EP1890831B1 - Process for producing a gearing of sintermaterial - Google Patents

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EP1890831B1
EP1890831B1 EP06754213.4A EP06754213A EP1890831B1 EP 1890831 B1 EP1890831 B1 EP 1890831B1 EP 06754213 A EP06754213 A EP 06754213A EP 1890831 B1 EP1890831 B1 EP 1890831B1
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EP
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toothing
tooth
flank
preform
oversize
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Gerhard Kotthoff
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GKN Sinter Metals Holding GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a toothing from sintered material.
  • Sintered gear elements such as gears made by powder metallurgy are used in some areas.
  • creating a suitable production of sintered components due to the powder, its behavior and its properties with regard to some technical fields of application compared to conventional solid materials creates problems.
  • From the GB 2 250 227 A shows a device for producing a gearwheel starting from a preform.
  • the object of the present invention is to enable an improvement in the production of a toothing from sintered material.
  • a preform can be used for the production of a toothing from sintered material, the preform having a negative oversize.
  • the negative oversize is preferably arranged at least on one flank of a tooth of the toothing.
  • the negative oversize can run asymmetrically along the flank.
  • a further development provides that a negative oversize is to be carried out on each flank of a tooth.
  • a tooth at the same height has a first negative oversize on a first flank and a second negative oversize on a second flank, the first and second flanks being asymmetrical to one another.
  • the negative oversize is preferably arranged between a head region of the tooth and an oversize on a flank of the tooth.
  • the negative oversize can be arranged in a corner region of the tooth base.
  • a method for producing a toothing from a sintered material wherein a preform is assigned at least one negative oversize, determined by means of iterative calculation, which is at least partially filled by displacement of the sintered material when the toothing is surface-densified.
  • a measurement material adjacent to the negative measurement is preferably displaced into the negative measurement.
  • the preform can be surface-compacted into the desired final shape, with optional hardening and / or surface finishing. This can be done before or after surface compaction. Honing and grinding can be considered as finishing.
  • the negative oversize is preferably designed using an iterative calculation, in which a simulation of the surface compaction on the preform determines whether the shape of the adjacent oversize is designed such that d the negative oversize can be smoothed towards the desired final contour.
  • a machine is provided for the calculation and / or for the execution of a surface compression of a toothing, wherein a calculated kinematics can be included, by means of which a negative allowance on a flank of the toothing can be smoothed to a desired final contour via the surface compression.
  • a preform of the toothing element is produced with a locally selective allowance based on a final dimension of the toothing element and rolled to the final dimension by means of at least one rolling tool, the Gear element is compacted locally at least in the region of at least one flank and / or a foot of a tooth of the tooth element to produce a compressed edge layer on a surface.
  • a gear element is, for example, a gear, a rack, a cam, a P-rotor, a ring gear, a chain gear or the like.
  • the compacted sintered material is produced in particular using powder metallurgy processes.
  • a metal powder is sintered under pressure in connection with a heat treatment.
  • metal powder for example, is injection molded in connection with plastic and, in particular, is sintered under a pressure, preferably with a heat treatment.
  • a sintered shape is used which has at least almost the final dimension of the toothing element to be produced.
  • the workpiece resulting directly from the sintering process is preferably used as the preform.
  • at least one further surface processing step can also be followed.
  • the preform has an oversize, which is to be understood as the difference to a final dimension, the difference being preferably defined pointwise perpendicular to the surface.
  • a rolling tool for example, a roller is used which is equipped with a toothing which can be brought into engagement with the toothing of the toothing element.
  • a rolling tool is in particular under pressure on a Rolled surface of the gear element.
  • two or more such rolling tools are preferably used simultaneously.
  • a gear wheel to be produced can be arranged centrally between two rolling tools.
  • first rolling tool under a first pressure, essentially for rough contour rolling, and then a second rolling tool under a second pressure to achieve the surface compaction to be set in a targeted manner.
  • the locally selective oversize is in particular dimensioned such that the toothing element is compacted in a locally varying manner on a surface at least in the area of at least one flank or additionally of a foot of a tooth of the toothing element.
  • a full density is preferably achieved within the compressed outer layer, the full density preferably being understood in relation to a density of a comparable powder-forged tooth.
  • a preform made of a sintered material in a core has a density of at least 6.8 d / cm 3 , preferably of at least 7.1 g / cm 3 and in particular of at least 7.3 g / cm 3 .
  • the preform has, for example, a density of at least 7.7 g / cm 3 , preferably of at least 7.8 g / cm 3 , which corresponds to the density of a powder-forged preform made of the same material.
  • a strength curve that is suitable for the stress is particularly advantageously achieved.
  • a highly stressable sintered toothing is preferably provided.
  • the density profile can have a greater degree of density over a larger area, in particular in the areas subject to higher stress, in comparison to immediately adjacent areas of lower load.
  • the differently compacted edge layer is also produced over a different allowance along a flank and / or tooth base of the preform.
  • a depth of the compressed edge layer viewed perpendicular to the surface, has a maximum density at approximately the location of a maximum stress. This can, for example, be halfway up the tooth and decrease continuously to zero in relation to the tooth head and the tooth base.
  • a particularly high compression in the sintered material is set in a range between 20% and 30%, in particular between 23% and 25%, below the rolling circle.
  • other courses can also be provided.
  • a force profile on a tooth flank of the toothing element is taken into account in its intended use.
  • the forces occurring on the teeth of a gearwheel in a transmission are used and the resulting comparison stress curves below the surface are used. This procedure is also possible with other gears.
  • an oversize on a first flank of the tooth is chosen differently than on a second flank of the tooth.
  • a direction of force transmission is taken into account in the intended use of a toothing element.
  • this takes into account the fact that, depending on a direction of rotation in the direction of rotation, different forces occur on the tooth flanks than against the direction of rotation.
  • a different compression due to a direction of rotation of a rolling tool can be compensated for.
  • the oversizes are preferably chosen such that after a compression process, an identical compression profile results along the first and the second tooth flank.
