DE4418251A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Zahnrades mit einer zentralen Bohrung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrads wie eines Stirnrades, ei­ nes Schrägzahnrades, eines Kegelrades oder dgl. Im be­ sonderen befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades mit einer zentralen Durchgangsbohrung. Das Verfahren ist zweckmäßig zum Her­ stellen eines Zahnrades, das eine zentrale Durchgangs­ bohrung hat und durch verbessertes Warmmatrizen-Schmieden mit höherem Wirkungsgrad, verbesserter Präzision und verlängerter Preßform-Standzeit herstellbar ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Schmiede­ preßform zum Herstellen eines Zahnrades aus Hohlmaterial mit einem zentralen Durchgangskanal mittels verbesserten Warmmatrizen-Schmiedens.

Eine bekannte Methode zum Herstellen eines Zahnrades wie eines Stirnrades, eines Schrägzahnrades oder eines Ke­ gelrades oder dgl. mittels spanabhebender Bearbeitung wird beispielsweise beschrieben in "Handbuch des Maschi­ nenbauingenieurs", veröffentlicht durch "The Japan So­ ciety of Mechanical Engineering", am 15.05.1988, S. B2-136 bis B2-137, Abschnitt 5.2.7 "Zahnradfräsen und Zahnradformen". Jedoch hat eine derartige Methode unter Anwendung spanender Technik einen Nachteil, da die Herstellungsleistungsfähigkeit und der Nutzungsgrad des eingesetzten Materials bei diesem Verfahren gering sind. Es hat sich deshalb in den vergangenen Jahren ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades mittels Schmie­ dens durchgesetzt, bei dem plastische Verformungen ein­ gesetzt werden, wie dies in dem vorerwähnten "Handbuch des Maschinenbauingenieurs", S. 32-100 bis B2-106, Ab­ schnitt 4.2.4 "Schmieden" beschrieben wird.

Fig. 2 verdeutlicht beispielsweise einen konventionel­ len Prozeß mit aufeinanderfolgenden Schritten (a) bis (f) zum Herstellen eines Kegelrades durch Warmschmieden und Abgraten. Das bedeutet, unter Bezugnahme auf das Verfahren, daß in einem ersten Schritt (a) ein Vollma­ terial 21 für das Zahnrad hergerichtet und in einem zweiten Schritt (b) der Rohling 21 in einem Hochfre­ quenz-Heizofen auf eine Temperatur von z. B. 1100°C er­ hitzt wird. In einem dritten Schritt (c) wird der Roh­ ling 21 in einen einem Kegelzahnrad ähnlichen Vorform­ ling 23 durch Warmschmieden verformt, während in einem vierten Schritt (d) die an den Enden der Zähne 23a des geschmiedeten Vorformlings 23 geformten, folienartigen Grate 23b mittels einer Entgratpresse entfernt werden. Im fünften Schritt (e) wird eine Sandstrahlreinigung durchgeführt, ehe der geschmiedete Vorformling 23 ge­ bondert wird (mit einer Zinkphosphatbeschichtung). Schließlich wird im sechsten Schritt (f) mittels einer Formpresse die endgültige Gestalt des geschmiedeten Körpers hergestellt.

Bei dem das Warmschmieden und Entgraten benutzenden Ver­ fahren ist es erforderlich, das Entgraten mittels einer Entgratpresse nach dem Warmschmieden durchzuführen, um die folienartigen Grate 23b zu entfernen, die beim Warm­ schmieden geformt worden sind. Dies ist ein Nachteil dieses Verfahrens, weil die Effizienz der Herstellung durch eine erhöhte Anzahl von Bearbeitungsschritten auf­ grund des zusätzlichen Entgratungsschrittes gemindert ist. Es wird deshalb auch "voll umschlossenes Matrizen­ schmieden" zum Herstellen eines Zahnrades verwendet, wie dies in der vorerwähnten Publikation "Handbuch des Ma­ schinenbauers", S. 32-106, Abs. vii "voll umschlossenes Matrizenschmieden" beschrieben ist.

Fig. 3 zeigt beispielsweise ein bekanntes Verfahren mit aufeinanderfolgenden Schritten (a) bis (e) zum Herstel­ len eines Kegelrades durch voll einschließendes, Warm-Matrizen-Schmieden. Dieses Verfahren wird be­ schrieben in "Komatsu- Engineering Report, Vol. 32, Nr. 1", herausgegeben von Komatsu Seisakusho Co., Ltd. 1986, S. 34. Hierbei wird unter Bezug auf das Verfahren gemäß Fig. 3, in einem ersten Schritt (a) ein Vollmaterialroh­ ling 31 für das Zahnrad vorbereitet. Im zweiten Schritt (b) wird der Rohling 31 in einem Hochfrequenz-Heizofen 32 erhitzt und auf die gewünschte Länge beschnitten. Im dritten Schritt (c) wird die gesamte Oberfläche des Roh­ lings 31 mit einem Schmiermittel 33 beschichtet. In ei­ nem vierten Schritt (d) wird der Rohling 31 erneut in einem Hochfrequenz-Heizofen 34 erhitzt. Schließlich wird im fünften Schritt (e) der Rohling 31 zu einem kegelrad­ ähnlichen, geschmiedeten Körper durch voll einschlossenes Matrizenschmieden verformt.

