EP1133374A1

EP1133374A1 - Verfahren zur herstellung eines gesinterten bauteils mit nachverformung des grünlings

Info

Publication number: EP1133374A1
Application number: EP99955898A
Authority: EP
Inventors: Eberhard Ernst; Bernhard Brust; Berthold Morber; Wolfgang Schiemenz
Original assignee: GKN Sinter Metals GmbH
Current assignee: GKN Sinter Metals GmbH
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2001-09-19
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: CA2348429A1; CA2348429C; ATE264153T1; DE19850326A1; JP2002528644A; US20020090314A1; AU1266800A; US6730263B2; DE59909201D1; WO2000025960A1; ES2221459T3; EP1133374B1

Description

Bezeichnung Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Bauteils mit Nachverformung des Grünlings

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Bauteils aus pulverförmigem Material, insbesondere aus sintermetallurgischem Pulver.

Die Herstellung von gesinterten Bauteilen durch Pressen eines metallurgischen Pulvers und anschließendem Sintern ist grundsätzlich bekannt. Beim Pressen des Pulvers zu einem sogenannten Grünling kommt es zum einen darauf an, eine möglichst gleichmäßige Verdichtung des Pulvers zu erzielen, und zum anderen die Geometrie des Bauteils so zu gestalten, daß die Formgebung mit möglichst einfachen Preßwerkzeugen durchgeführt werden kann, wobei darüber hinaus auch die Anforderung besteht, daß der gepreßte Grünling aus der Preßform auch aus- formbar ist. Vielfach lassen sich jedoch die funktionellen

Anforderungen an die Geometrie des fertigen Bauteils nicht durch einen Preßvorgang verwirklichen, wenn beispielsweise Hinterschneidungen, quer zur Preßrichtung verlaufende Nuten oder Außenkonturen vorhanden sind, die eine gleichmäßige Ver- dichtung nicht zulassen. Zum Teil lassen sich die Probleme dadurch lösen, daß das fertige Bauteil aus zwei oder mehreren für sich gepreßten und gesinterten Teilelementen zusammengefügt wird oder aber durch Pressen und Sintern ein Rohbauteil erzeugt wird, das anschließend in einem spanerzeugenden For - gebungsverfahren noch fertig bearbeitet werden muß. Ein Aufbau eines Bauteils aus mehreren Teilelementen läßt sich nicht immer verwirklichen. Eine spangebende Bearbeitung eines fertig gesinterten Bauteils ist insbesondere bei einer Serienfertigung kostenintensiv.

Aus DE-A-196 36 524 ist ein Verfahren zur Herstellung von Prototypen bekannt, bei dem in einem wenigstens einstufigen Grundformungsprozeß aus Bindemittel enthaltendem Metallpulver ein Grünling als Bauteilgrundform unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung geformt wird. In wenigstens einem weiteren, materialabtragenden Formungsprozeß wird dem Grünling dann die gewünschte Bauteilendform gegeben, der anschließend gesintert wird. Die Bearbeitung eines Grünlings durch materialabtragende Formgebung zur Erzeugung der zu sinternden Endform ist für eine Serienfertigung wegen der hohen Stückkosten nicht anwendbar.

Um für die Herstellung eines gesinterten Bauteils einen Formgebungsprozeß bereits preßtechnisch mit dem Grundformungsprozeß zu verbinden, wird in der EP 826 449 ein Verfahren beschrieben, bei dem mit mehreren gesonderten, nacheinander geführten Preßstempeln in einem Preßwerkzeug ein Grünling in seiner Endform aus pulverförmigem Material geformt wird, wobei bereits beim Pressen gestufte Querschnittkonturen mit unterschiedlichen Materialstärken, wie beispielsweise Radnaben und Radkränze, angeformt werden können. Voraussetzung ist, daß das Bauteil in seiner Geometrie keine Hinterschneidungen aufweist, so daß es nach dem Pressen wieder aus dem Preßwerkzeug entnehmbar ist.

Grundsätzlich läßt sich dieses Verfahren jedoch für jede Geometrie ohne Hinterschneidungen einsetzen, wenn das Preßwerk- zeug an die Konturen entsprechend angepaßt ist. Allerdings hat es sich gezeigt, daß nur bei Körpern mit Flächen, die im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Preßwerkzeuge ausgerichtet sind, eine gleichmäßige Verdichtung erreicht werden kann. Sobald das herzustellende Bauteil von dieser Grundbedingung abweichende Geometrien aufweist, stößt das beschriebene Verfahren an seine technischen Grenzen.