  • a locally compressed surface layer is also sought in these areas. It is particularly expedient if an asymmetrical oversize is selected in a tooth base. For example, a left tooth root area has a different compression depth than a right tooth root. In particular, between two Teeth a preferably continuous variation of a depth of an edge layer can be provided by a corresponding variation of the allowance.
  • a different, in particular asymmetrical dimension is preferably provided not only with respect to one flank, but preferably with respect to two flanks lying opposite one another.
  • a different dimension is provided in the tooth base, which is preferably asymmetrical. Tooth flanks and tooth feet of a toothing can each be asymmetrical.
  • the oversize is not only to be understood as the provision of additional material. Rather, this also includes an undersize. This is to be understood to mean that less sintered material is provided in a zone than would have to be provided in relation to an end contour after a processing step.
  • the undersize determined ensures, for example, that no undesired elevations occur when sintered material is displaced.
  • the undersize therefore represents an area of a preform with a toothing that is to be filled in by displacement of sintered material.
  • the pressure angle of the one flank of the tooth can thus deviate by at least 15% from the pressure angle of the other flank of the tooth.
  • a density that is 2% to at least 15% higher than on a second flank of the tooth is generated at the same height.
  • a density is preferably achieved on the first flank of the tooth which corresponds at least approximately to the density achieved for a powder-forged toothing element, whereas the second flank has a lower density.
  • a density in a range between 7.2 g / cm 3 and 7.7 g / cm 3 is set an edge, while in the corresponding region of the second flank has a density between 7.5 g / cm 3 and 7.82 g / cm 3 is set.
  • this takes into account, for example, different loads on the two tooth flanks that are dependent on the direction of rotation.
  • a requirement-oriented elasticity and hardness curve is preferably achieved. This furthermore preferably reduces noise development, for example in a transmission.
  • a local oversize on a first flank of the tooth is chosen to be at least 10% larger than an oversize on a second flank of the tooth at the same height.
  • an identical compression profile is achieved on the first and the second tooth flank due to different pressurization during compression depending on the direction of rotation.
  • a different compression profile is achieved on the first and the second tooth flank.
  • different maximum densities, their depths as well as their location in relation to the height of the toothing can be set specifically.
  • an amount of a maximum local oversize is at least 15 ⁇ m, preferably at least 100 ⁇ m and particularly preferably at least 400 ⁇ m. If the density of the preform is in a range between 7.2 g / cm 3 and 7.5 g / cm 3 , a maximum allowance between 20 and 150 ⁇ m is preferably provided. If the density of the preform is between 6.7 g / cm 3 and 7.2 g / cm 3 , a maximum allowance between 50 ⁇ m and 500 ⁇ m is preferably used.
  • An oversize can also be negative locally, taking into account, for example, a lateral redistribution of material. Lateral redistribution can occur by flowing material as a result of a rolling process.
  • an at least locally negative oversize can be provided, which is locally below the final dimension.
  • the negative oversize is preferably at most 100 microns.
  • the negative oversize is at most less than 50 ⁇ m and in particular less than 20 ⁇ m.
  • the maximum negative oversize is in a range between 100 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • a compression is preferably achieved which reaches a depth of between 1 mm and 1.5 mm at least in a region of a tooth flank of the toothing.
  • the compression in the tooth base can be lower.
  • the maximum depth of compression of a tooth flank is at least 6 times greater than a maximum depth of compression in a region of the associated tooth base. This allows the toothing to have sufficient strength on the one hand, but on the other hand also maintain a certain deformability. This prevents tooth breakage.
  • the preform and the rolling tool are rolled onto one another until a final shaping movement is generated between the toothing element produced thereby and the rolling tool.
  • This is used, for example, to manufacture gear wheels that are in engagement with one another.
  • Preference is given to the rolling tool during the rolling process a distance between the rolling tool and preform is reduced. Accordingly, a rolling pressure is set or adjusted in particular.
  • path control can also be implemented on the machine.
  • a pure path control can also take place in one section of the production and a pure force control in another section of the production. These can also alternate several times.
  • a cycloidal and / or involute toothing is created between the preform and the rolling tool by means of the rolling movement.
  • gear elements in the sense of gear wheels other gear elements can also be produced.
  • a cam is produced as the toothing element.
  • a cam can be produced such as is used, for example, for the mechanical actuation of an adjusting device, for example for adjusting a valve or the like.
  • a locally varied compression of an edge layer on a flank of a cam preferably provides an improved strength profile with less susceptibility to wear.
  • a further improvement in surface hardening can be achieved in particular in that the method for producing an at least partially surface-compressed metal toothing element comprises a thermal and / or chemical surface hardening process.
  • case hardening for example, is used as the thermal and / or chemical hardening process.
  • tension is preferably reduced.
  • a carbonitriding process is used.
  • a nitriding or nitrocaborating process as well as a boriding process can be used.
  • a reduction in tension is also achieved in these processes in connection with a heat treatment.
  • the hardening can also be influenced by adjusting the prevailing pressure. For example, a vacuum can be set, especially when case hardening is carried out. There is also the possibility of induction hardening.
  • the hardening is carried out only partially, for example only in the area of the toothing.
  • a method for producing an at least partially surface-hardened metal toothing element comprises the steps "cold or hot pressing, sintering, dimension and surface compaction rolls and case hardening".
  • a metal powder is first cold-pressed in a mold which has at least approximately the final dimension of the toothing element to be produced.
  • the sintering process takes place under the action of heat with or without the action of pressure.
  • the dimensional and surface compaction is then preferably carried out by means of rollers.
  • dimension and surface compaction rolling is preferably carried out simultaneously using at least two rolling tools. This can be followed by hardening, in particular case hardening, which enables the surface to be hardened further.
  • a further embodiment of the invention provides that surface compaction can be carried out using a wide variety of methods.
  • One embodiment in particular provides that the surface compaction is carried out with a different method in a first area than in a second, different area.