In beiden Verfahren gemäß den Fig. 2 und 3 wird der aus Vollmaterial bestehende Rohling 21, 31 zu einem kegel­ radähnlichen geschmiedeten Körper 23, 35 durch das Schmieden verformt, wodurch sich bei diesen beiden Ver­ fahren als Nachteil eine gesteigerte Anzahl von Arbeits­ schritten dadurch ergibt, daß zusätzliche spanabhebende Schritte zum Ausbilden einer zentralen Bohrung erforder­ lich sind. Es hat aus diesem Grund weitere Verfahrens- Entwicklungen gegeben, bei denen ein hohler Vorformling zum Herstellen eines Zahnrades durch Schmieden einge­ setzt wird.

Fig. 4 zeigt beispielsweise ein bekanntes Verfahren mit aufeinanderfolgenden Schritten (a) bis (f) zum Herstel­ len eines Kegelrades mit einer zentralen Durchgangsboh­ rung durch voll eingeschlossenes Matrizenschmieden. Die­ ses Verfahren wird beschrieben in "Journal of The Iron and Steel Institute of Japan, Vol. 78, Aug. 1992, Nr. 8", herausgegeben vom The Iron and Steel Institute of Japan, 1992, S. 110 bis 116.

Hierbei wird, unter Bezugnahme auf das Verfahren der Fig. 4, in einem ersten Schritt (a) Vollmaterial 41 für das Zahnrad vorbereitet. In einem zweiten Schritt (b) wird ein hohler Vorformling 42 aus dem Vollmaterial 41 durch spanende Bearbeitung gebildet. In einem dritten Schritt (c) wird auf den inneren und äußeren Oberflächen des Vorformlings 42 durch Einsatzhärten eine einsatzge­ härtete Schicht geformt. In einem vierten Schritte (d) werden die Verfahrensschritte des Bonderisierens und des Graphitisierens angewandt an den Oberflächen des Vor­ formlings 42 zum Schmier-Beschichten. Dann wird der Vor­ formling 42 auf eine Temperatur von ca. 1000°C erwärmt und zu einem hohlen, zahnradähnlichen geschmiedeten Kör­ per 43 durch voll umschlossenes Matrizenschmieden ver­ formt, wobei eine Preßform benutzt wird, in der für den hohlen Teil ein Kern enthalten ist. Bei diesem Schritt (d) werden Abschreckhärten und Tempern auf den geschmie­ deten Körper 43 ausgeübt. Zum Ablösen von Schuppen wird dann im fünften Schritt (e) eine Sandstrahl-Reinigung auf den geschmiedeten Körper 43 ausgeübt, ehe schließ­ lich im sechsten Schritt (f) ein fertiger Körper 44, d. h. ein Kegelzahnrad, durch spanende Bearbeitung aus dem Körper 43 geformt wird.

Es ist bei beiden Verfahren, d. h. beim Warmschmieden und Entgraten gemäß Fig. 2, und beim voll umschlossenen Ma­ trizenschmieden gemäß Fig. 3, erforderlich, eine mittige Bohrung in dem zahnradähnlichen geschmiedeten Körper 23, 35 durch spanende Bearbeitung einzubringen, da der Voll­ materialkörper 21, 31 nur zum Formen der Zähne geschmie­ det wird. Nachher und nach dem Schmieden wird eine Rückenfläche des geschmiedeten Körpers 23, 35 durch spa­ nende Bearbeitung fertiggestellt, ehe durch Einsatzhär­ ten, Härten und Tempern weitere Verfahrensschritte an dem fertiggestellten Körper ausgeführt werden. Daraus folgt, daß jeder der bekannten Prozesse einen Nachteil einschließt, aufgrund dessen das Verfahren zum Verbes­ sern der Produktionsausbeute unzweckmäßig ist. Hingegen sind bei diesen Verfahren die Herstellungskosten erhöht, weil das jeweilige Verfahren die Anzahl der erforderli­ chen Arbeitsschritte aufgrund der spanenden Bearbeitung und der Wärmebehandlungsschritte erhöht, die zusätzlich zum Warmschmieden der Zahnradzähne durchgeführt werden. Weiterhin hat jedes dieser bekannten Verfahren dahinge­ hend einen Nachteil, daß die Formgenauigkeit der zentra­ len Durchgangsbohrung gemindert ist.

