DE4118003C2

DE4118003C2 - Verfahren zum Herstellen einer aus Sinterformteilen und einer Grundwelle zusammengesetzten Nockenwelle

Info

Publication number: DE4118003C2
Application number: DE4118003A
Authority: DE
Inventors: Zeki Dipl Ing Osman
Original assignee: Miba Sintermetall GmbH
Current assignee: Miba Sintermetall GmbH
Priority date: 1990-06-06
Filing date: 1991-06-01
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2011-06-02
Also published as: AT394330B; ITMI911548A0; FR2662962B1; IT1247990B; DE4118003A1; JPH04231405A; ATA122690A; ITMI911548A1; FR2662962A1

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 Grundwelle 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 Vorsinterung 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 aus Sinterformteilen und einer Grundwelle zusammengesetzten Nockenwellen 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 werden kann.

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 Halterungseinsätze in die Ausnehmungen der Formteile aufgeschoben und anschließend mit flüssiger Phase gesintert werden. Die Ausnehmungen bilden zu einer axialen Ebene symmetrische Zentrierflächen für wenigstens drei in die Grundwelle eingesetzte Halterungsstücke, auf denen die Formteile aufliegen.

Da die Ausnehmungen für die Halterungseinsätze 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 anderer 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.

Anhand 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 das 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 das nach oben anschließende Formteil 1, beispielsweise einen Nocken, in die hierfür vorgesehene Ausnehmung 4 in der Grundwelle 2 eingesetzt und das Formteil 1 auf die Grundwelle 2 aufgescho ben werden, wobei jedoch die Winkellage des Formteiles 1 zu berücksichtigen ist. Werden die Formteile 1 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 1 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 2 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 1 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 mbar. 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

1. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle aus einer Grundwelle und aus auf die Grundwelle mit radialem Spiel aufgeschobenen, aus einer Sinterpulvermischung vorgeformten Formteilen, die zunächst auf der Grundwelle durch formschlüssig in radiale Ausnehmungen der Grundwelle und der Formteile eingreifende Halterungseinsätze positioniert und anschließend unter einem das radiale Spiel übersteigenden Schrumpfen mit flüssiger Phase gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (5) für die Halterungseinsätze (3) beim Formpressen der Formteile (1) in eine Stirnseite der Formteile (1) eingepreßt werden und daß die Formteile (1) auf die Grundwelle (2) bis zum Eingriff der jeweils vorher radial in die Grundwelle (2) eingesetzten Halterungseinsätze (3) in die Ausnehmungen (5) der Formteile (1) aufgeschoben und anschließend mit flüssiger Phase gesintert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile (1) auf den Halterungseinsätzen (3) der stehenden Grundwelle (2) aufliegend mit flüssiger Phase gesindert werden.

3. Formteil zur Herstellung einer Nockenwelle gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (5) zu einer axialen Ebene symmetrische Zentrierflächen für die Halterungseinsätze der Grundwelle (2) bilden.

4. Formteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (5) einen U-förmigen Querschnitt aufweisen.

5. Formteile und Grundwelle zum Herstellen einer Nockenwelle gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile (1) auf wenigstens drei in die Grundwelle (2) eingesetzten Halterungsstücken aufliegen, von denen eines als Halterungseinsatz (3) formschlüssig in eine Ausnehmung (5) des jeweiligen Formteiles (1) eingreift, während die anderen Halterungsstücke (6) gegenüber den Formteilen (1) Bewegungsspiel in Umfangsrichtung aufweisen.