  • Shot blasting, shot peening, compaction by means of a ball, by means of a roller or by means of another rotatable body, by means of tooth-shaped tools, in particular rolling tools and the like, can be used as methods. These methods are also suitable, each separately, to allow the necessary surface compaction.
  • the tooth base is not compressed at all or only slightly with a tool that also compresses the tooth flank. It is possible to compress the surface in one section to such an extent that only the pores on the surface are closed.
  • the tooth base can then be processed with another tool or surface compaction method.
  • a different surface compaction along the tooth flank can be achieved compared to the tooth base.
  • different surface qualities can be set in this way, for example with regard to the roughness.
  • the maximum surface recess may also be different due to the different techniques.
  • the entire workpiece with the toothing receives a surface compaction, for example during surface blasting.
  • aluminum-containing sintered materials or other oxide-forming sintered materials can also be processed, since the surface compaction can also make it possible to remove an oxide layer.
  • a preform is used for a method for producing an at least partially surface-hardened metal toothing element, which has a compressed sintered material, a first and a second flank of a tooth each having asymmetrical dimensions that differ from one another. Furthermore, it is also provided that a first and a second foot region of a tooth have deviating, in particular asymmetrical oversizes.
  • a toothing element with a metallic sintered material can have a locally varied compression at least in the region of at least one flank of a tooth of the toothing element. This preferably enables elasticity of the powder metallurgical material, which is expedient for many applications, in conjunction with surface hardening. With gearwheels, for example, noise reduction during power transmission is particularly preferably made possible and, at the same time, good wear resistance is provided.
  • the toothing element can be a straight toothed gear.
  • the toothing element is a helically toothed gear wheel.
  • a bevel gear can also be provided.
  • opposing flanks of teeth of a toothing element have an asymmetrical compression.
  • there is asymmetrical compression in a foot area This compression is particularly adapted to the forces that occur during use.
  • the depth of the locally compacted edge layer is only so high that sufficient tooth elasticity or rigidity is still ensured.
  • the depth of the compacted edge layer in the foot region is particularly preferably less than on a tooth flank.
  • the toothing element is a cam.
  • the above statements are to be applied accordingly, for example flanks of the cam replacing the flanks of teeth.
  • an iron material is selected as the main component of the sintered material and at least one alloy component from the group consisting of carbon, molybdenum, nickel, copper, manganese, chromium and vanadium.
  • An iron alloy is, for example, Fe -1.0 Cr -0.3 V +0.2 based on a reference 15CrNiMo6.
  • Another iron alloy is, for example, Fe-1.5 Mo + 0.2C based on 20MnCr5.
  • Fe -3.5 Mo based on 16MnCr5 is provided as an iron-containing alloy.
  • the alloy C 0.2% Cr 0.5% Mn 0.5% Mo 0.5%, the rest including iron and impurities can be used.
  • other compositions can be provided.
  • a surface-compressed toothing made of sintered material can have at least 80% aluminum and at least copper and magnesium as further sintered materials.
  • a first embodiment provides that silicon is additionally used as the sintered material.
  • silicon can range from about 0.45% to about 0.8%, preferably between 0.6% and 0.75%. However, silicon can also be present in a higher range, for example between 13% and 17%, in particular between 14.5% and 15.5%. If the silicon content is higher, the copper content of the sintered material is reduced.
  • a first mixture can contain copper with a 4% to 5% content, silicon with 0.45% to about 0.8% content, magnesium with about 0.35% to 0.7% content and the rest at least mainly aluminum.
  • a pressing aid is preferably added. This can have a share between 0.8 and 1.8%.
  • a wax, especially amide wax can be used for this.
  • a second mixture can have, for example, copper with a 2.2% to 3% share, silicon with 13% to about 17% share, magnesium with about 0.4% to 0.9% share and the rest at least mainly aluminum.
  • a pressing aid can be used, as exemplified above.
  • At least one area of the toothing has a density of, for example, more than 2.5 g / cm 3 preferably up to the maximum density.
  • a workpiece produced in this way with a toothing preferably has a tensile strength of at least 240 N / mm 2 and a hardness of at least 90HB. If the silicon is higher, the density can in particular also be more than 2.6 g / cm 3 .
  • a second embodiment provides that, in addition, at least zinc is used as a sintered material in addition to copper and magnesium as additives and aluminum.
  • Copper preferably has a proportion in a range between 1.2% and 2.1%, in particular between 1.5% and 1.65%, magnesium between 1.9% and 3.1%, preferably between 2.45% and 2.65%, zinc between 4.7% and 6.1%, in particular between 2.3% and 5.55%.
  • the rest is at least mostly aluminum.
  • a pressing aid as described above can also be used here.
  • a workpiece made from this mixture with a toothing preferably has at least one area of the toothing after the surface compaction, in which a density of at least 2.58 g / cm 3 runs up to the maximum density.
  • a workpiece produced in this way with a toothing preferably has a tensile strength of at least 280 N / mm 2 and a hardness of at least 120HB.
  • a toothing element is sintered with a further functional component, in particular a shaft or a further gearwheel.
  • a further functional component in particular a shaft or a further gearwheel.
  • the gear element can be part of a pump.
  • it is an involute gear, which is brought into engagement with another involute gear.
  • the device comprises in particular at least one rolling tool, which can preferably act on the preform in an adapted engagement with the aid of the adapted tool control, preferably under an adapted pressure and / or controlled path.
  • the device comprises a rolling tool with a toothed surface which can be brought into engagement with the toothing of the toothing element and can be rolled thereon.
  • a device for producing an at least partially surface-hardened toothing element from a preform consisting at least in one surface area of a sintered material can comprise a tool which has a compensation of different dimensions on a first and a second flank of a tooth of the preform to be compressed by means of rolling motion.
  • the rolling tool can have a contour necessary for shaping, for example an involute toothing, only on one flank or on both flanks of a tooth.
  • a method for designing an oversize to achieve a surface compression of a sintered metal gear element during a rolling process is explained, the oversize being determined iteratively.