Andererseits ist bei dem voll umschlossenen Matrizen­ schmiedeverfahren gemäß Fig. 4 die Kontaktzeit des Schmiede- und Preßwerkzeuges mit dem erwärmten Vor­ formling 42 so lang, daß das Formwerkzeug durch den Wär­ meeinfluß des Vorformlings 42 getempert wird. Dadurch erhält das Formwerkzeug aufgrund der Temperung eine niedrige Härte und die Tendenz zu unzweckmäßiger De­ formation, wodurch die Formstandzeit verkürzt und die Herstellungskosten erhöht werden.

Es wird nun vorgeschlagen, ein sehr formgenaues Zahnrad mit einer zentralen Durchgangsbohrung mit hoher Herstel­ lungsleistung und ohne Erhöhen der Produktionskosten herzustellen. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfin­ dung, ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades mit einer zentralen Durchgangsbohrung anzugeben, das es er­ möglicht, für ein Schmiedeformwerkzeug die Standzeit zu erhöhen und ein formgenaues Zahnrad mit einer zentralen Durchgangsbohrung mit hoher Herstellungsausbeute und niedrigen Produktionskosten herzustellen. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Schmiede­ formwerkzeug zu schaffen, mit dem das Verfahren gemäß der Erfindung durchführbar ist.

Das Verfahren der Herstellung eines Zahnrades mit einer zentralen Durchgangsbohrung gemäß der Erfindung umfaßt einen Schritt, bei dem für das Zahnrad ein Rohling aus hohlem Material vorbereitet wird, der eine äußere Ober­ fläche und eine innere periphere Oberfläche zur Defini­ tion einer zentralen Durchgangsbohrung aufweist, einen Schritt, bei dem eine gehärtete Oberflächenschicht im Bereich der inneren peripheren Oberfläche und der äuße­ ren Oberfläche des Rohlings aus hohlem Material geformt wird, und einen Schritt, bei dem der aus hohlem Material bestehende und die gehärtete Oberfläche aufweisende Vor­ formling in einen hohlen, zahnradähnlichen und geschmie­ deten Körper warmgeschmiedet wird mittels eines Schmie­ depreßwerkzeuges, das ein erstes Gesenkelement mit einem Lochdorn aufweist, der in die zentrale Durchgangsbohrung des aus hohlem Material bestehenden Vorformlings von ei­ ner Seite eintritt, und das ein zweites Gesenkelement mit einem Lochdorn aufweist, der in die zentrale Durch­ gangsbohrung des aus hohlem Material bestehenden Roh­ lings von der anderen Seite eintritt.

Die Schmiedegesenke formen die Zähne des Zahnrades an der Außenseite des Rohlings aus hohlem Material, während ein ringförmiger Grat in der mittigen Durchgangsbohrung des Rohlings aus hohlem Material zwischen den Lochdornen erzeugt wird. In geschlossenem Zustand des Schmiedege­ senks liegt zwischen den Lochdornen ein Spalt vor, der die Dicke des ringförmigen Grates definiert und der 0,3 mm oder mehr beträgt, jedoch nicht größer als 1,3 mal (130%) eine Tiefe der gehärteten Oberflächenschicht.

Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt ferner einen Schritt, bei dem der ringförmige Grat aus dem hohlen, zahnradähnlichen und geschmiedeten Körper nach dem Warm­ schmieden entfernt wird, und einen Schritt, bei dem an dem hohlen, zahnradähnlichen und geschmiedeten Körper durch beispielsweise Abschrecken und Tempern eine ther­ mische Vergütung vorgenommen wird.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird für die Her­ stellung eines Zahnrades ein Hohlmaterial mit einer zen­ tralen Durchgangsbohrung verwendet. Es ist dabei darauf hinzuweisen, daß das Verfahren zum Vorbereiten des hoh­ len Materials zweckmäßig ausgewählt sein kann und nicht speziell begrenzt ist. D.h., das Hohlmaterial kann aus vollem Material durch spanendes Bearbeiten wie Bohren geformt werden, oder kann aus Vollmaterial durch Durch­ stoßen mit einem Kaltumformer in kaltem Zustand geschaf­ fen werden, oder kann erreicht werden ohne Verwendung von Vollmaterial, sondern durch Benutzen eines Mate­ rials, das zylindrisch geformt ist wie ein Rohr.

