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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung, das
dazu dient, die mechanischen Eigenschaften eines mechanischen Rotationsteils
wie beispielsweise eines Ritzels oder Zahnrads eines Getriebes zu
verbessern.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten,
die mechanischen Eigenschaften eines Teils und insbesondere seine
Oberflächenhärte zu verbessern,
ohne auf allzu kostspielige Stahlzusammensetzungen mit hoher Kohlenstoff-,
Nickel- oder Chromkonzentration zurückzugreifen. Das derzeit am
häufigsten
eingesetzte Verfahren ist das Karbonitrieren. Es besteht darin,
die Zusammensetzung der Stähle
oberflächlich
zu verändern,
insbesondere durch Erhöhen
des Kohlenstoffgehalts. Der Behandlungsprozess besteht darin, die
Stähle
in kontrollierten Atmosphären, wo
die Kohlenstoffkonzentration hoch ist, auf eine hohe Temperatur
zu erhitzen. Die erforderlichen Öfen sind
sehr groß und
kostspielig und die Behandlungsdauer übersteigt oft eine oder zwei
Stunden.
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Um
die Nachteile des Karbonitrierens zu beheben, wurden alternative
Lösungen
vorgeschlagen. Eine davon besteht darin, die Eigenschaften mechanischer
Teile wie beispielsweise von Zahnrädern durch Abschrecken und
induktive Erwärmung
zu verbessern. Die
US 4855556 offenbart
eine entsprechende Anlage. Lange Zeit scheiterte die Durchführung eines
solchen, a priori einfachen und schnellen Verfahrens an der Komplexität, ein verlässliches
und reproduzierbares industrielles Werkzeug herzustellen, das die
Zahnungen der Teile nicht verändert,
sowie an der Entwicklung eines geeigneten Behandlungsablaufs, mit
dem sich Tausende von Teilen pro Tag behandeln lassen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Behandlungsverfahren
vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß ist das
Verfahren zur thermischen Behandlung für ein mechanisches Rotationsteil
wie eines Zahnrads dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden,
aufeinander folgenden Schritte aufweist:
- – induktive
Erwärmung
mit hoher Frequenz;
- – induktive
Erwärmung
mit mittlerer Frequenz;
- – Abschrecken;
- – induktive
Erwärmung
mit mittlerer Frequenz;
- – induktive
Erwärmung
mit hoher Frequenz;
- – Abschrecken.
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Nach
einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Behandlungsverfahrens wird
das mechanische Teil bei allen oder einem Teil dieser Schritte in
Drehung versetzt.
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Nach
einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Behandlungsverfahrens liegt
bei den Schritten der induktiven Erwärmung mit hoher Frequenz die
Induktionsfrequenz zwischen 100 und 300 kHz.
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Nach
einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Behandlungsverfahrens beträgt die Dauer
der Schritte der induktiven Erwärmung
mit hoher Frequenz zwischen 0,3 und 5 Sekunden.
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Nach
einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Behandlungsverfahrens liegt
bei den Schritten der induktiven Erwärmung mit mittlerer Frequenz
die Induktionsfrequenz zwischen 0,5 und 10 kHz.
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Nach
einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Behandlungsverfahrens beträgt die Dauer
der Schritte der induktiven Erwärmung
mit hoher Frequenz zwischen 1 und 10 Sekunden.
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Nach
einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Behandlungsverfahrens liegt
bei den Schritten der induktiven Erwärmung die Leistung zwischen
100 und 1500 kW.
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Nach
einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Behandlungsverfahrens wird
das Abschreckbad aus einer Mischung aus Wasser und Polymeren gebildet.
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Die
Erfindung wird besser verständlich
und weitere Aufgaben, Merkmale, Details und Vorzüge der Erfindung gehen deutlicher
aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
hervor, die nur als Beispiel zur Veranschaulichung einer Ausführungsform
der Erfindung dienen.
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Werkzeugmaschine für den Einsatz
der Erfindung;
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2 ist
ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Behandlung.
