DE60211362T2

DE60211362T2 - Verfahren zur herstellung von zahnrädern aus pulvermetall

Info

Publication number: DE60211362T2
Application number: DE60211362T
Authority: DE
Inventors: Richard Cincinnati WOOLF
Original assignee: PMG Ohio Corp
Current assignee: PMG Indiana LLC
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: DE60211362D1; ES2261733T3; JP4409943B2; EP1438153B1; EP1438153A1; US6517772B1; EP1438153A4; CA2461119A1; JP2005503486A; WO2003026818A1; MXPA04002812A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern aus Pulvermetall nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist im nächstliegenden Stand der Technik, der US-4,708,912, offenbart.
2. Stand der Technik
Das US-Patent 4,708,912 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern aus Pulvermetall, bei dem ein Sintermetall-Zahnradrohling in einer Walzmaschine zur Drehung um eine erste Achse zwischen einer Gruppe benachbarter, Zähne aufweisender Walzwerkzeuge montiert ist, die jeweils zur Drehung um zweite und dritte Achsen montiert sind, welche parallel zur ersten Achse des Zahnradrohlings verlaufen. Die Verdichtung erfolgt durch Verschieben des Zahnradrohling-Materials durch die Zähne der Walzwerkzeuge. Der Zahnradrohling kann mit vorgeformten Zähnen versehen sein, die anschließend durch die Walzwerkzeuge verdichtet werden.
Das US-Patent 5,711,187 offenbart ein Verfahren zum Verdichten von Zahnrädern aus Pulvermetall, bei dem ein Zahnradrohling aus Pulvermetall zur Verdrehung um eine erste Achse benachbart einem mit Zähnen versehenen Walzwerkzeug angebracht wird, welches zur Drehung um eine zweite Achse, parallel zur ersten Achse, montiert ist. Der Rohling und das Werkzeug werden relativ zueinander bewegt, um das Material der Zahnradzähne zu verschieben und zu verdichten. Wie die Zähne des Zahnradrohlings zur anschließenden Verdichtung vorgeformt werden, ist nicht offenbart.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von Zahnrädern aus Pulvermetall, die verdichtete Zahnradzähne aufweisen, zu vereinfachen. Dieses Ziel wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
Zusammenfassung und Vorteile der Erfindung
Ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades aus Pulvermetall gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Verdichten und Sintern von Pulvermetall zur Bildung eines Zahnradrohlings, der dann zur Verdrehung um eine erste Achse gelagert wird. Ein Werkzeug ist zur Verdrehung um eine quer zur ersten Achse des Zahnradrohlings verlaufende zweite Achse gelagert. Das Werkzeug weist eine Reihe von Zahnradzahn-Schneideabschnitten und eine Gruppe axial benachbarter Zahnradzahn-Oberflächenverdichtungsabschnitte auf. Das Werkzeug wird um die zweite Achse angetrieben, und die Zahnradzahn-Schneideabschnitte werden mit dem Zahnradrohling in Eingriff gebracht, wodurch Zähne durch Entfernen von Zahnradrohling-Material in den Pulvermetall-Zahnradrohling geschnitten werden, um einen gezahnten Zahnradrohling herzustellen. Ohne Demontage des Werkzeugs oder des gezahnten Zahnradrohlings werden das Werkzeug und der gezahnte Zahnradrohling relativ zueinander verschoben, um die Zahnradzahn-Oberflächenverdichtungsabschnitte des Werkzeugs in kämmenden Eingriff mit den Zähnen des gezahnten Zahnradrohlings zu bringen, und das Werkzeug wird um die zweite Achse angetrieben, um die Oberfläche der Zahnradzähne zu verschieben und zu verdichten.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Zahnradzähnen aus Pulvermetall bereitstellt.
Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß sie ein Verfahren zum Ausbilden von Zahnradzähnen aus Pulvermetall mit hoher Präzision und Wiederholbarkeit bereitstellt, da sowohl die Schneid- als auch die Verdichtungsmerkmale an dem Werkzeug vorgesehen sind, und ihre Position und Bewegung erfindungsgemäß so gesteuert werden, daß sie auf den Zahnradrohling übertragen werden, ohne die feste Beziehung Werkzeug-Zahnradrohling zu stören. Mit anderen Worten, durch Kombinieren der Schneid- und Verdichtungsschritte in einem einzigen Vorgang unter Verwendung des Werkzeugs, das sowohl Schneid- als auch Verdichtungsmerkmale aufweist, wird eine bessere Kontrolle über die abmessungsbezogenen und physikalischen Eigenschaften des erhaltenen, verdichteten Pulvermetall-Zahnrads erreicht.
Die Zeichnungen
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich noch besser würdigen, wenn sie im Zusammenhang mit der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden. Es zeigen:
1 eine schematische Perspektivdarstellung einer Vorrichtung zum Bilden von Zahnrädern aus Pulvermetall gemäß einem derzeit bevorzugten Verfahren nach der Erfindung;
2 eine fragmentarische Darstellung wie in 1, welche jedoch die Verdichtung der Zahnradzähne zeigt, und
3 eine vergrößerte schematische Teilschnittdarstellung im wesentlichen entlang den Linien 3-3 der 2.
Detaillierte Beschreibung
Zunächst sei auf die 1 und 2 der Zeichnung eingegangen, in denen eine Vorrichtung 10 zum Schneiden und Walzen von Zahnrädern eine Werkstückspindel 12 mit einer Drehachse A zum Montieren eines Zahnrad-Werkstücks oder einer Zahnrad-Vorform 14 zur Verdrehung um die Achse A aufweist. Die Vorrichtung 10 umfaßt ferner benachbart der Spindel 12 eine Werkzeugspindel 16, die eine Drehachse B aufweist, welche quer zur Drehachse A verläuft. An der Spindel 16 ist eine Zahnradform oder ein Zahnradformwerkzeug 18 zur Verdrehung um die Achse B in einer wirksamen Arbeitsbeziehung zum Werkstück 14 montiert. Die Achse B verläuft schräg zur Achse A so, daß sie nicht parallel sind und sich nicht schneiden.
Das Formgebungswerkzeug 18 umfaßt einen allgemein zylindrischen Körper 20 mit einer Reihe von Zahnradzahn-Schneideabschnitten 22 und einer Reihe von Zahnradzahn-Oberflächenverdichtungsabschnitten 24. Die Zahnradzahn-Schneideabschnitte 22 umfassen eine Reihe von Schneidezähnen 26, die um das Teil 20 herum benachbart einem axialen Ende 28 des Werkzeugs 18 angeordnet sind. Die Zähne 26 weisen vordere Schneidkanten 30 auf.
Die Zahnradzahn-Verdichtungsabschnitte 24 sind auf einem Werkzeug 18 axial benachbart den Zahnradzahn-Schneideabschnitten 22 vorgesehen, die benachbart einem gegenüberliegenden Ende 32 des Werkzeugs 18 liegen. Die Zahnradzahn-Oberflächenverdichtungsabschnitte 24 umfassen periphere Walzformzähne in Form eines Schneckengewindes 34, das frei von Schneidflächen ist, die ein Schneiden, Scheren oder Entfernen von Material vom Werkstück 14 bewirken würden. Das Schneckengewinde 34 hat vordere und hintere Formgebungsflächen 36, 28 (bezüglich der Drehrichtung des Werkzeugs 18 gesehen), die helixförmig um das zylindrische Teil 20 herum verlaufen. Das Formgebungsgewinde 34 kann ein eingängiges oder mehrgängiges Gewinde sein. Ein axialer Zwischenraum 40 trennt die Zahnradzahn-Schneideabschnitte 22 von den Zahnradzahn-Oberflächenverdichtungsabschnitten 24 und liegt somit zwischen den Enden 28, 32 des Werkzeugs 18. Die Abschnitte 22, 24 können eine einstückige Struktur mit dem Werkzeug 18 bilden oder alternativ dazu einzeln hergestellt und zum gemeinsamen Verdrehen um die Achse B an der Spindel 16 befestigt werden.