Ein Material für das Hohlmaterial kann auf zweckmäßige Weise ausgewählt werden und ist in keiner Weise be­ schränkt. D.h., das Hohlmaterial kann z. B. aus Stahl hergestellt sein, der als ein Stahl ausgewählt wird, wie er für eine Einsatzhärtung brauchbar ist, oder auch ein Stahl, der mit passenden Elementen legiert ist und von folgender Gruppe stammen kann: SC-Stähle (Kohlenstoff­ stähle für die Verwendung bei Maschinenelementen), SNC- Stähle (Nickel-Chrom-Stähle), SNCM-Stähle (Nickel-Chrom- Molybdän-Stähle), SCr-Stähle (Chromstähle), SCM-Stähle (Chrom-Molybdän-Stähle), SMn-Stähle (Mangan-Stähle für die Verwendung bei Maschinenelementen), SMcC-Stähle (Chrom-Mangan-Stähle für die Verwendung bei Maschinen­ elementen), und andere Stähle, wie sie im japanischen Industriestandard vorgeschrieben sind.

Weiterhin wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Oberflächenhärtung auf das Hohlmaterial ausgeübt, um ei­ ne gehärtete Oberflächenschicht sowohl an der inneren Oberfläche als auch an einer äußeren Oberfläche des Hohlmaterials bilden. Diesbezüglich kann das Oberflä­ chenhärten aus der Gruppe folgender Härteverfahren ge­ wählt sein: Karburieren, Karbunitrieren und Nitrieren, und dgl. Fallweise kann, z. B. bei der Anwendung des Kar­ burierens, ein spezielles Karburisierverfahren verwendet werden, und zwar entweder gewöhnliches Karburieren, Hochtemperatur-Karburieren oder Vakuumkarburieren.

Im Anschluß an das Oberflächenhärten wird beim erfin­ dungsgemäßen Verfahren das mit einer zentralen Durch­ gangsbohrung ausgestattete Hohlmaterial warmgeschmie­ det, und zwar zu einem hohlen, zahnradähnlichen ge­ schmiedeten Körper. Dazu wird ein Schmiedegesenk mit zwei Gesenkelementen benutzt. Beim Schließen des Schmiedegesenkes für das Warmschmieden dringt ein Lochdorn eines Gesenkelementes des Schmiedegesenks in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials von einer Seite der Durchgangsbohrung ein, während ein anderer Lochdorn eines anderen Elementes des Schmiede­ gesenks in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Ma­ terials von einer anderen Seite der Bohrung her ein­ dringt. Es ist dabei hervorzuheben, daß der jeweilige Lochdorn ein ähnliches Element wie ein Kern sein kann.

Vorgreifend zum vorerwähnten Formschmieden, kann die Oberfläche des hohlen Materials in Abstimmung auf be­ sondere Erfordernisse zweckmäßig geschmiert werden. Die Oberflächenschmierung formt eine Schmierbeschichtung die aus zumindest einem der nachfolgenden Schmierstoffe bestehen sollte: Z.B. Phosphat-Beschichtung, Molybdän- Disulfid-Beschichtung und Graphit-Beschichtung.

Während des Warmschmiedevorgangs formt das Schmiedege­ senk die Zähne des Zahnrades an der äußeren Seite des hohlen Materials, während die Gesenkelemente einen ring­ förmigen Grat innerhalb der zentralen Durchgangsbohrung des hohlen Materials zwischen den Lochdornen formen. Während des Schmiedevorgangs wird verbessertes Warmma­ trizenschmieden angewendet, wobei ein Abstand zwischen den Lochdornen eine Dicke des ringförmigen Grates defi­ nieren, die bei ca. 0,3 mm oder mehr liegt, jedoch nicht größer als 1,3×(130%) eine Tiefe der gehärtete Ober­ flächenschicht beträgt, und zwar bei voll geschlossenem Schmiedegesenk.

Der Grund für den Abstand zwischen den Lochdornen, der die Dicke des ringförmigen Grates definiert und der 0,3mm oder mehr beträgt, jedoch nicht größer ist, als 1,3×eine Tiefe der gehärteten Oberflächenschicht bei geschlossener Kondition des Schmiedewerkzeugs, ist wie folgt.

Wäre der Abstand zwischen den Lochdornen und damit die Dicke des ringförmigen Grates weniger als 0,3mm, dann würde der ringförmige Grat zu schnell abkühlen und den Lochdornen würde ein stärkerer Widerstand entgegenste­ hen, der eine größere Deformation und/oder mehr Abrasion für die Lochdorne bedeutete, so daß deren Standzeit un­ zweckmäßig verkürzt würde. Auf der anderen Seite und falls der Abstand zwischen den Lochdornen und damit die Dicke des ringförmigen Grates größer sind als 1,3×tmm, d. h., 1,3×(130%) eine Tiefe t mm der gehärtete Ober­ flächenschicht, dann würde die gehärtete Oberflächen­ schicht in den ringförmigen Grat verlagert, woraus nach dem Entgraten ein Teilbereich entstünde, der an der in­ neren peripheren Oberfläche der zentralen Durchgangsboh­ rung keine gehärtete Oberflächenschicht aufweist, sobald der ringförmige Flansch bei der Endbearbeitung entfernt wird. Es könnte dann das geschmiedete Zahnrad auf uner­ wünschte Weise auf einer tragenden Welle während des Ge­ brauchs fressen. Es könnte auch passieren, daß die inne­ re periphere Oberfläche der zentralen Durchgangsbohrung in unerwünschter Weise zumindeste teilweise abgeschabt wird.

