EP0364028B1 - Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle Download PDF

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EP0364028B1
EP0364028B1 EP89202500A EP89202500A EP0364028B1 EP 0364028 B1 EP0364028 B1 EP 0364028B1 EP 89202500 A EP89202500 A EP 89202500A EP 89202500 A EP89202500 A EP 89202500A EP 0364028 B1 EP0364028 B1 EP 0364028B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaft
tubular
manufacturing
cam
cams
Prior art date
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Application number
EP89202500A
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English (en)
French (fr)
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EP0364028A1 (de
Inventor
Walter Dipl.-Ing. Knöss
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PMG Fuessen GmbH
Original Assignee
Sinterstahl GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Sinterstahl GmbH filed Critical Sinterstahl GmbH
Publication of EP0364028A1 publication Critical patent/EP0364028A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0364028B1 publication Critical patent/EP0364028B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/08—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools with one or more parts not made from powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/1208—Containers or coating used therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2301/00—Using particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2303/00—Manufacturing of components used in valve arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
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    • Y10T29/4998—Combined manufacture including applying or shaping of fluent material
    • Y10T29/49982—Coating
    • Y10T29/49984—Coating and casting

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a tubular camshaft, in particular for an internal combustion engine, in which individual cams are subsequently applied to a prefabricated tubular shaft.
  • Camshafts are usually cast solidly; the cams themselves are brought to their nominal size by turning and grinding. In recent years, light and hollow camshafts have been required with regard to multi-valve technology. This favors central lubrication in terms of construction and allows material savings. Recently there have been practical approaches for assembling the camshafts from individual segments. Individual tubular shaft segments are assembled with finished cams to form the overall shaft, or individual cams are attached to a one-piece shaft tube and connected to it by gluing, soldering or mechanically. A large number of methods have been described for connecting a hollow shaft and prefabricated cams and possibly bearing elements.
  • cams As a specific method for applying the cams on the shaft u. a. soldering in connection with pipe expansion described above (DE-OS 34 31 361). To increase the clamping effect and to achieve a high-strength solder connection, the cams are serrated on their inner circumferential surface.
  • a cast camshaft is made of a uniform material.
  • the cams which are exposed to particular wear are often additionally surface-treated or are given a particularly wear-resistant and abrasion-resistant surface protective layer.
  • different materials can be used for tubular parts with attached cams for both parts (DE-OS 23 36 241).
  • sintered, sinter-forged, cast, extruded, stamped or also turned and milled parts for the cams placed on the tubular shaft and to firmly adhere them to the shaft by gluing, welding, brazing, shrinking or stretching connect.
  • a disadvantage of all of the methods described above for the subsequent application of cams to a shaft is the difficulty or the great technical outlay for pre-processing the cams and for their precise positioning and fixation on the shaft.
  • the process coordination of the expansion or shrinking in terms of the materials advantageously used for the tubular shaft and for the cams is also not yet adequately technically solved.
  • the choice of materials requires great compromises.
  • widening of the tubular shaft generally means that the material flows and thus the formation of different wall thicknesses in partial areas of the tubular shaft.
  • the object of the present invention is then to provide a process which is technically less complex and therefore more economical than the prior art for producing a tubular camshaft using a prefabricated tubular shaft to which cams and possibly other bearing or wearing parts are subsequently applied.
  • the inventive method should in particular enable the construction of very light camshafts with shafts that are as thin as possible. Selection criteria for the materials of the shaft and cam should primarily be an optimization of the required mechanical strengths and wear resistance, which differ in individual areas of the camshaft, without compromise with regard to the manufacturability that has only been possible until today.
  • cam material is pressed and sintered onto the prefabricated, tubular shaft as a powder, that the shaft and the cam material are introduced into a lost press sleeve and are isostatically pressed in this arrangement by means of a pressure medium, and that the pressure medium continues to be used receives free access to the inside of the pipe during the pressing process.
  • the inventive method is primarily used for the production of metallic camshafts, but is not limited to these versions.
  • the use of hard metals, of metal-ceramic or even purely non-metallic materials is conceivable.
  • a material A in the form of a comparatively thin layer into the press cover in the area of the cams and then to fill the cam area of the press cover with a powdery material B.