  • a geometry and in particular a torque and / or a pressure distribution are specified.
  • a design of a rolling tool is defined.
  • a preform with a locally defined oversize is determined.
  • a selection can be made, for example, using data libraries.
  • Such a data library contains, for example, experimental density profiles determined using various parameters.
  • the compression or rolling process can be simulated.
  • the kinematics of the rolling process is simulated in conjunction with a simulation of elastic and plastic properties of the preform and, if appropriate, of the rolling tool.
  • models of continuum mechanics are used in connection with a discrete solution using, for example, finite element or finite volume methods.
  • a geometry of a rolling tool is determined iteratively taking into account the oversize. For example, an oversize of an involute toothing of the rolling tool can be determined. A measurement for a toothing other than involute can be determined accordingly.
  • an allowance that is locally varied, at least pointwise, at least in a region of a flank of a tooth a preform of the toothing element is automatically generated on the basis of at least one design specification
  • a geometry of a rolling tool is automatically generated
  • a rolling process and a local course of compression of at least one edge layer of the toothing element generated in this way are simulated
  • an automatic evaluation of the generated course of the compression is compared with a specification and, if necessary, the process is repeated from the first step using at least one variation for optimization until an abort criterion is met.
  • the variation takes place, for example, with the help of an optimization process.
  • a termination criterion is, for example, a tolerance between the desired density profile and the density profile achieved in the simulation.
  • an abort criterion can also be a predefined number of iterations being exceeded.
  • the torque is to be understood here as the torque occurring in the intended use of a gear element.
  • a material stress is simulated at least in the area of the compression and is used in particular for the evaluation. This preferably avoids that a surface is sufficiently hardened, but is brittle due to tension and tends to crack.
  • data stored in a database library are used for variation.
  • methods for optimization and data analysis can be used, for example by means of neural networks.
  • Features stored in the database are also used, for example, for optimization using a genetic algorithm.
  • At least one of the steps can be replaced by a specification.
  • a rolling tool geometry is preferably predetermined. This takes into account, for example, the fact that a rolling tool is much more difficult to modify than, for example, a preform.
  • Another embodiment provides a reverse procedure. Starting from a final shape, a preform is preferred or the rolling tool for producing the final shape as well as the press tool for producing the preform.
  • a computer program product is proposed with program code means which are stored on a computer-readable medium in order to carry out at least one of the methods described above when the program is executed on a computer.
  • a computer-readable medium is, for example, a magnetic, a magneto-optical or an optical storage medium.
  • a memory chip is also used, for example.
  • a computer-readable medium can also be realized by means of a remote memory, for example by means of a computer network.
  • the computer program can, for example, be stored in a machine for surface compaction.
  • a calculation can also be carried out separately from the machine for surface compaction.
  • the machine has a control system, in particular a path-controlled and / or force-controlled control system, in which the coordinates and movement sequences can be entered in order to compress the preform.
  • a pressing tool mold is provided with which a preform made of sintered material can be pressed, which is subsequently surface-compacted onto a final mold.
  • This mold shape is calculated iteratively.
  • data of an end contour of the workpiece with its toothing are also used as the starting point.
  • a roller test stand can also be provided, which offers the possibility of being able to carry out test rolling for a wide variety of surface densifications.
  • data can also be determined in this way, which can be evaluated and included in the calculation methods.
  • suitable characteristic values can be formed from a large number of measurements. Starting values for the iterative calculation of preform, tool or pressing tool can be made using this.
  • the roller test stand can also have an automated measurement of surface-compacted workpieces that have teeth.
  • f H ⁇ means the deviation in terms of the toothing
  • F ⁇ the total deviation
  • f f ⁇ the profile shape deviation of the flanks.
  • the specified values correspond to the DIN classes with regard to the deviation.
  • an iteration takes into account parameters which relate to a material behavior when the tooth shape is surface-compacted.
  • an iteration to determine a preform is based on input data that are taken from a specification of the final shape. At least one rolling tool is preferably used, which has the same quality as the final shape created later.
  • the iterative determination and therefore extremely precise processing during surface compaction enables the quality of the tool to be transferred to the preform.
  • the extremely precise surface compaction enables the toothing to have this quality of the final shape after the surface compaction without a further material-removing finishing step.
  • a workpiece with the toothing is produced with a core density of at least 7.4 g / cm 3 with a surface density that is at a maximum in at least one area of a tooth flank, the maximum surface density in the area extending at least 0.02 ⁇ m in depth .
  • a method for producing a toothing from compressed sintered material wherein a pre-compressed tooth preform is compressed to its final shape at least in one area by means of iteratively determined data, and a roughness in the area is improved by at least 400% compared to the preform, with a surface hardness of at least 130 HB.
  • a core density of the final shape is set which has at least a density of 7.3 g / cm 3 , and a surface hardness is impressed which has a convex shape from the surface to a center of the final shape.
  • the teeth made of pre-compressed material have a roughness in a first surface-compressed area that is at least 400% smaller than a roughness in a second area that is less or not surface-compressed at all.
  • the roughness R z is, for example, less than 1 ⁇ m in the first region.
  • Another embodiment provides that there is a surface hardness of at least 700 HV [0.3] on the surface of the final shape, while at a depth of 0.4 mm from the surface there is at least a hardness of 500 HV [0.3] .
  • Another embodiment has a surface hardness of at least 700 HV [0.3] on the surface of a tooth flank and in a tooth base, a hardness of at least 500 HV [0.3] at a depth of 0.6 mm from the surface in the tooth base and a hardness of at least 500 HV [0.3] at a depth of 0.8 mm from the surface on the tooth flank.
  • the production of surface compaction makes it possible to set precise compaction as well as hardening according to the desired specifications.
  • a calculation method for the design of a preform of a toothing made of sintered material is now explained, wherein data are included in the calculation method, which are determined from a predetermined final shape of the toothing, depending on at least one condition of use of the final shape, one or more load parameters of the toothing are determined local allowance of the preform is calculated, which correlates with an expected compression of the preform on the surface, a load on the sintered material below the surface being included in the calculation.