Insbesondere an den Kanten oder Vorsprüngen des zu erzeugenden Bauteils können aufgrund der geringen Fließfähigkeit des Pulvers, Gebiete mit geringerer Materialdichte entstehen, die beim nachfolgenden Sintern zu Materialfehlern, wie Rissen oder Brüchen, führen können. In gleicher Weise kann es zu Überbeanspruchungen und damit zu Brüchen an derart exponierten Stellen des Preßwerkzeugs kommen.

Bei Bauteilen, deren Konturen oder Geometrien derartige Teil- bereiche aufweisen, die nicht mit einem axial geführten Preßwerkzeug herstellbar sind, ist entweder ein kompliziertes, geteiltes Preßwerkzeug, beispielsweise auch mit sogenannten. Seitenschiebern erforderlich, oder es ist nach dem Grundformungsprozeß eine gesonderte Bearbeitung notwendig. Bei der materialabtragenden Bearbeitung werden die entsprechenden

Geometrien oder Hinterschneidungen am Bauteil zur Erreichung der gewünschten Bauteilendform spanend erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen das die vorbeschriebenen Nachteile vermeidet.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Bauteils aus pulverförmigem Material, insbesondere aus einem sintermetallurgischen Pulver, bei dem zu- nächst ein Grünling formgepreßt wird, der eine Bauteilgrundform bildet, und bei dem durch wenigstens eine nachfolgende spanlose Umformung von Teilbereichen an der Bauteilgrundform die gewünschte Bauteilendform erzeugt wird, die anschließend fertig gesintert wird. Dieses Verfahren bietet für eine Viel- zahl von Geometrien den Vorteil, daß der Grünling für die

Bauteilgrundform in einem entsprechend vereinfachten, auf eine gleichmäßige Verdichtung ausgelegten Preßwerkzeug hergestellt werden kann. Es ist zweckmäßig, wenn die Bauteilgrundform in ihrer Geometrie der Geometrie der Bauteilendform mög- liehst nahe kommt. Die besondere Bauteilendform wird anschließend durch wenigstens ein weiteres gesondertes Umformen der betreffenden Teilbereiche des Grünlings mit Hilfe eines weiteren umformenden Werkzeugs bewirkt.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die umzuformenden Teilbereiche in gesonderten Um- formwerkzeugen mit Druck beaufschlagt werden. Hierbei lassen sich im ersten Preßschritt geringer verdichtete Bereiche noch nachverdichten. Hierbei können - ohne Material abzutragen - besondere, im ersten Preßschritt nicht oder nur schwer formbare Geometrien in den Teilbereichen der Bauteilgrundform umgeformt werden. Die Umformwerkzeuge sind mit Druck- und Ge- gendruckmitteln ausgestattet. Bei diesen Verfahrensweisen kann ein isostatischer Druckanteil so auf die umzuformenden Teilbereiche übertragen werden, daß auch bei sehr sprödem Material eine Verformbarkeit noch möglich ist. Durch das Umformen der betreffenden Teilbereiche des Grünlings wird die Bau- teilendform hergestellt, die anschließend gesintert werden kann.

Bei entsprechender Geometrie des Bauteils ist es sogar möglich, in den Teilbereichen durch die anschließende Umformung die Materialdichte noch zu erhöhen und somit eine zusätzliche Festigkeit in diesen Teilbereichen am fertig gesinterten Bauteil zu erzielen.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Umformen durch Pressen und/oder Rollieren erfolgen. Das Umformen kann insbesondere stufenweise vorgenommen werden, wobei einzelne Konturen, wie Hinterschneidungen an der Bauteilendform, jeweils wenigstens durch eine U formstufe erzeugt werden.

Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, daß die Umformtiefe stufenweise erhöht wird. Dabei wird erreicht, daß ohne Zerstörungen des Materialgefüges größere Umformarbeit geleistet werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß der Grünling vor wenigstens einem Umformen zur Erhöhung der Grünfestigkeit vorgesintert wird. Dieses als Vorsintern bezeichnete Fügen des pulverförmigen und ge- preßten Pulvermaterials wird vorzugsweise bei einer niedrigeren Temperatur vorgenommen als das zur Bauteilendform führende Hochsintern. Das Vorsintern wird dabei in der Weise vorgenommen, daß eine weitere Umformarbeit am Bauteil noch möglich ist. Durch das Vorsintern wird erreicht, daß das innere Gefüge des Formlings in den bereits endgültig geformten Bereichen beim Umformen von Teilbereichen weitgehend erhalten bleibt und ein höherer Druck auf diese Teilbereiche für das Umformen aufgebracht werden kann.