  • Material A can, for example, be injected into the mold in a mixture with an adhesive which can be evaporated later, or it can also be introduced in the form of metallic cloths, ie in the form of a mixture of wear-resistant material and elastic, evaporable binder material.
  • the plastic blow molding process is now a widespread economic process, according to which a large number of plastics, in particular polyethylene, are extruded into a tube-like raw form and then, in the not yet hardened state, are pressed against a mold wall and cured by means of compressed air.
  • plastics in particular polyethylene
  • the pressure medium is primarily water. This results in an average compression shrinkage of 15-25% of the powder material poured into the casing and slightly pre-compressed by shaking.
  • the press cover is still like this to dimension that it bears positively on the tubular shaft outside the cam areas and thus prevents an undesirable eccentricity of the camshaft.
  • the pressing sleeve is advantageously mechanically opened by means of a metallic sleeve of the shaft surface in the end area.
  • the unimpeded access of the pressure medium to the inside of the tube during the pressing process is desirable, firstly, so as not to deform the comparatively thin-walled shaft tube during the high pressures during the pressing, and secondly to ensure that the pressing of the cam material onto the prefabricated shaft is technically a one-sided pressing and Condense is. This facilitates sufficiently uniform powder compaction and compliance with the desired green compact dimensions.
  • the end regions of the prefabricated tubular shaft ie the sections between the shaft end and the first cam, must be long enough to enable a powder-tight seal between the press sleeve and the shaft surface. It may therefore be necessary to cut the initially oversized tubular shaft to length after the pressing process.
  • shaft ends of any configuration pressed separately to green compacts can be pushed onto or inserted into the shaft on the camshaft following the inventive pressing process and sintered onto the shaft in a joint sintering process and materially connected to the shaft via diffusion bonding will.
  • a prefabricated tubular shaft made of a comparatively ductile and flowable material, e.g. B. copper, and the shape of the lost press cover dimensioned so that powdered cam material is pressed as a layer on the shaft and then sintered in the area between individual cams.
  • the flexural strength of the camshaft is generally determined by the outer wall.
  • the shaft is advantageously protected against warping during isostatic pressing by inserting perforated steel tube, at least in sections, into the prefabricated tubular shaft during this process step. The perforation allows the press medium to pass through to the inner tube surface of the prefabricated shaft.
  • a "near net shape" shaping can be achieved via the inventive method, i. H. After sintering, the camshaft thus prefabricated only has to be brought to the required surface quality and to the final dimensions within the permitted dimensional tolerances in a final grinding process.
  • the plastic press cover is detached or burned off by the compact after the pressing process and is not recyclable.
  • the subsequent sintering process takes place according to known methods.
  • the camshafts are advantageously sintered hanging vertically.
  • post-treatment of the material is necessary to restore the mechanical properties of the shaft material that were lost due to the sintering.
  • the tubular prefabricated shaft will be primarily cylindrical. However, it can also have the shape of a polygonal polygon in cross section.
  • the prefabricated shaft is advantageously pretreated in accordance with the known prior art in order to facilitate the sintering on of the pressed-on cam material with diffusion bonding with the shaft material.
  • Such measures are, for example, sandblasting or phosphatising the surface.
  • an intermediate layer from a third material. Mechanical tensions can lead to cracks and, at worst, to detach the cams from the shaft. With regard to shrinkage behavior and thermal expansion coefficient, the properties of the intermediate layer material should lie between those of the cam and the shaft material, or should themselves have high ductility and flowability. Intermediate layers of this type can, for example, be sprayed onto parts of the prefabricated shaft before being introduced into the press cover, applied or pushed on as a shaped sheet with a precise fit.
  • the main advantage of the present inventive method compared to the known prior art for the production of tubular camshafts using a prefabricated shaft tube lies in the more economical production, in contrast to the prior art, the selection of materials which is practically unrestricted.
  • the economic advantage of the inventive method stems from the fact that lost press sleeves can be produced inexpensively using the plastic blow molding process and yet with great dimensional reproducibility and quality consistency.
  • "near net shape" cams can be sintered onto the tubular shaft, which are then brought into the ready-to-use state solely by means of a comparatively inexpensive grinding process.
  • the production of camshafts according to the invention and further processing until the product is ready for use is more economical than the production by casting and machining and grinding.