Nach dem verbesserten Warmmatrizenschmieden werden der ringförmige Grat und die Grate an den Zähnen von dem aus dem Schmiedegesenk entnommenen, geschmiedeten Körper entfernt, ehe der geschmiedete Körper einer thermischen Vergütung unterworfen wird, z. B. durch Abschrecken und Tempern, wobei beim Abschrecken und Tempern zunächst der geschmiedete Körper auf eine Abschrecktemperatur in pas­ sender Atmosphäre wie potentiell erhöhter Kohlenstoffat­ mosphäre, einer Inertgas-Atnosphäre oder einer nicht oxidierenden Atmosphäre erwärmt und zum Abschrecken ge­ kühlt wird. Danach kann der geschmiedete Körper voll­ ständig getempert werden.

Nach der thermischen Vergütung kann sich Sandstrahlen oder eine Kugelstrahlreinigung des geschmiedeten Körpers anschließen, um die Schuppen zu entfernen. Im Anschluß daran kann der geschmiedete Körper zu einem gewünschten Zahnrad durch Bearbeitung fertiggestellt werden.

Unter Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte werden eine Erhöhung der Arbeitsschritte und eine Ver­ ringerung der Formgenauigkeit wie bei den bekannten Ver­ fahren vermieden. Die Kontaktzeit zwischen dem Schmiede­ gesenk und dem erhitzten Material wird kürzer, so daß der Wärmeeinfluß des Materials auf das Schmiedegesenk geringer ist und die Standzeit des Schmiedegesenks er­ höht wird. Konsequenterweise und aufgrund der verringer­ ten Anzahl der Arbeitsschritte und der verlängerten Ge­ senkstandzeit werden die Herstellungskosten verringert.

Das erfindungsgemäße Schmiedegesenk zum Herstellen eines Zahnrades aus einem hohlen Material, das eine äußere Oberfläche und eine innere periphere Oberfläche auf­ weist, die einen zentrale Durchgangsbohrung definiert, umfaßt ein Gesenkelement mit einem Lochdorn, der in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials von ei­ ner Seite der Durchgangsbohrung her eintritt, sowie ein weiteres Gesenkelement mit einem Lochdorn, der in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials von der anderen Seite der Bohrung her eintritt, wobei das Schmiedegesenk so ausgebildet ist, daß es die Zähne des Zahnrades auf der Seite der äußeren Oberfläche des Hohl­ materials formt, während in der zentralen Durchgangsboh­ rung des hohlen Materials zwischen den Lochdornen ein ringförmiger Grat gebildet ist. Zwischen den Lochdornen wird bei geschlossenem Schmiedegesenk bewußt ein Abstand eingehalten, mit dem der Grat eine Dicke von 0,3mm oder mehr erhält, wobei die Dicke des ringförmigen Grates nicht größer sein darf als 1,3×(130%) die Tiefe der gehärteten Oberflächenschicht des Hohlmaterials.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit dem vorer­ wähnten Schmiedegesenk durchführen.

Eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird im Detail anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Schmiedegesenks, das bei einer Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Verfahrens zur Herstel­ lung eines Kegelrades mit einer zentralen Durchgansbohrung ver­ wendet wird,

Fig. 2 ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen eines Kegelrades mit­ tels früherer Warmschmiede- und Beschneideverfahren,

Fig. 3 ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen eines Kegelrades mit voll eingeschlossenem Gesenk­ schmieden, und

Fig. 4 ein Verfahren zum Herstellen ei­ nes Kegelrades mit einer zentra­ len Durchgangsbohrung aus hohlem Material unter Anwendung eines konventionellen, voll umschlie­ ßenden Gesenk-Schmiedeverfah­ rens.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Vollmaterialstab aus SCM418H-Stahl mit einem Durchmesser von 28 mm auf eine Länge von 31mm geschnit­ ten, um einen Vollmaterialrohling für ein Zahnrad zu er­ halten. Dann wird das Vollmaterial durchbohrt, um eine zentrale Durchgangsbohrung zu schaffen und auf diese Weise ein Hohlmaterial für ein Zahnrad vorzubereiten, das einen äußeren Durchmesser von 28 mm, einen inneren Durchmesser von 16 mm und eine Höhe von 31mm hat. Die vorerwähnte Stahlqualität bezieht sich beispielsweise auf Chrom-Molybdän-Stähle mit einem spezifizierten Härt­ barkeitsbereich mit 0,17% C, 0,30% Si, 0,62% Mn, 0,09% Ni, 1,02% Cr, 0,16% Mo, 0,019% Al, 0,0012% O, 0.0155% N, und Fe und unvermeidbare Unreinheiten, wie dies in dem japanischen Industrie Standard für Stähle erläutert wird.