Das Werkstück 14 wird zunächst als zahnloser Zahnradrohling geformt und aus einem Pulvermetall zu seiner Form verdichtet und dann in üblicher Weise aus einer beliebigen Anzahl von legierten und/oder vermischten Pulvern, wie z.B. elementarem Eisen, Eisenlegierungen und einzelnen oder kombinierten Legierungszusätzen, wie Kupfer, Mangan, Silizium, Kohlenstoff, Graphit, Schmier- und Bindemitteln usw., gesintert. Der gesinterte Werkstückrohling 14 wird zur kontrollierten Drehung um die Achse A in Richtung des Pfeils C und/oder in die entgegengesetzte Richtung auf die Spindel 12 der Vorrichtung 10 aufgesetzt. Im aufgesetzten Zustand hat das Werkstück 14 noch keine vorgeformten Zahnradzähne, die zur Verdichtung bereit sind. Das Werkzeug 18 wird so angeordnet, daß die Zahnradzahn-Schneideabschnitte 22 neben dem Werkstück 14 liegen, und die Spindeln 12, 16 werden relativ zueinander so bewegt, daß sie die Zahnradzahn-Schneideabschnitte 22 in Eingriff mit der Außenumfangsfläche des Werkstücks 14 bringen, um mit dem Schneiden von Zahnradzähnen in das Werkstück 14 zu beginnen, wie dies in 1 dargestellt ist. Während dieses Vorgangs wird das Werkzeug 18 in Richtung des Pfeils D um die Achse B der Spindel 16 gedreht, während das Werkstück 14 um die Achse A der Spindel 12 gedreht wird. Bei diesem anfänglichen Zahnradzahn-Schneidevorgang treten die Schneidzähne 26 mit dem Abschnitt aus Pulvermetallmaterial des Werkstücks 14 in Eingriff und entfernen diesen, um die unverdichteten Zahnradzähne 42 des Werkstücks 14 zu ergeben. Das Werkzeug 18 kann mit dem Werkstück 14 in Eingriff und außer Eingriff gebracht werden, indem das Werkzeug 18 in Richtung des Pfeils E bewegt wird.
Sobald die Zahnradzähne 42 in das Werkstück 14 geschnitten sind, wird das Werkzeug 18 aus dem kämmenden Eingriff mit den Zähnen 42 in Richtung des Pfeils E herausbewegt. Nachdem das Werkstück 14 und das Werkzeug 18 sich außer Eingriff befinden, werden sie ohne Demontage des Werkzeugs 18 oder des Werkstücks 14 von ihren jeweiligen Spindeln 16, 12 relativ zueinander bewegt oder verschoben, dergestalt, daß sich der Zahnradzahn-Oberflächenverdichtungsabschnitt 24 des Werkzeugs 18 neben den Zahnradzähnen 42 befindet. Wie dies am besten in 2 dargestellt ist, wird die Relativverschiebung vorzugsweise durch Verschieben des Werkzeugs 18 entlang der Achse B in Richtung des Pfeils F ausgeführt. Nach der Verschiebung werden die Zahnradzahn-Oberflächenverdichtungsabschnitte 24 des Werkzeugs 18 in kämmenden Eingriff mit den unverdichteten Zahnradzähnen 42 gebracht.
Die Spindel 16 ist mit einem Antriebsmotor 44 gekoppelt, der die Spindel 16 und somit das Werkzeug 18 zwangsläufig um die Achse D in Richtung des Pfeils D oder, falls gewünscht, in die entgegengesetzte Richtung antreibt. Die Drehung des Werkzeugs 18 in Richtung des Pfeils D beaufschlagt das Werkstück 14 mit einer entsprechenden Drehkraft, wodurch es aufgrund des Eingriffs zwischen den Zähnen 42 und dem Gewinde 34 in eine Drehung in Richtung des Pfeils C versetzt wird. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Werkstück 14 auch über einen zugeordneten Motor 46, der mit der Werkstückspindel 14 gekoppelt ist, zwangsläufig angetrieben, um eine unabhängige Steuerung der Relativdrehung und der Winkelgeschwindigkeit des Werkstücks 14 zu ermöglichen.