  • camshafts become more diverse when using the method according to the invention than when manufacturing according to known methods.
  • press cover was closed at both ends - clamped onto the ends of the tubular shaft by means of mechanically lockable sleeves, leaving the pipe ends open - and isostatically pressed at 2500 bar in a cold isostatic press using water as the pressure medium.
  • the mold After pressing, the mold was burned off in a protective gas stream in the preheating zone of a sintering furnace, the lost polyethylene press casing decomposing and burning almost without residue. Subsequently, the camshaft freed from the press cover was provided at both ends with a pre-pressed blank green body and suspended in the sintering furnace by means of suitable holders. The sintering under protective gas took place at a temperature of 1080 ° C for 60 minutes. The pressed alloy powder entered into a metallic connection with the pipe material. The hardness of the cams in the sintered state was 52-54 HRC.
  • the camshaft could be finished economically by grinding alone.
  • a prefabricated tubular shaft made of copper or a low-alloy, comparatively ductile and flowable copper alloy is pushed onto a perforated steel tube of high strength to produce the camshaft for the isostatic pressing process.
  • Powder of a wear-resistant steel alloy is introduced as cam material into the lost press cover.
  • the composite, perforated steel tube and copper shaft is introduced into one of the two openings of the press cover and pushed through it with shaking and powder compaction.
  • the inner dimension of the press cover is such that it fits tightly on both ends of the shaft after insertion of the tubular shaft, but in the remaining areas outside the cams a powder-filled space between the tubular shaft and the press cover wall remains.
  • the press cover sits on the ends of the non-perforated steel tube which protrude from the copper tube and fits over a sufficient length.
  • the ends of the press cover are clamped onto the pipe surface by means of sleeves and introduced into an isostatic press in such a way that the press medium can also penetrate into the pipe end and there act on the tubular shaft made of copper through the perforated steel shaft.
  • the powder material is pressed both through the press cover and via a slight expansion of the copper tube.
  • the perforated steel tube is pulled out of the copper tube again. This is usually done effortlessly due to the slight expansion of the copper tube during the isostatic pressing process.
  • the camshaft freed from the press cover is sintered in accordance with the conditions of Example 1, but at temperatures which are lower by approximately 100 ° C.
  • the sintered camshafts are then finished by mechanical grinding.
  • This embodiment of the method enables particularly good and elastic connections to be achieved between the prefabricated tubular shaft and the sintered-on material.
  • Material tests have shown that flowable copper already penetrates into the pores between the powder grains in a transition zone during the pressing process and this material crosslinking is further reinforced by interdiffusion during the subsequent sintering process. This makes it possible to achieve particularly firm and at the same time elastic connections between the prefabricated tubular shaft and the cam material. Camshafts manufactured in this way showed no tendency to crack.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, bei dem auf einer vorgefertigten rohrförmigen Welle einzelne Nocken nachträglich aufgebracht werden.
  • Nockenwellen werden üblicherweise massiv gegossen; die Nocken selbst werden durch Drehen und Schleifen auf Sollmaß gebracht. In den letzten Jahren wurden im Hinblick auf die Mehrventiltechnik leichte und hohlförmige Nockenwellen gefordert. Dies begünstigt konstruktiv die zentrale Schmierung und erlaubt Materialeinsparungen. In jüngster Zeit gibt es praktische Ansätze dafür, die Nockenwellen aus einzelnen Segmenten zusammenzusetzen. Dabei werden einzelne, rohrförmige Wellensegmente mit bereits fertig bearbeiteten Nocken zur Gesamtwelle zusammengesetzt, oder aber es werden einzelne Nocken auf ein einstückiges Wellenrohr aufgebracht und mit diesem durch Kleben, Löten oder mechanisch verbunden. Für das Verbinden von hohlförmiger Welle und vorgefertigten Nocken sowie eventuell von Lagerelementen, sind eine Vielzahl von Verfahren vorbeschrieben.
  • Am gebräuchlichsten sind
    • das Aufschrumpfen der Nocken auf die rohrförmige Welle,
    • das Auffädeln der Nocken auf die Welle und das anschließende Aufweiten des Rohres über geeignete Druckmittel, z. B. mittels einer explosionsartigen Hochgeschwindigkeitsumformung (DE-AS 22 32 438),
    • das thermische Aufweiten unter gleichzeitigem Stauchen des Rohres mittels an den Enden angebrachter Spannbacken (DE-OS 34 31 361), oder auch
    • eine Kombination von Aufschrumpfen der Nocken und elastischem Aufweiten der rohrförmigen Welle (DE-AS 26 57 479).