  • the calculation is additionally based on penetration of the tool into the workpiece to be produced during the calculation, the behavior of the sintered material during penetration and after penetration being taken into account in particular.
  • the calculation method provides that elastic deformation of the sintered material to be compressed is taken into account.
  • the calculation method can also provide that elastic-plastic deformation of the sintered material to be compacted on the surface is taken into account.
  • a depth of a maximum load below the surface is preferably included in the calculation method when the workpiece is used as a force-transmitting gear.
  • the calculation method can further include shrinkage of the sintered material in the calculation during sintering.
  • Empirically determined data can also be included in the calculation.
  • a calculation method for designing a tool for the surface compression of a preform of a toothing made of, in particular, compacted sintered material for creating a predetermined tooth geometry can include that determined data from the predetermined tooth geometry to be produced for the calculation of machine tool kinematics, taking into account associated machine tools of a workpiece, from which the workpiece to be produced Tool is formed, and at least one tool former, whose coupled system coordinates and their movement to one another, are iteratively included. So now there is the possibility, instead of repeated Attempts to finally find measurement results and adaptations of the workpiece former to a final form, to carry this out using an iterative calculation. This is much more time-saving and enables a wide range of influencing parameters to be taken into account. In particular, a simulation of the design is also made possible, so that, for example, an operation of the tool to be manufactured on a designed preform can be checked in the simulation.
  • the calculation method can include contact conditions between the workpiece to be manufactured and the tool form maker between a tip and a foot of the toothing.
  • a maximum tension on the surface is also included in the calculation in the region of a base of the toothing.
  • a maximum tension below the surface is included in the calculation in the area of a flank of the toothing. This method is particularly suitable for sintered materials, but also for steel workpieces or workpieces made of other materials.
  • a compression molding tool with a press geometry for producing a preform of a toothing made of sintered material is described, the press geometry having a course adapted to a surface compression of the toothing with at least one elevation, which at least in the area of the toothing of the preform produces a depression which is made with sintered material during the Surface compaction is refillable.
  • the elevation on an end face of the preform preferably causes a depression in the region of a head of a tooth of the toothing.
  • the height of the elevation or depth of the depression as well as further dimensions thereof can be determined by iterative calculation.
  • Another embodiment provides, instead of a one-sided elevation, that a bilateral elevation is provided in order to bring about a depression on both end faces of the tooth.
  • the elevation is arranged in a region of the geometry which causes a depression on a tooth tip of the preform, the elevation being such that the shaped depression at least partially causes the tooth tip to grow due to the processing of the preform into the final shape by surface compaction at least diminished.
  • a preform with at least one recess on an end face of a toothing to compensate for a material throw-up when a running surface of the toothing is compacted can be calculated and in particular manufactured.
  • a preform with at least one recess on one can also be made in this way Calculate and, in particular, manufacture a tooth head of a toothing for at least reducing the tooth head from growing in height with a surface compaction of at least the flanks of the toothing.
  • the calculation method for determining a geometry of a preform or a compression molding tool preferably provides that the geometry is determined on the basis of data of a final shape of the preform and at least one depression or elevation is calculated, which at least partially compensates for a material shift during surface compaction.
  • a method for the surface compression of a toothing wherein a number of a repetitive compression movement of a molding tool for surface compression of a surface on the preform is calculated iteratively. Rollover is preferably calculated iteratively until a predetermined surface density is reached.
  • a feed of the molding tool is calculated iteratively.
  • the preform is rolled over less than 20 times in order to achieve the predetermined geometry of a final shape of the surface compaction. Rolling is preferably carried out less than 10 times.
  • the preform is rolled over less than 6 times until a predetermined geometry of a final shape of the surface compaction is achieved. It must be taken into account here that the surface compaction does not end when it is reached. Rather, the tool is then moved over the surface several times, in particular less than 25 times, preferably less than 15 times. This ensures an accuracy of the surface shape.
  • a method is proposed in which a reversing rolling is carried out on a toothing made of sintered material in order to compress the preform to the final shape of a surface compaction.
  • the preform is preferably relieved briefly by the molding tool. It has been found that by reversing, that is, by reversing the movement, a uniform compression can be created.
  • manufacturing problems were further minimized by reducing the pressure of the tool on the workpiece before the movement reversal started. The tool can remain in contact with the workpiece. But it can also detach itself from the surface for a short time.
  • a surface compaction of a workpiece with at least one toothing made of sintered material is proposed, with a first surface of the workpiece with another method is compacted than a second surface of the workpiece.
  • a first toothing of the workpiece preferably has a different compression than a second toothing of the workpiece.
  • An internal toothing of the workpiece undergoes a different surface compression than an external toothing of the workpiece.
  • an external toothing is surface-compressed by means of a rolling method, while a second surface is a bore which is surface-compressed by another method.
  • a hole in the workpiece is preferably given a hardened surface and is subsequently brought to a final shape. This allows the bore to be used for a shaft or an axis.
  • An improvement in the accuracy can be achieved by surface densification after hardening of the toothing.
  • a shaft with at least a first and with a second toothing can be designed such that the first toothing is rolled out of sintered material and is surface-compressed.
  • the shaft and the toothing are given below.
  • the further disclosure relating to the toothing, the materials, the manufacturing steps, etc. can be used in particular for further configurations.
  • the shaft has a second toothing, which is produced by a different method than the first toothing.
  • the second toothing forms a workpiece with the first toothing.
  • both teeth can be produced together in one press.
  • the first and the second toothing are preferably calculated iteratively and produced accordingly.
  • production can take place in succession, but according to another embodiment it can also take place simultaneously. In particular, this also applies to further processing steps such as surface compaction.
  • the second toothing has a hardened surface without surface compaction.
  • the density achieved by sintering or the inherent strength of the material used is sufficient. This applies, for example, to pump applications.