Erfindungsgemäß kann das Bauteil als Grünling vor einem Sintern und/oder als verfestigtes Teil nach einem Sintern kalibriert werden. Es ist insbesondere auch vorgesehen, wenig- stens einen Teil der Umformarbeit durch das Kalibrieren zu leisten. Durch dieses Kalibrieren kann die Oberfläche, aber auch das Gefüge des Bauteils, qualitativ verbessert werden. Es ist insbesondere möglich, Grate und/oder spitze oder scharfe Kanten zu beseitigen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 als Fertigbauteil ein Ritzel mit bogen- för igen Zähnen,

Fig. 2 das Füllen der Preßform zur Herstellung des Ritzels gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Stirnansicht eines Formstempels zur Herstellung des Bauteils gemäß Fig. 1,

Fig. 4 den ersten Preßschritt,

Fig. 5 die Form des im Preßschritt gemäß Fig. 4 geformten Grünlings,

Fig. 6 den Grünling gemäß Fig. 5 im Preß- Werkzeug durch Durchführung der Umformung, Fig. 7 das Preßwerkzeug gemäß Fig. 6 in Umformposition,

Fig. 8 perspektivisch einen Zahnring,

Fig. 9 eine Ausschnittvergrößerung für einen Zahn des Zahnrings gemäß Fig. 8,

Fig. 10 eine Aufsicht auf den Ausschnitt gemäß Fig. 9,

Fig. 11 einen Grünling für einen Zahnring mit hinterschnittener Innenver- zahnung nach dem ersten Preßschritt,

Fig. 12 eine Abwicklung der Innenverzahnung am Grünling gemäß Fig. 1,

Fig. 13 die Innenverzahnung in der Ansicht gemäß Fig. 12 nach der Umformung,

Fig. 14 den Umformungspreßvorgang zu Fig. 13.

In Fig. 1 ist im Längsschnitt Ritzel 1 dargestellt, das einen zylindrischen Grundkörper 2 aufweist, der an einem Ende mit einer Außenverzahnung 3 versehen ist. Wie Fig. 1 erkennen läßt, sind die Zähne 4 der Außenverzahnung 3 als sogenannte Bogenverzahnung ausgebildet. Das Bauteil ist im Sinterverfah- ren aus einem sintermetallurgischen Pulver hergestellt. Fig.

1 zeigt das Bauteil im gesinterten Endzustand.

In den Fig. 3, 4, 6 und 7 ist das Verfahren zur Herstellung des Bauteils gemäß Fig. 1 anhand des Arbeitsablaufes im Preß- Werkzeug näher dargestellt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, besteht das Preßwerkzeug im wesentlichen aus einer die Außenkontur im wesentlichen umfas- senden Matrize 5, einem Unterstempel 6 und einem oberen Formstempel 7. Der Unterstempel 6 wird zum Füllen zunächst um ein vorgegebenes Maß abgesenkt und der so gebildete Formraum mit sintermetallurgischem Pulver 8 gefüllt. Anschließend wird der Formstempel 7 abgesenkt, dessen Außenkontur 9 im wesentlichen der Innenkontur 10 des oberen Bereichs der Matrize 5 entspricht. Fig. 3 zeigt eine Stirnansicht des Formstempels 7»

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wird im nächsten Arbeitsschritt der Formstempel 7 in die Matrize 5 eingeführt und gleichzeitig der Unterstempel 6 nach oben bewegt, so daß Formstempel und Unterstempel gegeneinander geführt werden und hierbei die nur geschüttete Pulverfüllung zu einem festen Grünling 1.1 verdichten. Der zylindrische Grundkörper 2 erhält hierbei be- reits seine Endform, während die Zähne 4 der Außenverzahnung 3 in ihrem unteren Bereich 4.1 aufgrund der entsprechenden Formgebung der Matrize 5 bereits den Bogenzahnverlauf aufweisen, während der obere Bereich 4.2 die Kontur einer normalen Geradverzahnung aufweist.