3 zeigt die Wechselwirkung, die während des Verdichtungsschrittes des Verfahrens zwischen dem Schneckengewinde 34 des Werkzeugs 18 und den Zähnen 42 des Werkstücks 14 stattfindet. Die Formgebungsflächen 24, 26 des Gewindes 22 treten mit den entsprechenden Seitenflächen der Zahnradzähne 42 in Eingriff, wodurch das Material an der Oberfläche der Zahnradzähne verschoben wird, was die Zahnradzähne 42 bis zu einer vorbestimmten Tiefe verdichtet und härtet, wie dies mit den gepunkteten Bereichen in 3 dargestellt ist.
Der zwangsläufige Antrieb des Werkzeugs 18 und des Werkstücks 14 unabhängig voneinander ermöglicht eine Einstellung der durch das Gewinde 34 auf die Zähne 42 aufgebrachten, gerichteten Last, um verschiedene Zahnradkonfigurationen, einschließlich Evolventenzähnen, und eine Kontrolle der Verdichtung der Zähne zu ermöglichen, so daß eine gleichmäßige Verdichtung der Zähne oder eine Verdichtung eines bestimmten Bereichs der Zähne in höherem Maße als in anderen Bereichen erreicht wird. Die Verdichtung der Zähne 42 kann so, wie im US-Patent 6,151,941 beschrieben, an dem der Anmelder der vorliegenden Erfindung beteiligt ist, und dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, oder in ähnlicher Weise ausgeführt werden.
Offensichtlich sind angesichts der obigen Ausführungen zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es versteht sich daher, daß die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche anders als spezifisch beschrieben ausgeführt werden kann. Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades aus Pulvermetall, wobei das Verfahren das Verdichten und Sintern von Pulvermetall zur Bildung eines Zahnradrohlings (14) umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zahnradrohling (14) zur Verdrehung um eine erste Achse (A) des Zahnradrohlings (14) gelagert ist, ein Werkzeug (18) zur Verdrehung um eine zweite Achse (B), quer zur ersten Achse (A), gelagert ist, wobei das Werkzeug eine Reihe von Zahnradzahn-Schneideabschnitten (22) und eine axial benachbarte Gruppe von Zahnradzahn-Oberflächenverdichtungsabschnitten (24) aufweist, das Werkzeug (18) um die zweite Achse (B) angetrieben wird und Zahnradzähne (42) durch Entfernen von Zahnradrohling-Material in den Pulvermetall-Zahnradrohling (14) geschnitten werden, um einen gezahnten Zahnradrohling herzustellen, und, ohne Demontage des Werkzeugs (18) oder des gezahnten Zahnradrohlings, das Werkzeug (18) und der gezahnte Zahnradrohling relativ zueinander verschoben werden, um die Zahnradzahn-Oberflächenverdichtungsabschnitte (24) des Werkzeugs in kämmenden Eingriff mit den Zähnen des gezahnten Zahnradrohlings zu bringen, und das Werkzeug (18) um die zweite Achse (B) angetrieben wird, um die Oberfläche der Zahnradzähne (42) zu verschieben und zu verdichten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verdichten und Sintern des Zahnradrohlings (14) vor dem Schneiden der Zahnradzähne (42) in den Zahnradrohling (14) dem Zahnradrohling eine allgemein zylindrische Form verleiht.
Verfahren nach Anspruch 1, das einen Zwangsantrieb des gezahnten Zahnradrohlings während der Verdichtung der Zahnradzähne (42) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Relativverschiebung des Werkzeugs (18) und des Zahnradrohlings (14) durch Bewegen des Werkzeugs (18) entlang seiner Achse (B) ausgeführt wird.