmung 5 dieses Formteiles 1 formschlüssig
eingreift. Danach kann der Halterungseinsatz 3 für den nach
oben anschließenden Formteil 1, beispielsweise einen Nocken,
in die hiefür vorgesehene Ausnehmung 4 in der Grundwelle 2
eingesetzt und der Formteil auf die Grundwelle 2 aufgescho
ben werden, wobei jedoch die Winkellage des Formteiles zu
berücksichtigen ist. Werden die Formteile einheitlich ausge
richtet der Grundwelle 2 zugeführt, so kann die Grundwelle 2
über den Drehtisch 8 in die entsprechende Winkelstellung ge
dreht werden, um das Formteil lagerichtig aufzunehmen. In
Fig. 9 ist der Winkelschritt α zwischen zwei aufeinanderfol
genden Drehstellungen zur Aufnahme aufeinanderfolgender Form
teile 1 angedeutet. Daraus läßt sich auch ohne weiteres er
kennen, daß die Drehverstellung der Grundwelle mit Hilfe des
Drehtisches 8 vorteilhaft dazu ausgenützt werden kann, die
Ausnehmungen 4 zum Einsetzen der Halterungseinsätze 3 lage
richtig zu bohren.
Nach dem aufeinanderfolgenden Aufschieben der einzelnen Form
teile kann dann entsprechend Fig. 8 der oberste Lagerring
aufgeschoben werden, bevor die so vorbereitete Nockenwelle
einem Sintervorgang mit flüssiger Phase unterworfen wird,
die eine feste metallische Verbindung zwischen den Formtei
len 1 und der Grundwelle 2 bewirkt, da ja die Formteile 1
beim Sintern eine Schrumpfung in einem Ausmaß erfahren, das
das Radialspiel erheblich übersteigen kann.
Das Schwindungsmaß hängt von der für die Formteile 1 einge
setzten Sinterpulvermischung, einem legierten Eisenpulver,
ab und beträgt im allgemeinen 1 bis 6%. Diese Sinterpulver
mischung kann außerdem bis zu 20 Gew.-% Bronze enthalten,
die nicht nur eine Verbesserung der Gleiteigenschaften der
Formteile mit sich bringt, sondern auch ein Verlöten der
Formteile mit der Grundwelle bedingt, wenn beim Sintern der
Dampfdruck des Kupfers unterschritten wird. Die für die Form
teile gewählte Pulvermischung wird unter gleichzeitiger Ein
pressung der Ausnehmungen 5 und 7 für die Halterungseinsätze
3 bzw. die Halterungsstücke 6 zu den Formteilen 1 verpreßt,
und zwar mit einer Preßdichte von 6,5 bis 6,7 g/cm3. Diese
Preßdichte erlaubt eine ausreichende Grünfestigkeit für die
nachfolgende Handhabung, ohne eine Vorsinterung anwenden zu
müssen. In besonderen Fällen kann zwar dem Formpressen ein
Sintervorgang zur Erhöhung der Grünfestigkeit angeschlossen
werden, doch muß dann darauf besonders geachtet werden, daß
beim Sintervorgang die Schwindung in Grenzen bleibt, um die
wesentliche Schrumpfung der Formteile während der Hauptsin
terung nicht merklich vorwegzunehmen.
In einem Ausführungsbeispiel wurde für die Formteile 1 ein
mit 6 Gew.-% Molybdän legiertes Eisenpulver eingesetzt, dem
2,8 Gew.-% eines 16%igen Ferrophosphorpulvers, 1,85 Gew.-%
Graphit und 0,8 Gew.-% Wachs als Gleitmittel zugemischt
wurden. Aus dieser Sinterpulvermischung wurden Nocken ge
preßt, deren Gründichte 6,5 g/cm3 betrug. Diese Formteile
wurden entsprechend der Darstellung nach Fig. 8 auf eine
Grundwelle aus Stahl St 58 aufgeschoben, deren Mantelfäche
geschliffen war. Der Außendurchmesser der Grundwelle, deren
Wandstärke 5 mm betrug, wurde mit 25,0 mm gemessen. Der In
nendurchmesser der Nocken betrug 25,1 mm, so daß die Nocken
problemlos auf die Stahlwelle aufgeschoben werden konnten.