Die so hergestellte Zwischenform des Grünlings ist aus Fig. 5 ersichtlich. Hier ist auch zu erkennen, daß nach dem Anheben des Formstempels 7 der Grünling 1.1 durch den Unterstempel 6 aus der Matrize 5 ausgestoßen werden kann, da keine Hinter- schneidung vorhanden ist.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, wird der Grünling 1.1 in einem zweiten Arbeitsschritt in eine Matrize 5.1 eingesetzt, die einen Unterstempel 6.1 aufweist, und deren Formraum im we- sentlichen durch einen Zahnformraum 11.1 gebildet wird, der in seiner Geometrie dem Bereich 4.1 am Grünling (Fig. 2) entspricht.

Ein oberes matrizenförmiges Preßwerkzeug 5.2 ist mit einem Zahnformraum 11.2 versehen, der identisch zum Bereich 4.1 am Grünling (Fig. 5) ausgebildet ist und der dazu dient, den noch als Geradverzahnung ausgebildeten Bereich 4.2 am Grünling so umzuformen, daß dieser Zahnbereich die in Fig. 1 wie- dergegebene Endkontur erhält. Dem oberen matrizenförmigen - Werkzeug 5.2 ist ein Innenstempel 12 zugeordnet, so daß der Unterstempel 6.1 und der Innenstempel 12 beim Zusammenfahren der gesamten Werkzeuganordnung so geführt werden können, daß außer der Umformung der Außenverzahnung keine Relativverschiebungen des Grünlings zwischen den beiden Werkzeugen 5.1 und 5.2 erfolgen. Diese Preßsituation ist in Fig. 7 dargestellt.

Vergleicht man die Geometrie des Formstempels 7, wie er sich aus Fig. 2 und 3 ergibt, so ist ohne weiteres zu erkennen, daß die Zahnbereiche 4.2 in der vorgegebenen Weise gar nicht mit einem einfachen Formstempel zu formen sind, da dieser in zungenartige Spitzen auslaufen würde, so daß weder die erfor- derlichen Preßdrücke noch die erforderliche Stabilität des

Werkzeugs gegeben ist. Überraschend hat sich nun gezeigt, daß durch dieses mehrstufige Preßverfahren die an sich komplizierte Zahngeometrie, wie sie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, mit hoher Präzision und gleichmäßiger Verdichtung des Pulvers durchführen läßt, wenn durch ein matrizenähnliches Formwerkzeug der Grünling partiell umgeformt wird, daß die nur vorgeformte Verzahnung in diesem Bereich 4.2 umgreift und das Aufbringen von hohen Preßkräften und gegebenenfalls auch noch eine Nachverdichtung des Grünlings im Bereich der Außenver- zahnung ermöglicht.

Überraschend hat sich gezeigt, daß ein derartiges Umformen von Teilbereichen eines an sich fertig gepreßten Grünlings möglich ist und in bezug auf Materialdichte und Formgenauig- keit zu sehr guten Ergebnissen führt.

Nachstehend sind weitere Beispiele von Bauteilen dargestellt, die mit Vorteil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können. Fig. 8 zeigt hierbei perspektivisch ei- nen Ring 13 mit einer Außenverzahnung 14, wie er beispielsweise als Kupplungskörper in einem Schaltgetriebe Einsatz findet. Wie schon Fig. 8, mehr noch aber die vergrößerte, perspektivische Ansicht in Fig. 9 und die Aufsicht in Fig. 10, erkennen lassen, sind die einzelnen Zähne 15 der Außen--- verzahnung 14 nicht als übliche gerade Zähne ausgebildet, sondern weisen eine komplizierte geometrische Form auf. Die Zahnflanken 15.1 sind als Evolventenflächen geformt, stehen jedoch - wie Fig. 10 zeigt - unter einem Winkel zueinander. Die Stirnfläche 16 ist hierbei geradflächig, während die Stirnfläche 17 durch zwei geneigt zueinander verlaufende jedoch ebenflächige Flächenbereiche 17.1 gebildet wird.