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Die
Maschine mit dem Bezugszeichen 1 ermöglicht die thermische Behandlung
mechanischer Rotationsteile wie der Zahnung 21 eines Zahnrads 2 für ein Getriebe.
Im vorliegenden Beispiel besitzt das Zahnrad 2 eine mittlere
Bohrung 20, eine äußere peripherische
Wand und zwei Seitenflächen.
Die Zahnung 21, die beispielsweise eine Schraubverzahnung
ist, befindet sich an der äußeren peripherischen Wand
des Zahnrads 2.
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Die
Maschine umfasst einen Rahmen, der ein nicht dargestelltes Schaltfeld
trägt,
Mittel zur induktiven Erwärmung 4 und 5,
einen Abschreckbehälter 6 mit
einem Kreis zur Versorgung und Leerung, Mittel zur Bedienung, die
die Bewegung des zu behandelnden Teils zwischen den Erwärmungsmitteln 4, 5 und
dem Abschreckbehälter 6 ermöglichen,
der ein Abschreckbad einschließt,
das beispielsweise aus einer Mischung aus Wasser und Polymeren besteht.
Das Abschreckbad und insbesondere seine Zusammensetzung ist so beschaffen,
dass das Abkühlen
mit einer angemessenen Geschwindigkeit erfolgt, um die Beanspruchungen
im Metall zu begrenzen.
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Diese
Maschine und insbesondere die Mittel zur induktiven Erwärmung sind
mit geeigneten elektrischen Generatoren für mittlere und hohe Spannung
verbunden.
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Die
Bedienungsmittel umfassen eine Tragplatte 7 für das Teil,
die mit einer vertikal verlaufenden Welle 70 fest verbunden
ist. Der Kranz 2 ist mittels des Endes der Welle 70,
das über
die Platte vorspringt und in die mittlere Bohrung des Zahnrads 2 eindringt,
auf der Platte 7 zentriert. Die Welle 70 wird von
ersten gesteuerten Mitteln 71 in Drehung versetzt und vertikal
von zweiten gesteuerten Mitteln 72 bewegt. Anflanschmittel
wie beispielsweise ein gesteuerter Kolben 73 blockieren
das Rad 2 auf der Tragplatte 7. Das Mittel 73 kann
auch dazu dienen, die Verformungen zu verringern, indem das Teil
unter Druck gehalten wird.
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Die
Erwärmungsmittel
umfassen zwei Vorrichtungen, die im Hinblick auf ihre Gestaltung
im Wesentlichen gleich und übereinander
angeordnet sind. Die Vorrichtung 4 ist mit einem Generator
für mittlere
Frequenz verbunden, während
die Vorrichtung 5 mit einem Generator für hohe Frequenz verbunden ist.
Aufgrund der ähnlichen
Gestal tung der Vorrichtungen wird nur die Vorrichtung 4 im
Detail beschrieben.
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Die
Erwärmungsvorrichtung 4 besteht
aus drei Windungen, die mit der Welle 70 koaxial sind: den
Windungen 41, 42 und 43. Diese Windungen
besitzen die Form eines nicht geschlossenen Rings vom Typ Omega Ω und bestehen
aus ringförmigen hohlen
Rohren. Die metallischen Windungen sind so angeordnet, dass wenn
das Rad 2 mit seiner Zahnung 3 gegenüber der
mittleren Windung positioniert ist, wobei die Mittelebene des Rads
eine Symmetrieebene der mittleren Windung 42 bildet, die äußeren Windungen 41 und 43 sich
auf beiden Seiten des Rads 2 befinden und der Zahnung 3 nicht
gegenüberliegen.
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Die
drei Windungen 41, 42 und 43 sind an
einem ersten Ende an einem ersten Verbindungssteg 44 aus
Metall befestigt. Die zweiten Enden der drei Windungen sind an einem
nicht dargestellten zweiten Verbindungssteg befestigt. Die beiden
Verbinder sind mit den Anschlüssen
eines elektrischen Generators für
mittlere Frequenz verbunden. Eine isolierende Wand trennt die beiden
Stege voneinander.
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Geeignete
Steuermittel steuern für
jede Vorrichtung zum induktiven Erwärmen die Dauer, die Frequenz
und die Leistung, mit der der elektrische Strom durch die Windungen
läuft.