Das Hohlmaterial wird dann gas-karburiert bei einer Tem­ peratur von 920°C und über fünf Stunden, um ein karbu­ riertes Hohlmaterial mit einer gehärteten Oberflächen­ schicht bis zu einer Tiefe (wirksame Einsatzhärtungstie­ fe von 0,9mm) zu schaffen.

Nach dem Karburieren wird das Hohlmaterial auf eine Warmschmiedetemperatur von 1000°C ± 10°C durch Hochfre­ quenzerhitzen in Stickstoffgas aufgeheizt, um Oxidieren und Dekarburieren zu verhindern. In weiterer Folge wird das Hohlmaterial zu einem zahnradähnlichen geschmiedeten Körper durch verbessertes Warmmatrizenschmieden mit ei­ nem Schmiedegesenk 1 gemäß Fig. 1 verformt.

Unter Bezug auf Fig. 1 weist das Schmiedegesenk 1 ein oberes Gesenkelement 2 und ein unteres Gesenkelement 3 auf. Das obere Gesenk 2 besitzt einen oberen Lochdorn 4, der einstückig am oberen Gesenkelement 2 angebracht ist und von einem feststehenden Typ ist. Andererseits weist das untere Gesenkelement 2 einen unteren Lochdorn 5 auf, der in Richtungen parallel zu einer Achse des Lochdornes 5 bewegbar ist, d. h. in Fig. 1 nach oben und nach unten.

Das Schmiedegesenk 1 enthält ferner ein unteres Hilfsge­ senkelement 6 im unteren Gesenkelement 3, das den unte­ ren Lochdorn 5 umgibt. Das Hilfsgesenkelement 6 weist einen kugeligen Sitz 6a an seinem oberen Ende auf. In Fig. 1 ist das Schmiedegesenk mit seinen Elementen 2, 3 und 6 in geschlossenem Zustand dargestellt. In dem Schmiedegesenk 1 werden Zähne 7a an einer Außenseite des hohlen, zahnradähnlich geschmiedeten Körpers 7 gebildet, während in einer zentralen Durchgangsbohrung 7b des hoh­ len, zahnradähnlich geschmiedeten Körpers 7 zwischen dem oberen Lochdorn 4 und dem unteren Lochdorn 5 ein ring­ förmiger Grat 7c geformt wird.

Bei dieser Ausführungsform des Schmiedegesenks 1 wird für die Elemente 2, 3 und 6 SKD2-Stahl verwendet, der ein legierter Stahl, wie im Japanischen Industrie Stan­ dard beschrieben, ist. Beim Herstellen der Gesenkelemen­ te 2, 3 und 6 wird ein aus Kupfer hergestelltes Master-Modell mit Zahnformen eines Kegelrades verwendet zur Elektrofunkenbearbeitung. Nach dem Herstellen der Gesenkelemente 2, 3 und 6 werden diese gehärtet und ge­ tempert, um ihre Härte auf HRC 60 zu erhöhen (Rockwell Härte mit C-Skala).

Bei der Verwendung des Schmiedegesenks 1 mit seinen Ge­ senkelementen 2, 3 und 6 zum Durchführen des verbesser­ ten Warmmatrizenschmiedens des Hohlmaterials mit ring­ förmiger Gestalt, wird das untere Hilfsgesenkelement 6 angehoben und das Hohlmaterial auf dem kugeligen Sitz 6a des Hilfsgesenkelements 6 angebracht, während der Loch­ dorn 5 in einer Höhe positioniert ist, in der der Ab­ stand zwischen dem Lochdorn 5 und dem oberen Lochdorn 4 0,9mm beträgt, sobald das Schmiedegesenk 1 geschlossen wird. D.h., das obere Gesenkelement 2 wird an einem un­ teren Hubende angeordnet. Dann wird das Schmiedegesenk 1 durch Absenken des oberen Gesenkelementes 2 geschlossen, während der Lochdorn 5 in der vorerwähnten Höhe positio­ niert wird.

Beim Schließen des Schmiedegesenkes 1 wird der obere Lochdorn 4 in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials von einer oberen Seite der Bohrung eingesetzt. Durch Absenken des unteren Hilfsgesenkelementes 6 wird der positionierte untere Lochdorn 5 in die zentrale Durchgangsbohrung von einer unteren Seite her einge­ setzt. Auf diese Weise wird der hohle, zahnradähnliche geschmiedete Körper 7 erreicht, der den ringförmigen Grat 7c mit einer Dicke von 0,9 mm zwischen den Lochdor­ nen 4, 5 aufweist.