  • At least the first toothing has different flank slopes at the same height of the tooth at least on one tooth. This is advantageous in applications in which a main direction of rotation and in particular only one direction of rotation of the shaft is specified.
  • the different flank slopes can thus be designed to reduce wear and reduce noise.
  • the second toothing is forged. It can also be surface-compacted. This toothing can take up, for example, a greater power transmission than the first toothing.
  • the second toothing is preferably made of a different material than the first toothing.
  • the second toothing is made of steel.
  • the second toothing can also consist of a different sintered material than the first toothing.
  • the shaft can also be made of sintered material.
  • it can have the same material as the first toothing.
  • the shaft can also be formed at least together with the first toothing, i.e. be pressed from powder material, preferably in a common mold.
  • An exemplary method for producing the shaft described above can also provide that at least the first toothing is surface-compressed and a bore for receiving the shaft is surface-compressed, hardened and then honed before the shaft and the first toothing are connected to one another.
  • an iterative calculation of a preform of the first toothing is preferably carried out starting from a final shape of the shaft with the first toothing.
  • the preforms are arranged on shafts arranged in parallel and at the same time come into engagement with at least one tool for surface compaction.
  • At least two preforms are arranged on a common shaft and are brought together into engagement with at least one tool for surface compaction.
  • a movement of at least one shaft in which both preforms come into engagement with a tool for surface compaction.
  • at least three shafts for at least two preforms and at least one tool are arranged parallel to one another and form a triangle, wherein at least one of the shafts can be moved towards the other two shafts.
  • at least two preforms can be attached to a common shaft, the tool having a greater length than an added length of at least both preforms.
  • the preforms can preferably lie against one another with their end faces.
  • a distance is arranged between the preforms, the tool protruding along the shaft over both outer end faces of the preforms.
  • a component with a surface-compressed toothing made of sintered material can, viewed over a cross section, have a gradient with respect to the sintered materials used.
  • the component preferably has a gradient that has a step function.
  • the sintered materials are provided with a transition limit at least in this area. According to one embodiment, this transition boundary is present along the entire area between the first and second sintered material. Another embodiment provides that there is no fixed boundary in one area but a gradual transition. In particular, it can be provided that the component has different sintered materials that extend into one another without having a pronounced mixing zone with increasing or decreasing gradient.
  • the sintered material of the toothing can have a lower core density than the sintered material of an adjoining the toothing Area of the component.
  • a second variant of the component provides that the sintered material of the toothing has a higher core density than the sintered material of an area of the component adjoining the toothing.
  • Another variant has a component that has a first toothing with a first sintered material and a second toothing with a second sintered material.
  • a toothing preferably has different flank angles on a tooth at the same height.
  • a first sintered material can be arranged in an outer region of the component and form the toothing, and a second sintered material is arranged in an inner region of the component and forms a bore.
  • a method for producing a surface-compressed toothing on a component wherein a first sintered material is let into a mold before a second sintered material is added, then compression and sintering is carried out and only one of the two sintered materials is compressed by means of surface compression of the toothing. while the other sintered material does not change.
  • a further development provides that a second surface compaction is carried out, which only affects the sinter material that has not yet been surface-compacted. It is preferably provided that the first sintered material forms at least one surface of the tooth flanks and the second material forms a relining of the toothing.
  • Another proposed method for producing a surface-compressed toothing on a component provides for a first sintered material to be let into a mold before a second sintered material is added, then for pressing and sintering and for compressing the first and the second sintered material by means of surface compression of the toothing .
  • a movement sequence for surface compaction is iteratively determined taking into account a material behavior of at least one of the two sintered materials.
  • a development for both methods provides that a relative rotation acts between the mold, in particular a press mold, and a sintered material to be filled in, so that the sintered material collects in an outer region of the mold as a function of a speed of the relative rotation.
  • first and at least the second sintered material are added to the mold at least over a period of time.
  • the production method is also provided for grinding or honing the compressed tooth flanks and or tooth feet.
  • the forging preferably achieves a density of at least 7.6 g / cm 3 as the core density.
  • Surface compaction can therefore bring about full compaction and / or precision in the shape of the toothing.
  • an allowance for this step is in a range of 4 ⁇ m to 8 ⁇ m material above the final dimension.
  • honing it is preferably 30 ⁇ m to 50 ⁇ m and for grinding 50 ⁇ m to 0.3 mm, preferably 0.1 mm to 0.2 mm, according to the allowance Surface compaction provided.
  • the iterative calculation makes it possible to determine the areas and dimensions in advance and to be able to implement them later in the process.
  • a surface compaction is preferably also provided, followed by hardening and then preferably honing.
  • the bore can also have an allowance between 30 ⁇ m and 50 ⁇ m after the surface compaction.
  • oils can also be used for lubrication. This is preferred for hot rolling, for example at temperatures of over 220 ° C. In addition, it is proposed to carry out the hot rolling at a temperature between 500 ° C. and 600 ° C., oil cooling preferably being used to lubricate on the one hand and to cool the tool on the other hand.
  • Fig. 1 shows an exemplary rolling arrangement in a schematic view.
  • a first rolling tool 101 with a first toothing 102 is rotatably mounted about a first axis 103 in a direction of rotation 104.
  • the first toothing 102 is in engagement with a second toothing 105 of a preform 106.
  • the preform 106 is rotatably mounted about a second axis 107.
  • a second direction of rotation 108 results accordingly.
  • the second toothing 105 is in engagement with a third toothing 109 of a second rolling tool 110.
  • This second rolling tool 110 is rotatably mounted about a third axis 111 in a third direction of rotation 112.
  • the first axis 103 or the second axis 107 can be fixed axes, while the other two axes can execute an infeed movement.
  • the third axis 111 can be displaced in a displacement direction 113 along a connecting line 114 of the first 103, the second 107 and the third axis 111.
  • a dimension rolling process can be carried out.
  • tooth flanks in particular are only slightly compressed and in particular the tooth bases are not compressed. This results in surface compaction in a desired area.
  • the tooth base can also be surface-compacted only or additionally. For example, a progressive shift takes place in the direction of the shift direction 113 during a rolling process.
