EP1133374B1 - Verfahren zur herstellung eines gesinterten bauteils mit nachverformung des grünlings - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Bauteils aus pulverförmigem Material, insbesondere aus sintermetallurgischem Pulver, wobei das Bauteil eine Außen- und/oder Innenverzahnung aufweist.

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 ausformbar 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 Verdichtung 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 Formgebungsverfahren 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 mit Hilfe eines Preßwerkzeugs in einem wenigstens einstufigen Grundformungsprozeß aus Bindemittel enthaltendem Metallpulver ein Grünling als Bauteilgrundform unter Druck- und/oder Wärmeeinwirkung geformt wird, die nur angenähert der Bauteilendform entspricht. In wenigstens einem weiteren, materialabtragenden oder materialumformenden Formungsprozeß wird dem Grünling dann eine erste Bauteilform gegeben und anschließend gesintert. Der so erstellte Prototyp wird untersucht, und zwar in bezug auf notwendige Formänderungen zur Berücksichtigung von Einflüssen des Sintervorgangs in bezug auf seine Eignung für die vorgesehene mechanische Verwendung. Hierbei ist insbesondere die Reduzierung der Materialmenge, d. h. eine Verschlankung der Form von Interesse. Da in der Regel der so erstellte erste Prototyp nicht allen Anforderungen genügt, wird in einem weiteren Schritt wiederum aus dem vorhandenen Preßwerkzeug ein Grünling erstellt, der entsprechend den aus der Untersuchung gewonnenen Erkenntnis überarbeitet, fertiggesintert und erneut untersucht wird. Damit ist es möglich, mit nur einer Preßform schrittweise die notwendige Bauteilendform zu erarbeiten und nach dem so gewonnenen Endmuster dann die für eine Serienfertigung erforderlichen Preßwerkzeuge herzustellen.

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 Preßwerkzeug 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 Teilbereiche 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.

Aus der GB-A-2 051 639 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gewindespindeln bekannt, bei dem zunächst aus einem Sintermetallpulver ein Grünling in Form eines Zylinderkörper gepreßt und anschließend gesintert wird. Danach wird durch Umformen der Zylinderaußenfläche des gesinterten Zylinderkörpers mit Hilfe einer Formrolle das Gewinde aufgebracht, wobei im Bereich der Gewindegänge die Oberfläche erheblich verdichtet wird. Anschließend kann der so gewonnene Gewindestab oder Bolzen nachgesintert werden.

Aus CH-A-335 196 ist ein Verfahren zur Herstellung von Geschoßringen aus Eisenpulver bekannt, bei dem der Ring vorgepreßt und vorgesintert wird und nachträglich zur Einstellung einer definierten Dichte nachgepreßt und wiederum nachgesintert wird. Da Geschoßringe als zylindrisch glatte Ringe aus gebildet sind, bewirkt das Nachpressen lediglich eine Kalibrierung, um eine zu hohe Gefügeverdichtung möglichst zu vermeiden.

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

Die Aufgabe wird gelöst durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem sintermetallurgischen Pulver. Dieses Verfahren bietet für eine Vielzahl 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 möglichst nahe kommt. Die besondere Bauteilendform wird anschließend durch wenigstens ein weiteres gesondertes Umformen der betreffenden Teilbereiche des Grünlings mit Hilfe eines weiteren umformenden Werkzeugs erzeugt.

Dadurch, daß die umzuformenden Teilbereiche in gesonderten Umformwerkzeugen mit Druck beaufschlagt werden, 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 um geformt werden. Die Umformwerkzeuge sind mit Druck- und Gegendruckmitteln 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 Bauteilendform 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 Umformstufe 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 gepreßten 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, wenigstens 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 bogenförmigen 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 Preßwerkzeug 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 Innenverzahnung 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 Sinterverfahren 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 Preßwerkzeug näher dargestellt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, besteht das Preßwerkzeug im wesentlichen aus einer die Außenkontur im wesentlichen umfassenden 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 bereits 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 Hinterschneidung 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 wesentlichen 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 wiedergegebene 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 erforderlichen 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 Außenverzahnung 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 Formgenauigkeit 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 einen 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 Außenverzahnung 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 Hinterschneidung 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 dargestellt. 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 reinen 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 erforderlich sind, die im wesentlichen quer zu der Preßrichtung verlaufen, die zur Herstellung der Bauteilgrundform, beispielsweise gemäß Fig. 3 und 4, notwendig sind.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Zahnrades oder Zahnringes durch Formung eines Grünlings aus einem sintermetallurgischen Pulver, der anschließend gesintert wird, wobei in einem ersten Schritt durch Formpressen aus dem sintermetallurgischen Pulver mittels axial geführter Preßwerkzeuge der Grünling geformt wird mit einer Bauteilgrundform, deren Geometrie im wesentlichen der Bauteilendform entspricht, bis auf Teilbereiche der Zähne, die in den Preßwerkzeugen des ersten Schritts nicht oder nur schwer formbare Geometrien aufweisen, und in wenigstens einem weiteren Schritt mittels gesonderter Umformwerkzeuge durch spanlose Umformung am Grünling die im ersten Preßwerkzeug in ihrer Geometrie nicht endgültig geformten Teilbereiche der Zähne unter Druck in ihre Endform umgeformt werden, so daß der ungesinterte Grünling die Bauteilendform erhält, und danach der Grünling in seiner Bauteilendform zum fertigen Bauteil gesintert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Umformen der Teilbereiche durch Pressen und/oder Rollieren erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umformen stufenweise erfolgt, wobei einzelne Konturen, insbesondere Hinterschneidungen an der Bauteilendform jeweils wenigstens durch eine Umformungsstufe erzeugt werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünling vor wenigstens einem Umformen zur Erhöhung der Grünfestigkeit vorgesintert wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil als Grünling vor einem Sintern und/oder als verfestigtes Teil nach einem Sintern kalibriert wird.

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