Da die Ebene des zur Herstellung dieses Bauteils notwendigen Preßwerkzeugs senkrecht zur Achse A des Bauteils ausgerichtet ist, d. h. die erforderlichen Preßstempel werden in Richtung der Achse A geführt, ist insbesondere Fig. 10 zu erkennen, daß eine derartige Verzahnung aufgrund der gegebenen Hinter- schneidung nicht mit einem einfachen Formpreßstempel geformt werden kann. Auch bei der Herstellung dieses Bauteils kann so verfahren werden, daß in einem ersten Formschritt der Ringkörper und die Außenverzahnung mit den Stirnflächen 17.1 geformt wird, so daß die anschließenden Seitenflächen 15.1 noch als "Geradverzahnung" ausgebildet sind. Im zweiten Umformungsschritt wird dann wieder mit einem matrizenförmigen Werkzeug an dem bereits gepreßten Grünling die endgültige Formung der Zahnflanken 15.1 bewirkt, wobei nicht nur die gegenseitige Neigung in axialer Richtung, sondern auch die Evolventenflächen angeformt werden.

In Fig. 11 ist als weiteres Gestaltungsbeispiel ein Grünling 18 für einen Ring mit einer Innenverzahnung dargestellt. Der in Fig. 11 dargestellte Grünling wird analog zu dem anhand der Fig. 2 und 4 beschriebenen Verfahren als Bauteilgrundform hergestellt. In der Schnittdarstellung gemäß Fig. 11 ist auf einem Ringkörper 18.1 nur ein Zahn 19 der Innenverzahnung in einer Seitenansicht und in Fig. 12 sind mehrere Zähne 19 in einer Abwicklung der Innenverzahnung in einer Aufsicht darge- stellt. Ein derart konturierter Grünling läßt sich in einem ersten Preßschritt analog zur Darstellung gemäß Fig. 2 und 4 als Bauteilgrundform herstellen einschließlich der besonderen Konturierung der Zähne 19. Der hier darstellte beispielsweise Anwendungsfall benötigt jedoch eine Zahnform mit Hinterschneidungen, wie sie in Fig. 13 dargestellt ist. Diese Zahnform läßt sich durch einen rei- nen Preßvorgang wegen der beidseitigen Hinterschneidungen 20 auf der Zahnflanke nicht mehr erzeugen. Dies ist jedoch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch einen Umformvorgang möglich, der - wie in Fig. 14 angedeutet - durch ein Walzen oder Rollieren möglich ist. Hierzu wird der Grünling 18 auf einem rotierbaren Gegenelement 21 gehalten, beispielsweise auf einer Walze oder in einem Stützring. Die Hinterschneidungen 20 werden dann mit einem entsprechend geformten Rollwerkzeug 22 als Druckelement, das bei der Drehung des Gegenelements 21 auf der Innenfläche der Verzahnung abrollt, durch Umformen hergestellt. Aus darstellungstechnischen Gründen sind die Hinterschneidungen 20 in Fig. 13 vergröbert dargestellt. In der praktischen Anwendung handelt es sich hierbei um nur geringfügige Vertiefungen gegenüber den angrenzenden Bereichen der Zahnflanken.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch andere Hinterschneidungen und Gestaltungen durch Umformung bilden, die im "klassischen" Preßvorgang nicht herstellbar sind. Es sind dies praktisch alle Formungen, zu denen Preßkräfte er- forderlich sind, die im wesentlichen quer zu der Preßrichtung verlaufen, die zur Herstellung der Bauteilgrundform, beispielsweise gemäß Fig. 3 und 4, notwendig sind.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Bauteils aus pulverförmigem Material, insbesondere aus einem sintermetal- lurgischen Pulver, bei dem aus dem Pulver zunächst ein Grünling formgepreßt wird, der eine Bauteilgrundform bildet, und bei dem durch wenigstens eine nachfolgende spanlose Umformung von Teilbereichen der Bauteilgrundform am Grünling die ge-^* wünschte Bauteilendform erzeugt wird, die anschließend fertig gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Formpressen des Grünlings das Umformen mit einem Um- formwerkzeug erfolgt.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Umformen der Teilbereiche durch Pressen und/oder Rollieren erfolgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformen stufenweise erfolgt, wobei einzelne Konturen, insbesondere Hinterschneidungen an der Bauteilendform jeweils wenigstens durch eine Umformungsstufe erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der Grünling vor wenigstens einem Umformen zur Erhöhung der Grünfestigkeit vorgesintert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil als Grünling vor einem Sintern und/oder als verfestigtes Teil nach einem Sintern kalibriert wird.