Es ist hervorzuheben, daß der hohle, zahnradähnlich ge­ schmiedete Körper 7 so geformt wird, daß er ein Endbe­ arbeitungsübermaß in einem Bereich von 0,3 bis 0,5 mm für die spätere spanende Bearbeitung einer Hinterfläche des geschmiedeten Körpers 7 und einer inneren Fläche der zentralen Durchgangsbohrung des geschmiedeten Körpers 7 aufweist.

Nach dem Herausnehmen des geschmiedeten Körpers 7 aus dem Schmiedegesenk 1 werden der ringförmige Grat 7c und Grate an den Zähnen 7a von dem geschmiedeten Körper 7 entfernt. Dann wird der geschmiedete Körper 7 durch Här­ ten und Tempern einer thermischen Vergütung unterzogen.

Beim Abschrecken wird der geschmiedete Körper auf eine Abschrecktemperatur erhitzt, indem er einen Tunnelheiz­ ofen passiert, wobei eine Innentemperatur des Heizofens in einem Bereich zwischen 820°C bis 840°C gesteuert wird und dabei eine Gasatmosphäre mit einem Kohlenstoffpoten­ tial in einem Bereich von 0,7% bis 0,8% aufrechterhalten wird, einerseits um die Abschreckungstemperatur zu ver­ gleichmäßigen und andererseits um Dekarburieren zu ver­ hindern, und auch um eine Rekristallisierung zu unter­ stützen. Danach wird der geschmiedete Körper 7 in Ab­ schrecköl mit einer Temperatur in einem Bereich von 80°C bis 100°C geworfen, um den geschmiedeten Körper 7 abzu­ kühlen. Es ist herzuheben, daß die Benutzung eines iner­ ten Gases zum Verhindern des Dekarburierens ebenfalls gute Resultate erbrachte.

Beim Tempern nach dem Abschrecken wird der geschmiedete Körper 7 auf einer Temperatur von 71°C für zwei Stunden getempert. Nachfolgend wird zum Entfernen von Schuppen der geschmiedete Körper 7 sandstrahlgereinigt.

Nach der thermischen Vergütung wird der geschmiedete Körper zu dem gewünschten Zahnrad durch spanende Bear­ beitung fertiggestellt. Beim Bearbeiten wird der ge­ schmiedete Körper 7 mit den Zahnoberflächen als Posi­ tionierreferenzflächen an einem Spannkopf festgelegt. Nur die sphärische Rückenfläche des geschmiedeten Kör­ pers 7 und eine Innenfläche der zentralen Durchgangs­ bohrung des geschmiedeten Körpers 7 werden durch Hart­ drehen überarbeitet, d. h. Bearbeiten eines hochharten Materials mit einem cBN-Werkzeug (kubisches Bornitrid). Es wird dabei im Rahmen des vorerwähnten Übermaßes fein­ bearbeitet, damit letztendlich das gewünschte Kegelrad erreicht ist.

Dieses Kegelrad hat eine sehr hohe Formgenauigkeit und es gibt keinen Teil im Inneren der peripheren Oberfläche der zentralen Durchgangsbohrung an dem eine nicht-karbu­ rierte Oberflächenschicht vorläge. Es handelt sich also um ein hochpräzises Kegelrad mit hoher Ermüdungsfestig­ keit.

Wurde der Abstand zwischen dem oberen Lochdorn 4 und dem unteren Lochdorn 5, d. h. die Dicke des ringförmigen Gra­ tes 7c auf 0,27mm reduziert, um die Schmiedezustände zu testen, litten die Lochdorne 4, 5 aufgrund der schnelle­ ren Abkühlungsgeschwindigkeit des ringförmigen Grates 7c unter einem größeren Widerstand an ihrem Spitzen, der zu stärkeren Deformationen und stärkerer Abrasion der Loch­ dorne 4, 5 führte, so daß sich bereits nach nur 150 Schmiedevorgängen Schwierigkeiten an den Lochdornen 4, 5 ergaben. Wurde hingegen der Abstand zwischen dem oberen Lochdorn 4 und dem unteren Lochdorn 5, d. h. die Dicke des ringförmigen Grates 7c, auf 0,9 mm gemäß der Erfin­ dung gesetzt, dann wurde bei diesem korrekten Abstand der Lochdorne 4, 5 kein erhöhter Widerstand an den Spitzen der Lochdorne festgestellt, und wurde die Le­ bensdauer des Schmiedegesenkes 1 so lange, daß die Herstellungskosten reduziert werden konnten.