  • Als spezifisches Verfahren zum Aufbringen der Nocken auf der Welle ist u. a. das Auflöten in Verbindung mit dem Rohraufweiten vorbeschrieben (DE-OS 34 31 361). Dabei werden dort zur Erhöhung der Klemmwirkung sowie zur Erzielung einer hochfesten Lötverbindung, die Nocken an ihrer Innenumfangsfläche mit einer Kerbverzahnung versehen.
  • Derartige Techniken erhalten immer größere Bedeutung, weil die Automobilindustrie wegen der verschärften Abgasforderung zunehmend Motorentwicklungen mit vier oder mehr Ventilen pro Zylinder auf den Markt bringt und damit die Zahl der Nocken pro Welle bzw. pro Verbrennungskraftmaschine entsprechend erhöht wird. Gegossene und mittels Drehen und Schleifen fertig bearbeitete Nockenwellen sind gegenüber Nockenwellen mit aufgesteckten Nocken in der Herstellung heute noch wirtschaftlicher. Die neue Technologie der zusammengesetzten Nockenwelle bringt aber wesentliche Vorteile hinsichtlich konstruktiver Weiterentwicklung der nockenwellengesteuerten Brennkraftmaschine sowie hinsichtlich der Werkstoffauswahl und Formgebung für die Nockenwelle.
  • Eine gegossene Nockenwelle besteht aus einem einheitlichen Werkstoff. Die einem besonderen Verschleiß ausgesetzten Nocken werden häufig zusätzlich oberflächenbehandelt bzw. erhalten eine besonders verschleiß- und abriebfeste Oberflächenschutzschicht. Demgegenüber können bei rohrförmigen Wellen mit aufgesetzten Nocken für beide Teile unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt werden (DE-OS 23 36 241).
    In der besagten Offenlegungsschrift wird beispielsweise ausgeführt, für die auf die rohrförmige Welle aufgesetzte Nocken gesinterte, sintergeschmiedete, gegossene, fließgepreßte, gestanzte oder auch gedrehte und gefräste Teile zu verwenden und diese durch Kleben, Schweißen, Hartlöten, Schrumpfen oder Dehnen fest mit der Welle zu verbinden.
  • Ein Nachteil aller vorbeschriebenen Verfahren zum nachträglichen Aufbringen von Nocken auf eine Welle ist die Schwierigkeit, bzw. der große technische Aufwand zur Vorbearbeitung der Nocken und zu deren genauer Positionierung und Fixierung auf der Welle. Die Verfahrensabstimmung des Aufweitens bzw. des Aufschrumpfens im Hinblick auf die für die rohrförmige Welle sowie für die Nocken vorteilhafterweise verwendeten Materialien ist ebenfalls noch nicht technisch ausreichend gelöst. Die Werkstoff-Auswahl erfordert große Kompromisse.
    Schließlich bedeutet ein Aufweiten der rohrförmigen Welle in der Regel ein Fließen des Materials und somit die Ausbildung unterschiedlicher Wandstärken in Teilbereichen der rohrförmigen Welle. Diese Gesichtspunkte sind bei der Dimensionierung der Rohrwandstärke angemessen zu berücksichtigen, d. h. es müssen zur Gewährleistung ausreichender Festigkeitseigenschaften relativ dickwandige Rohre eingesetzt werden. Das aber läuft dem Bemühen nach möglichst leichten Nockenwellen für kraftstoffsparende Brennkraftmaschinen entgegen.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist danach die Bereitstellung eines gegenüber dem Stand der Technik technisch weniger aufwendigen und damit wirtschaftlicheren Verfahrens zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle unter Verwendung einer vorgefertigten rohrförmigen Welle, auf die nachträglich Nocken und eventuell andere Lager- oder Verschleißteile aufgebracht werden. Das erfinderische Verfahren soll insbesondere den Bau sehr leichter Nockenwellen mit möglichst dünnwandigen Wellen ermöglichen. Auswahlkriterien für die Werkstoffe bei Welle und Nocken sollen vornehmlich eine Optimierung der geforderten und in einzelnen Bereichen der Nockenwelle unterschiedliche mechanische Festigkeiten und Verschleißfestigkeiten sein, ohne Kompromisse mit Rücksicht auf die bis heute nur dann gegebene Herstellbarkeit.