  • a region of the tooth feet of the preform 106 is also compacted by means of the first and second rolling tools 101, 110.
  • an adjusting device is preferably provided with a gear. Very high pressures can also be applied in particular.
  • Fig. 2 shows a first tooth 201 of an associated toothing element, not shown.
  • This gear element is a gear.
  • a geometry of the toothing element or of the first tooth 201 is characterized by a first root circle 202, a first root useful circle 203, a first pitch circle 204 and a first tip circle 205.
  • the first tooth 201 On a first flank 206, the first tooth 201 has a first oversize curve 207 before a rolling process.
  • a first gauge block course 208 After an ended Rolling results in a first gauge block course 208, correspondingly resulting in a first compacted edge layer 209.
  • This is shown schematically by a first compression boundary line 210. This line delimits the area of the first tooth 201 within which the full density is reached.
  • the full density is preferably based on a density of a comparable powder-forged tooth.
  • Fig. 3 shows a second tooth 301 of a toothing element, not shown.
  • This gear element is also a gear.
  • the second tooth 301 and the gearwheel are characterized by a second tip circle 302, a second pitch circle 303, a second root useful circle 304 and a second root circle 305.
  • a second oversize profile 308 and a third oversize profile 309 are provided to achieve an identical compression profile on a second flank 306 and a third flank 307.
  • a second gauge block curve 310 results on the second flank 306 and a third gauge block curve 311 on the third flank 307.
  • a second compression limit line 312 and a third compression limit line 313 result.
  • the second oversize profile 308 and the third oversize profile 309 are configured differently.
  • the different effects of forces on the tooth flanks 306, 307 during a rolling process are illustrated by the sliding speed directions shown.
  • a first 314 and a second sliding speed direction 315 result on the second flank 306. Starting from the second pitch circle 303, these are directed in the direction of the second tip circle 302 and in the direction of the second root circle 305.
  • On the third flank 307 results in a third sliding speed direction 316 and a fourth sliding speed direction 317, which are directed towards each other.
  • Fig. 4 shows a third tooth 401 of a toothing element, not shown.
  • This gear element is also a gear.
  • Gearwheel and third tooth 401 are in turn characterized by a third tip circle 402, a tip usage circle 403, a third pitch circle 404, a third root usage circle 405 and a third root circle 406.
  • the third tooth 401 shown is a toothing with a head relief, preferably in the form of a rounded head. However, other geometries are also possible in this area.
  • a tooth profile is withdrawn in a tooth tip region 401.1 between the third tip circle 402 and the tip usable circle 403. As a result, the tooth does not engage with an involute counter-toothing in this area.
  • a fourth measurement curve 407 results after a rolling process in a fourth compression limit line 408. Furthermore, a fourth gauge block curve 410 is formed on the fourth flank 409 achieved.
  • Fig. 5 shows an oversize curve between two adjacent teeth of a toothing element, not shown.
  • This gear element is in turn a gear wheel.
  • Gear and teeth are characterized by a fourth root circle 502, a fourth useful circle 503 of the preform, a fifth useful circle 504 of the preform after a grinding process, a fourth circle 505 after a milling process and a fifth circle 506 after a finishing process.
  • a fifth gauge block curve 507 results.
  • a lateral dimension in millimeters is plotted on the abscissa axis. On the ordinate axis, the corresponding lateral dimension, which is oriented perpendicular thereto, is also plotted in millimeters.
  • the gearing runs completely in the drawing plane.
  • Fig. 6 shows a compilation of further measurement courses.
  • the nominal floor length is shown along a flank line of a gear element.
  • This curve line relates to a course from a tooth head of a first tooth to a tooth head of an adjacent tooth.
  • the absolute arc length of the corresponding flank line is shown in millimeters on the upper axis of the abscissa.
  • the left ordinate axis indicates an oversize in millimeters.
  • the right ordinate axis describes the corresponding radius of the associated toothing.
  • a sixth oversize curve 601, a seventh oversize curve 602 and an eighth oversize curve 603 are shown. Furthermore, an associated radius 604 of the corresponding toothing is shown.
  • the sixth oversize curve 601 and the eighth oversize curve 603 are designed symmetrically to a tooth base symmetry line 605.
  • the seventh measurement curve 607 is designed asymmetrically.
  • the measurements In the vicinity of the tooth symmetry base line 605, that is to say in the area of the tooth base, the measurements each have a local minimum. This promotes a reduction in the risk of stress cracking.
  • Fig. 7 shows another measurement course.
  • a ninth measurement curve is shown, which runs asymmetrically from a left tooth head 702 to a right tooth head 703.
  • An oversize in the area of a tooth base 704 is also shown here less than in the area of the fifth 705 and the sixth flank 706. This serves in particular to avoid stress cracks.
  • Fig. 8 shows a first process scheme.
  • a geometry of a rolling tool is generated with a first geometry generation module 802.
  • a geometry of a preform is generated in a second geometry generation module 803 both on the basis of the target 801 and on the basis of the geometry of the rolling tool.
  • a rolling process is simulated in a first simulation module 804. Both a kinematics of the rolling process and the compression process that is caused during the rolling process are simulated.
  • a redistribution of material such as that in Fig. 3 is outlined.
  • the plastic deformation is simulated here, for example, using a finite element method.
  • a second simulation module 805 can optionally be taken into account for simulating a bracing.
  • This module includes both the target 801 and the geometry of the preform.
  • the second simulation module 805 also enables the determined geometry of the preform to be corrected.
  • the first geometry generation module 802, the second geometry generation module 803, the first simulation module 804 and optionally the second simulation module 805 can be repeatedly executed in an optimization loop.
  • Fig. 9 shows a second process scheme.
  • a ninth measurement curve 902 of a tooth profile 903 is generated.
  • a second tooth profile 905 of a third rolling tool 906 is then generated in a second step 904.
  • a rolling process is simulated in a third step 907.