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen eines eine zentrale Durch­ gangsbohrung aufweisenden Zahnrades, gekennzeichnet durch:

• A) Einen Schritt, bei dem für das Zahnrad Hohlmaterial mit einer äußeren Oberfläche und einer eine zentrale Durchgangsbohrung für das Zahnrad definierenden, in­ neren peripheren Oberfläche vorbereitet wird;
• B) einen Schritt, bei dem im Bereich der inneren peri­ pheren Oberfläche und der äußeren Oberfläche des Hohlmaterials eine gehärtete Oberflächenschicht ge­ formt wird;
• C) einen Schritt, bei dem das die gehärtete Oberflächen­ schicht aufweisende Hohlmaterial in einen hohlen, zahnradähnlichen geschmiedeten Körper mit einem Schmiedegesenk warmgeschmiedet wird, das ein erstes Gesenkelement mit einem Lochdorn aufweist, der in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials von einer Seite der Bohrung eintritt, und ein zweites Ge­ senkelement mit einem Lochdorn aufweist, der in die zentrale Durchgangsbohrung des hohlen Materials von der anderen Seite der Bohrung her eintritt, wobei
• i) das Schmiedegesenk Zähne des Zahnrades an der äuße­ ren Seite des Hohlmaterials formt, während in der zentralen Durchgangsbohrung des Hohlmaterials zwi­ schen den Lochdornen ein ringförmiger Grat erzeugt wird,
• ii) ein Abstand zwischen den Lochdornen bei geschlosse­ nem Zustand des Schmiedegesenkes eine Dicke des ringförmigen Grates definiert, die 0,3 mm oder mehr beträgt, jedoch nicht größer als 1,3×(130%) die Tiefe der gehärtete Oberflächenschicht ist;
• D) einen Schritt, bei dem der ringförmige Grat von dem hohlen, zahnradähnlichen, geschmiedeten Körper nach dem Warmschmieden entfernt wird, und
• E) einen Schritt, bei dem der hohle, zahnradähnliche ge­ schmiedete Körper einer thermischen Vergütung unter­ worfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt A) das Hohlmaterial aus Vollmaterial durch Bearbeiten, insbesondere spanendes Bearbeiten, geformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlmaterial aus Vollmaterial durch Durchdrin­ gen mit einem Kaltverformer geformt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt A) das Hohlmaterial aus einem Mate­ rial hergestellt wird, das als Rohr geformt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt A) das Hohlmaterial aus einem Stahl her­ gestellt wird, der als für eine Einsatzhärtung geeigne­ ter Stahl oder ein mit passenden Elementen legierter Stahl ausgewählt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt A) das Hohlmaterial aus einem Stahl hergestellt wird, der aus einer Gruppe von Kohlen­ stoffstählen für die Verwendung bei Maschinenstruk­ turen oder aus Chrom-Nickel-Stählen, Chrom-Nickel- Molybdän-Stählen, Chrom-Stählen, Chrom-Molybdän- Stählen, Mangan-Stählen für Maschinenstrukturen, und Chrom-Mangan-Stählen für Maschinenstrukturen ausge­ wählt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt B) das Oberflächenhärten durch Karbu­ rieren durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt B) die Oberflächenhärtung durch Kar­ bonitrieren durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt B) die Oberflächenhärtung durch Ni­ trieren durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorgreifend zum Warmschmieden im Schritt C) eine Oberflächenschmierung auf das Hohlmaterials aufge­ bracht wird, um eine Schmierbeschichtung zu formen, die zumindest aus einem der folgenden Beschichtungssorten besteht: Phosphatbeschichtung, Molybdän-Disulfidbe­ schichtung und Graphitbeschichtung.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt E) die thermische Vergütung durch Ab­ schrecken und Tempern durchgeführt wird.

12. Schmiedegesenk zum Herstellen eines Zahnrads aus hohlem Material mit einer äußeren Oberfläche und einer inneren, eine zentrale Durchgangsbohrung definierenden peripheren Oberfläche, wobei das Schmiedegesenk gekenn­ zeichnet ist durch
ein erstes Gesenkelement (2) mit einem Lochdorn (4), der in die zentrale Durchgangsbohrung (7b) des Hohlmaterials von einer Seite der Bohrung her eintritt, und
ein zweites Gesenkelement (3) mit einem Lochdorn (5), der in die zentrale Durchgangsbohrung (7b) des Hohlma­ terials von der anderen Bohrungsseite her eintritt,
wobei das Schmiedegesenk (1) so ausgebildet ist, daß in ihm Zähne (7a) des Zahnrades von einer Seite der äußeren Oberfläche des Hohlmaterials bildbar sind, während in der zentralen Durchgangsbohrung (7b) des Hohlmaterials zwischen den Lochdornen (4, 5) ein ringförmiger Grat (7c) herstellbar ist, wobei ein Abstand zwischen den Lochdornen (4, 5) bei geschlossenem Schmiedegesenk (1) eine Dicke des ringförmigen Grates (7c) definiert, die 0,3 mm oder mehr beträgt, jedoch nicht größer ist als 1,3×(130%) die Tiefe der gehärteten Oberflächenschicht des Hohlmaterials.