  • Diese Aufgabe wird gemäß Erfindung dadurch gelöst, daß das Nockenmaterial als Pulver auf die vorgefertigte, rohrförmige Welle aufgepreßt und aufgesintert wird, daß die Welle und das Nockenmaterial in eine verlorene Preßhülle eingebracht und in dieser Anordnung mittels eines Druckmediums isostatisch gepreßt werden und daß weiterhin das Druckmedium während des Preßvorganges freien Zutritt zum Rohrinneren erhält.
  • Bevorzugte Verfahren gemäß Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
  • Das erfinderische Verfahren wird vornehmlich zur Herstellung metallischer Nockenwellen verwendet, ist aber nicht auf diese Ausführungen beschränkt. Insbesondere für die Ausbildung der Nocken ist die Verwendung von Hartmetallen, von metallkeramischen oder auch rein nichtmetallischen Materialien denkbar.
    Es ist in Anwendung bekannter Techniken ferner denkbar, in die Preßhülle im Bereich der Nocken zunächst ein Material A in Form einer vergleichsweise dünnen Schicht einzubringen und dann den Nockenbereich der Preßhülle mit einem pulverförmigen Material B aufzufüllen. Das Material A kann beispielsweise in einer Mischung mit einem später ausdampfbaren Haftungsmittel in die Preßform eingespritzt oder auch in Form metallischer Tücher, d. h. in Form eines Gemisches aus verschleißfestem Material und elastischem, ausdampfbarem Bindematerial, eingebracht werden.
  • Das Kunststoff-Blasverfahren ist heute ein weitverbreitetes wirtschaftliches Verfahren, nach dem eine Vielzahl von Kunststoffen, insbesondere Polyäthylene, in eine schlauchartige Rohform extrudiert und diese in noch nicht ausgehärtetem Zustand anschließend mittels Preßluft gegen eine Formwerkzeugwand gepreßt und ausgehärtet werden. Bei der Auswahl der für eine Preßhülle geeigneten Kunststoffe ist selbstverständlich auf für den Pulverpreßvorgang ausreichende Elastizität und Festigkeit zu achten, denn derartige in der Pulvermetallurgie verbreitete Preßverfahren erfolgen bei Preßdrucken zwischen 500 und 4000 bar. Das Druckmedium ist vornehmlich Wasser. Das ergibt eine mittlere Preßschrumpfung des in die Hülle eingeschütteten und durch Rütteln leicht vorverdichteten Pulvermaterials von größenordnungsmäßig 15 - 25 %.
  • Bei der dimensionsmäßigen Auslegung der Hüllenform ist der Tatsache ausreichend Rechnung zu tragen, daß die auf die vorgefertigte Welle aufgepreßten Nocken-Grünlinge während der anschließenden Sinterung um weitere 15 - 20 % ihres Volumens schrumpfen. Die Preßhülle ist weiterhin so zu dimensionieren, daß diese außerhalb der Nockenbereiche formschlüssig an der rohrförmigen Welle anliegt und damit eine unerwünschte Exzentrizität der Nockenwelle vermieden wird.
    Um für den Preßvorgang sicherzustellen, daß die Preßhülle dicht auf der äußeren Oberfläche der Welle an deren Enden aufliegt und gleichzeitig gewährleistet ist, daß das Druckmedium während des Preßvorganges ungehinderten Zutritt zum Inneren der rohrförmigen Welle erhält, wird die Preßhülle vorteilhafterweise mittels einer metallischen Manschette mechanisch auf der Wellenoberfläche im Endenbereich aufgeklammert.
  • Der ungehinderte Zugang des Druckmediums zum Rohrinneren während des Preßvorganges ist wünschenswert, einmal, um bei den hohen Druckbeaufschlagungen während des Pressens das vergleichsweise dünnwandige Wellenrohr nicht zu verformen, zum anderen um sicherzustellen, daß das Aufpressen des Nockenmaterials auf die vorgefertigte Welle preßtechnisch ein einseitiges Aufpressen und Verdichten ist. Das erleichtert eine ausreichend gleichförmige Pulververdichtung und die Einhaltung der gewünschten Grünlingsabmessungen.