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In
jeder Windung 41, 42, 43 zirkuliert ein Kühlfluid.
Die Mittel, die das Kühlfluid
zu den einzelnen Windungen transportieren, ableiten und in Umlauf
bringen, werden ebenso wie die Mittel zur Befestigung der Windungen
am Rahmen der Maschine 1 nicht näher beschrieben.
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Die
Abmessungen jeder Windung 41, 42 und 43 – also Inndurchmesser,
Höhe und
Querschnitt sowie ihr Abstand zueinander – werden auf die Abmessungen
des Zahnrads 2 angepasst. Insbesondere die Höhe der mittleren
Windung ist geringer als die Höhe der
Zahnung.
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Die
Bedienungsmittel ermöglichen
das vertikale Verschieben des Zahnrads 2 zwischen vier
Positionen: einer Position I des Einsetzens des Kranzes, einer Position
II des Erwärmens
mit der Mittelfrequenz-Vorrichtung 4,
einer Position III des Erwärmens
mit der Hochfrequenz-Vorrichtung 5 und einer Position IV
des Eintauchens in das Abschreckbad 61.
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Die
anhand von 1 beschriebene Maschine 1 ermöglicht den
Einsatz des in 2 veranschaulichten Verfahrens.
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Das
Zahnrad 2 wird zunächst
von der Ausgangsposition I in die Position III in die Vorrichtung 5 zum
Erwärmen
mit hoher Frequenz 5 geführt. Sobald das Rad vor der
mittleren Windung der Vorrichtung 5 positioniert ist, wird
zwei Sekunden lang eine Frequenz von ungefähr 150 kHz angelegt. Dann wird eine
Leistung in der Größenordnung
von 400 kW geliefert. Die Zähne 21 des
Rads 2 werden auf ungefähr 1100 °C erhitzt.
Während
der gesamten Dauer dieser Hochfrequenz-Erwärmung
wird das Rad 2 mithilfe der Welle 70 mit ungefähr 150 Umdrehungen
pro Minute in Drehung versetzt, um eine gleichmäßige Erwärmung über die gesamte Peripherie
der Zahnung 21 zu erhalten.
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Wenn
der erste Behandlungsschritt abgeschlossen ist, wird das Rad in
die Vorrichtung 4 zum Erwärmen mit mittlerer Frequenz
geführt,
was der Position II entspricht. Nachdem das Rad vor der mittleren
Windung der Vorrichtung 4 platziert wurde, wird ebenfalls
zwei Sekunden lang eine Frequenz von ungefähr 2 kHz angelegt. Auch hier
wird eine Leistung in der Größenordnung
von 400 kW geliefert. Der Boden der Zähne wird auf ungefähr 1000
bis 1100 °C
erhitzt. Während
der gesamten Dauer der Mittelfrequenz-Erwärmung wird das Rad mit ungefähr 150 Umdrehungen
pro Minute in Drehung versetzt, um eine gleichmäßige Erwärmung über seine gesamte Peripherie
zu erhalten.
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Nach
dem Anhalten des drehenden Rads wird dieses in der Position IV 15
bis 30 Sekunden lang in das Abschreckbad 61 getaucht. Das
zunächst unbewegliche
Rad 2 wird nach und nach in Drehung versetzt, um eine Rotationsgeschwindigkeit
zwischen 10 und 20 Umdrehungen pro Minute zu erreichen, und zwar
in einer Richtung, die auf die Richtung der Zahnung angepasst ist,
sodass die Abschreckflüssigkeit
von unten nach oben zwischen den Zähnen zirkuliert. So entspricht
die Drehrichtung bei einer Geradverzahnung dem Uhrzeigersinn. Die Zirkulation
der Flüssigkeit
zwischen den Zähnen
verhindert Erhitzungsphänomene
und ermöglicht
eine homogene Behandlung an der gesamten Zahnung.
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Dieser
erste Behandlungsablauf ermöglicht ein
Abschrecken aller Zähne 21 und
des Rads 2 über eine
Bodentiefe der Zahnung von ungefähr
3 mm.