Nach der erfindungsgemäßen Positionierung der Formteile auf
stiftförmigen Halterungseinsätzen mit einem Durchmesser von
2,5 mm wurde die so gefügte Nockenwelle stehend in einem Va
kuumofen bei einer Sintertemperatur von 1060°C während
einer Zeit von zwei Stunden gesintert, wobei die Temperatur
abweichungen im Ofen mit ±5°C gemessen wurden. Der Sinter
druck im Ofen betrug 4. 10-2 mb. Im Anschluß an den Sinter
vorgang wurde die Nockenwelle auf 900°C langsam abgekühlt
und dann zur Härtung unter Stickstoff abgeschreckt. Nach
einem Anlaßvorgang bei 550°C konnte für die Welle eine
Härte HRC 51 ±1 festgestellt werden. Die maximale Durchbie
gung der 500 mm langen, gesinterten Nockenwelle war wegen
der stehenden Anordnung während des Sintervorganges kleiner
als 0,1 mm. Die metallurgischen Untersuchungen haben ergeben,
daß nach dem Flüssigphasensintern eine vollkommene metalli
sche Verbindung zwischen den Formteilen und der Grundwelle
durch Diffusion gegeben war. Die freie Schwindung der Form
teile wurde mit 5,3% ermittelt, so daß ein Überdeckungsgrad
von 1,23 mm erreicht wurde. Dieser vergleichsweise große
Überdeckungsgrad bedingte einen sicheren Schrumpfsitz der
Formteile auf der Grundwelle, wobei aufgrund der der Schrump
fung entgegenstehenden Wirkung der Grundwelle die flüssige
Phase eine Verdichtung der Formteile ergab. Die Sinterdichte
wurde mit 7,7 g/cm3 ermittelt. Die Torsionsfestigkeit der
Verbindung zwischen den Formteilen und der Grundwelle konnte
nicht bestimmt werden, weil die Torsionsfestigkeit der Welle
kleiner als die der Verbindung war.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wurde von einem mit 18
Gew.-% Cr legierten Eisenpulver ausgegangen, dem 3,44 Gew.-%
eines 16%igen Ferrophosphorpulvers, 2,40 Gew.-% Graphit, 17,0 Gew.-%
Elektrolytkupfer, 1,2 Gew.-% Zinnpulver, 0,8 Gew.-% Mo
lybdän und 0,5 Gew.-% Wachs als Gleitmittel zugemischt wur
den, um aus dieser Pulvermischung Formteile für eine Nocken
welle mit einer Preßdichte von 6,6 g/cm3 zu pressen. Der
Bohrungsdurchmesser der Formteile betrug 31,0 mm, die axiale
Nockenbreite 15,0 mm. Der Außendurchmesser der hohlen Grund
welle (Wanddicke 5 mm) aus einem Stahl St 58 wurde mit 29,95 mm
berechnet, damit bei einer freien Schwindung von 5% ein
Überdeckungsgrad von 0,5 mm sichergestellt werden konnte.
Die auf die Grundwelle aufgeschobenen Formteile wurden bei
stehender Grundwelle in einem Vakuumofen bei 1085°C während
einer Zeit von zwei Stunden gesintert und im selben Ofen ge
härtet, und zwar bei einer Härtetemperatur von 1050°C. Nach
einem Anlassen bei 550°C während einer Zeit von zwei Stun
den konnte eine Härte HRC 50 ±1 festgestellt werden. Die
maximale Durchbiegung der 500 mm langen Welle wurde mit 0,14 mm
gemessen. Die metallurgischen Untersuchungen ergaben ne
ben einer metallischen Verbindung der Grundwelle mit den
Formteilen durch Diffusion eine zusätzliche Lötung durch die
flüssige Bronzephase während des Sinterns. Die Dichte der
Formteile betrug 7,63 g/cm3. Die Torsionfestigkeit der Ver
bindung war größer als die der Welle.
Claims (4)
1. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle aus einer
Grundwelle (2) und aus auf die Grundwelle (2) mit radialem
Spiel aufgeschobenen, aus einer Sinterpulvermischung vorge
formten Formteilen (1), die zunächst auf der Grundwelle (2)
durch formschlüssig in radiale Ausnehmungen (5) der Grund
welle (2) und der Formteile (1) eingreifende Halterungsein
sätze (3) positioniert und anschließend unter einem das ra
diale Spiel übersteigenden Schrumpfen mit flüssiger Phase
gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmun
gen (5) für die Halterungseinsätze (3) beim Formpressen der
Formteile (1) in eine Stirnseite der Formteile (1) einge
preßt werden und daß die Formteile (1) auf die Grundwelle
(2) bis zum Eingriff der jeweils vorher radial in die Grund
welle (2) eingesetzten Halterungseinsätze (3) in die Ausneh
mungen (5) der Formteile (1) aufgeschoben werden, bevor die
vorzugsweise auf den Halterungseinsätzen (3) der stehenden
Grundwelle (2) aufliegenden Formteile (1) mit flüssiger Pha
se gesintert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausnehmungen (5) in den Formteilen (1) zu einer
Axialebene symmetrische Zentrierflächen für die Halterungs
einsätze (3) bilden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausnehmungen (5) einen U-förmigen Querschnitt auf
weisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Formteile (1) auf wenigstens drei in
die Grundwelle (2) eingesetzten Halterungsstücken (8) wäh
rend des Sintervorganges aufliegen, von denen eines als Hal
terungseinsatz (3) formschlüssig in eine Ausnehmung (5) des
jeweiligen Formteiles (1) eingreift, während die anderen
Halterungsstücke (8) gegenüber den Formteilen (1) Bewegungs
spiel in Umfangsrichtung aufweisen.
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