  • Die Endenbereiche der vorgefertigten rohrförmigen Welle, d. h. die Abschnitte zwischen Wellenende und erster Nocke, müssen ausreichend lang sein, um einen pulverdichten Abschluß zwischen Preßhülle und Wellenoberfläche zu ermöglichen. Es kann daher erforderlich sein, die zunächst überdimensionierte rohrförmige Welle nach dem Preßvorgang abzulängen.
    Alternativ oder auch ergänzend können auf der Nockenwelle im Anschluß an den erfinderischen Preßvorgang separat zu Grünlingen verpreßte Wellenenden beliebiger Ausgestaltung auf die Welle auf- oder in diese eingeschoben und in einem gemeinsamen Sinterprozeß mit den Nocken auf die Welle aufgesintert und über Diffusionsverbinden materialschlüssig mit der Welle verbunden werden.
  • Nach einer besonderen Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens wird eine vorgefertigte rohrförmige Welle aus einem vergleichsweise duktilen und fließfähigen Material, z. B. Kupfer, verwendet und die Form der verlorenen Preßhülle so dimensioniert, daß pulverförmiges Nockenmaterial auch im Bereich zwischen einzelnen Nocken als Schicht auf die Welle aufgepreßt und anschließend aufgesintert wird.
    Bei dem so entstehenden "doppelwandigen Rohr" wird in der Regel die Biegefestigkeit der Nockenwelle durch die äußere Wandung bestimmt. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall die Welle während des isostatischen Pressens gegen Verzug geschützt, indem während dieses Verfahrensschrittes zumindest abschnittsweise perforiertes Stahlrohr paßgenau in die vorgefertigte rohrförmige Welle eingeführt wird. Die Perforation erlaubt den Durchtritt des Preßmediums zur inneren Rohroberfläche der vorgefertigten Welle.
  • Über das erfinderische Verfahren läßt sich eine "near net shape" Formgebung erzielen, d. h. die so vorgefertigte Nockenwelle muß nach dem Sintern nur noch in einem abschließenden Schleifprozeß auf die geforderte Oberflächengüte und auf die Endabmessungen innerhalb der erlaubten Dimensionstoleranzen gebracht werden.
  • Entsprechend dem verwendeten Begriff "verlorene Preßhülle" wird die Kunststoff-Preßhülle nach dem Preßvorgang vom Preßling abgelöst bzw. abgebrannt und ist nicht wiederverwertbar. Der anschließende Sintervorgang erfolgt nach bekannten Verfahren. Um Sinterverzug zu vermeiden und dennoch wirtschaftlich zu arbeiten, werden die Nockenwellen vorteilhafterweise senkrecht hängend gesintert. In Ausnahmefällen ist nach dem Sintern eine Werkstoff-Nachbehandlung zur Wiederherstellung der durch das Sintern verlorengegangenen mechanischen Wellenmaterial-Eigenschaften erforderlich.
  • Die rohrförmige vorgefertigte Welle wird vornehmlich zylinderförmig sein. Sie kann aber auch im Querschnitt die Form eines polygonalen Vieleckes aufweisen.
  • Die vorgefertigte Welle wird vor dem Aufpressen des Pulvermaterials vorteilhafterweise entsprechend dem bekannten Stand der Technik vorbehandelt, um das Aufsintern des aufgepreßten Nockenmaterials unter Diffusionsbindung mit dem Wellenmaterial zu erleichtern. Solche Maßnahmen sind beispielsweise das Sandstrahlen oder das Phosphatisieren der Oberfläche.
  • Zur Verminderung mechanischer Spannungen zwischen den unterschiedlichen Materialien für Nocken und rohrförmige Welle kann die Ausgestaltung einer Zwischenschicht aus einem dritten Werkstoff vorteilhaft sein. Mechanische Spannungen können zu Rissen, ungünstigstenfalls zum Ablösen der Nocken von der Welle führen. Das Zwischenschichtmaterial sollte bezüglich Schrumpfverhalten und thermischer Ausdehnungskoeffizient in seinen Eigenschaften zwischen denen des Nocken- und des Wellenmaterials liegen oder aber selbst hohe Duktilität und Fließfähigkeit besitzen. Derartige Zwischenschichten lassen sich beispielsweise vor dem Einführen in die Preßhülle auf Teilbereiche der vorgefertigten Welle aufspritzen, auftragen oder als geformtes Blech paßgenau aufschieben.