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Es
folgt ein nicht obligatorisches Trocknen des Rads, das darin besteht,
das Rad mit hoher Geschwindigkeit zu drehen. Dann erfolgt ein zweites
Abschrecken, das dazu dient, einen Aushärtungsbereich unter der Zahnung 21 zu
bilden, der eine gewisse Streckbarkeit verleiht, wobei auch die
Zähne weiter
abgeschreckt werden. Dadurch werden Härte und Flexibilität der Zahnung 21 miteinander
vereint.
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Das
zweite Abschrecken beginnt also mit einem neuen Schritt, in dem
das Zahnrad 2 zunächst
in die Position II in die Vorrichtung 4 zum Erwärmen mit mittlerer
Frequenz geführt
wird. Wenn das Rad vor der mittleren Windung der Vorrichtung 4 positioniert ist,
wird zwei Sekunden lang eine Frequenz von ungefähr 1 kHz angelegt.
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Auch
hier wird eine Leistung in der Größenordnung von 300 kW geliefert.
Die Zähne
werden so auf ungefähr
300 bis 400 °C
erhitzt. Während
der Dauer des Mittelfrequenz-Erwärmens
wird das Rad mit ungefähr
150 Umdrehungen pro Minute in Drehung versetzt, um ein gleichmäßiges Erwärmen über seine
gesamte Peripherie zu erreichen.
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Nach
diesem Vorheizen wird das Rad in die Position III in die Vorrichtung 5 zum
Erwärmen
mit hoher Frequenz geführt.
Sobald das Rad vor der mittleren Windung der Vorrichtung 5 positioniert
ist, wird 0,4 Sekunden lang eine Frequenz von ungefähr 150 kHz
angelegt. Es wird dann eine Leistung in der Größenordnung von 1000 kW geliefert.
Die Zähne 21 des Rads 2 werden
auf ungefähr
1200 °C
erhitzt. Während
der gesamten Dauer des Erwärmens
mit hoher Frequenz wird das Rad 2 mithilfe der Welle 70 mit
ungefähr
250 Umdrehungen pro Minute in Drehung versetzt, um ein gleichmäßiges Erwärmen über die
gesamte Peripherie der Zahnung 21 zu erreichen.
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Sobald
der Schritt des Erwärmens
mit hoher Frequenz durchgeführt
ist, wird das Rad sofort in das Bad 61 getaucht, und zwar
so lange, bis das Rad 2 weit genug abgekühlt ist,
dass es aus der Maschine 1 herausgeführt werden kann. Während dieser
Eintauchphase wird das zunächst
unbewegte Rad 2 nach und nach in Drehung versetzt, um eine
Rotationsgeschwindigkeit zwischen 10 und 20 Umdrehungen pro Minute
zu erreichen, und zwar in einer Richtung, die auf die Richtung der
Zahnung angepasst ist, sodass die Abschreckflüssigkeit von unten nach oben
zwischen den Zähnen
zirkuliert. So entspricht die Drehrichtung bei einer Geradverzahnung
dem Uhrzeigersinn. Diese Zirkulation der Flüssigkeit zwischen den Zähnen verhindert
Erhitzungsphänomene.
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Selbstverständlich kann
die Erfindung verschiedenen Varianten und Veränderungen unterzogen werden,
die dem Fachmann in den Sinn kommen. Insbesondere ist es möglich, eine
induktive Erwärmung
von beliebigen Zahnrädern
durchzuführen, sei
es von Pfeilrädern,
Schneckenrädern
oder Globoid-Schnecken. Die Erfindung lässt sich auch auf Kegelräder und
Zahnräder
anwenden, bei denen die Zahnung auf einer Fläche sitzt, die im Wesentlichen senkrecht
zur Achse des Rads ist, wobei die geometrischen Parameter, die die
erfindungsgemäße Vorrichtung
definieren, abhängig
von der zu behandelnden Zahnung bestimmt werden.
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Die
verschiedenen Parameter des oben beschriebenen Verfahrens zur thermischen
Behandlung können
also je nach Art des behandelten Teils angepasst werden.