  • Der wesentliche Vorteil des vorliegenden erfinderischen Verfahrens gegenüber dem bekannten Stand der Technik zur Herstellung rohrförmiger Nockenwellen unter Verwendung eines vorgefertigten Wellenrohres liegt in der wirtschaftlicheren Fertigung bei im Unterschied zum Stand der Technik praktisch nicht eingeschränkter Materialauswahl. Der wirtschaftliche Vorteil des erfinderischen Verfahrens rührt einmal daher, daß sich verlorene Preßhüllen kostengünstig nach dem Kunststoff-Blasformverfahren und doch mit großer maßlicher Reproduzierbarkeit und Qualitätskonstanz herstellen lassen. Zum anderen lassen sich nach diesem Verfahren "near net shape"-Nocken auf die rohrförmige Welle aufsintern, welche abschließend allein mittels eines vergleichsweise kostengünstigen Schleifvorganges in den einsatzfertigen Zustand gebracht werden. Die Herstellung von Nockenwellen gemäß Erfindung und Weiterverarbeitung bis zum einsatzfähigen Produkt ist wirtschaftlicher als die Herstellung durch Gießen und spanabhebende sowie Schleifbearbeitung.
  • Die materialtechnischen und konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten von Nockenwellen werden bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vielfältiger als bei Herstellung nach bekannten Verfahren.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Zur Herstellung der Nocken einer Nockenwelle wurde ein Legierungspulver, bestehend aus 5 Gew.% Chrom, 1 Gew.% Silizium, 0,5 Gew.% Mangan, 0,5 Gew.% Phosphor, 0,15 Gew.% Kohlenstoff, Rest Eisen, mit 2,4 % Graphit innig vermischt und in eine vorbereitete verlorene Preßhülle in Nockenwellenform eingefüllt. Anschließend wurde die mit einer aufgesetzten Kappe vorübergehend verschlossene, vorgefertigte, rohrförmige Welle von unten in die mit Pulver gefüllte Preßhülle eingeführt und unter Vibration nach oben bewegt. Die überfüllte Pulvermenge wurde nach oben herausgedrückt. Das Pulver in der Preßhülle erhielt so Klopfdichte. Dann wurde die Preßhülle an beiden Enden verschlossen - mittels mechanisch verriegelbaren Manschetten auf die Enden der rohrförmigen Welle aufgeklemmt, dabei die Rohrenden offenlassend - und bei einem Druck von 2500 bar in einer kaltisostatischen Presse mittels Wasser als Druckmedium isostatisch verpreßt.
  • Nach dem Pressen wurde die Form im Schutzgasstrom in der Vorwärmzone eines Sinterofens abgebrannt, wobei die verlorene Preßhülle aus Polyäthylen sich nahezu rückstandsfrei zersetzte und verbrannte. Anschließend wurde die von der Preßhülle befreite Nockenwelle an beiden Enden jeweils mit einem vorgepreßten Verschlußstopfen-Grünling versehen und mittels geeigneter Halterungen hängend in den Sinterofen eingebracht. Die Sinterung unter Schutzgas erfolgte bei einer Temperatur von 1080°C während 60 Minuten. Dabei ging das aufgepreßte Legierungspulver mit dem Rohrwerkstoff eine metallische Verbindung ein. Die Härte der Nocken im gesinterten Zustand betrug 52 - 54 HRC.
  • Dank bekannter Techniken zur Fertigung der Nockenwelle durch Sintern auf nur geringes Übermaß (near net shape), konnte die Nockenwelle allein durch Schleifen wirtschaftlich fertigbearbeitet werden.
    • Beispiel 2
  • Eine vorgefertigte rohrförmige Welle aus Kupfer bzw. einer niedriglegierten, vergleichsweise duktilen und fließfähigen Kupferlegierung wird zur Herstellung der Nockenwelle für den isostatischen Preßvorgang auf ein perforiertes Stahlrohr hoher Festigkeit paßgenau aufgeschoben. In die verlorene Preßhülle wird Pulver einer verschleißfesten Stahllegierung als Nockenmaterial eingeführt. Dann wird der Verbund, perforiertes Stahlrohr und Kupferwelle, in eine der beiden Öffnungen der Preßhülle eingeführt und unter Rütteln und Pulververdichten durch diese durchgestoßen.
    Die innere Abmessung der Preßhülle ist so beschaffen, daß sie nach dem Einführen der rohrförmigen Welle an beiden Enden auf dieser Welle paßdicht aufsitzt, in den übrigen Bereichen außerhalb der Nocken aber ein mit Pulver gefüllter Zwischenraum zwischen rohrförmiger Welle und Preßhüllenwand bestehen bleibt. Alternativ sitzt die Preßhülle auf den aus dem Kupferrohr herausragenden Enden des dort nicht perforierten Stahlrohres über eine hinreichende Länge paßdicht auf.
  • Die Enden der Preßhülle werden mittels Manschetten auf die Rohroberfläche aufgeklammert und so in eine isostatische Presse eingeführt, daß das Preßmedium auch in das Rohrende eindringen und dort durch die perforierte Stahlwelle hindurch auf die rohrförmige Welle aus Kupfer wirken kann. Dadurch wird das Pulvermaterial sowohl durch die Preßhülle als auch über eine leichte Aufweitung des Kupferrohres verpreßt.
  • Nach dem isostatischen Pressen wird das perforierte Stahlrohr wieder aus dem Kupferrohr herausgezogen. Dies geschieht in der Regel wegen der leichten Aufweitung des Kupferrohres beim isostatischen Preßvorgang mühelos.
  • Die von der Preßhülle befreite Nockenwelle wird entsprechend der Bedingungen von Beispiel 1, jedoch bei um ca. 100°C tieferen Temperaturen gesintert.
    Die gesinterten Nockenwellen werden anschließend durch mechanisches Schleifen fertigbearbeitet.
  • Mittels dieser Ausführung des Verfahrens lassen sich besonders gute und elastische Verbindungen zwischen der vorgefertigten rohrförmigen Welle und dem aufgesinterten Material erzielen. Materialuntersuchungen haben ergeben, daß schon während des Preßvorganges fließfähiges Kupfer in einer Übergangszone in die Poren zwischen den Pulverkörnern eindringt und diese Materialvernetzung über Interdiffusion während des anschließenden Sintervorganges noch verstärkt wird. Dadurch lassen sich besonders feste und zugleich elastische Verbindungen zwischen der vorgefertigten rohrförmigen Welle und dem Nockenmaterial erzielen. Derart gefertigte Nockenwellen zeigten keine Neigung zur Rißbildung.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, bei dem auf einer vorgefertigten rohrförmigen Welle einzelne Nocken aus einem Nockenmaterial aufgebracht werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
- das Nockenmaterial als Pulver auf die Welle aufgepreßt und aufgesintert wird
- die Welle und das Nockenmaterial in eine verlorene Preßhülle eingebracht und in dieser Anordnung mittels eines Druckmediums isostatisch gepreßt werden
- das Druckmedium während des Preßvorganges freien Zutritt zum Rohrinneren erhält.
2. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine nach dem Kunststoff-Blasformverfahren gegen eine Nockenwellen-Formwerkzeugwand geblasene Kunststoffhülle als Preßhülle verwendet wird.
3. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Nockenmaterial unter einseitiger Druckbeaufschlagung auf die rohrförmige Welle aufgepreßt wird.
4. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Nockenmaterial in das Innere der Preßhülle eingefüllt und anschließend das hierzu an den Enden verschlossene Rohr in die Preßhülle eingeführt wird.
5. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche metallische Werkstoffe für die rohrförmige Welle und zur Ausgestaltung der Nocken verwendet werden.
6. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Nockenmaterial ein keramischer oder metallkeramischer Werkstoff auf eine metallische rohrförmige Welle aufgebracht wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Nockenbereich der Preßhülle verschiedene Nockenmaterialien schichtweise übereinander eingebracht werden.
8. Verfahren zur Herstellung einer rohrförmigen Nockenwelle nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Nocken in einem einzigen Arbeitsgang auf die vorgefertigte rohrförmige Welle aufgepreßt werden.
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