  • the rolling process of the first tooth profile 903 on the second tooth profile of the rolling tool 905 and the resulting compression are simulated.
  • the first, second and third steps 901, 904, 907 are then optionally repeated in a variation 908.
  • Fig. 10 shows an oversize curve of a gear element of a rolling tool.
  • a tenth dimension curve 1001 of a fifth tooth 1002 of a rolling tool, not shown, is shown.
  • a different allowance is provided on a seventh flank 1003 and an eighth flank 1004 of the fifth tooth 1002.
  • On the seventh Flank 1003 a material addition is provided, which is indicated by a first arrow 1005.
  • a tooth relief is provided on the eighth flank 1004, which is indicated by the second arrow 1006.
  • the measurement is based on a regular profile of an involute toothing.
  • the asymmetrical configurations of the two tooth flanks 1003, 1004 take into account in particular an asymmetrical material load on a toothing element to be compressed therewith.
  • a symmetrical profile of both flanks of a tooth can be achieved by means of this rolling tool, for which compensations in the range of preferably less than 0.1 ⁇ m are carried out.
  • Fig. 11 shows a schematic view of a calculated depression on an end face of a toothing.
  • the depression serves to at least minimize, if not even compensate, for a growth of the displacement of sintered material achieved by the surface compaction and the associated growth of the tooth in height and / or width.
  • the shape of the recess depends on the oversize and the dimensions of the tooth. The shape can be iteratively optimized using the calculation method. A simulation enables the actual behavior of the preform to be estimated later.
  • Fig. 12 shows a schematic view of calculated extreme cases of tools for surface compaction, which can be calculated.
  • the starting point of the calculation is the left end geometry of the toothing.
  • the tool shapes shown in the middle and right of it can be determined iteratively by taking into account rolling conditions, measurement parameters and other influencing factors.
  • Fig. 13 is a schematic view of a procedure in the iterative calculation and links in a simulation.
  • the machine kinematics can be modeled based on the specified end data of the workpiece and its gearing. Here, for example, the mutually assigned machine axes are assumed.
  • the kinematics and functional links can then be used to optimize the tool to be designed using the existing degrees of freedom. This is again on Fig. 12 referred.
  • the examples shown there have corresponding disadvantages, for example, the foot region is too weak in the middle display or the head design is too pointed in the right display.
  • An iteration towards one for the respective requirement profile can then take place via additional influencing parameters such as, for example, strength considerations and / or stress profiles in the material suitable contour of the tool.
  • the end geometry determined with the calculated oversizes is taken as the starting point.
  • Fig. 14 shows a view of density profiles as a function of different initial densities of the preforms used. If the density of the preform is changed in its core as well as in the course towards the outside, there are influences regarding the course of the surface compression. This goes from the right picture of the Fig. 14 forth. By changing the respective preform, the course of density after surface compaction can also be strongly influenced. Therefore, the initial core density as well as the shape of the preform are important parameters in the iteration and calculation.
  • Fig. 15 gives an example of an overview of the errors that occur during different surface compaction steps and that characterize the material behavior.
  • the error is specified in error classes according to DIN 3972 or DIN 3970.
  • An important point in determining a suitable surface compaction by rolling is the profile change of the rolling tool.
  • This is in Fig. 15 shown on a preform with a core density of 7.3 g / cm 3 , which was in engagement with an unmodified set of rolling tools and was surface compacted.
  • the geometry of the gear wheel changes depending on a feed movement of the rolling tool. The goal is to achieve the desired final contour as specified. From the illustrations of the Fig.
  • the profile angle error is shown as an example on the left, the complete profile shape error in the middle and the shape error on the right. These were measured on the gear manufactured in each case.
  • a tooth thickness reduction of 0.27 mm leads to a profile angle deviation corresponding to class 7 according to DIN.
  • a feed of 0.4 mm is necessary.
  • the finished contour comes to lie in the other values outside the necessary quality classes. It is therefore necessary to change the geometry of the tool. Taking into account the found values as input values, a new tool can then be determined, the tests carried out again and in this way iteratively an optimized geometry for determine the tool.
  • the calculation enables a final contour for the tool to be determined with, for example, two or only one iteration.
  • Fig. 16 shows a hardness curve in HV on a flank of a toothing plotted over the distance from the surface on the x-axis in [mm].
  • the profile profile of the hardness can be influenced by suitable dimensioning as well as feed movement.
  • the course can be at least partially convex or concave.
  • the preform labeled AVA7-1 had a larger oversize than the preform labeled AVA4-2. Both have an opposite course of hardness: while in the first part until 550 HVAVA7-1 has a rather convex shape, AVA4-2 has a more concave course. After falling below 550HV, this changes.
  • Fig. 17 a hardness curve in HV in a foot area of a toothing with different surface compaction steps. Due to the smaller oversize there compared to the flank oversize and due to the geometry, the hardness profile is different. The hardness drops more steeply at the beginning, but then almost changes into a straight course with only a slight incline.
  • Fig. 18 shows a schematic view of different calculated oversize curves for different densities based on a final tooth thickness.
  • the diameter is plotted on the y-axis.
  • the oversize is indicated on the x-axis.
  • D_a or d_a specifies the tip usable circle diameter or the tip circle diameter, 0 is a specification of an oversize, for example by a value on the pitch circle, d_b is the base circle diameter.
  • A indicates the range of preferred values for the pitch circle range.
  • B represents a critical area, since material failure during rolling can already occur there.
  • Fig. 19 shows a schematic representation of parameters that can be included in the iterative calculation. In particular, these can be places of maximum stress. As shown in the photo on the left, pitting damage can occur on the flank. A reference stress curve is therefore preferably used, in which the following applies: a maximum stress occurs below the surface, in particular in the region of a negative slip, and therefore preferably below the specified pitch circle diameter d_w1.
  • the right photo shows a tooth break due to excessive bending load. From that follows for the calculation model that a location of the maximum tooth foot stress is determined and taken into account. This can be determined, for example, using the 30 ° tangent according to DIN or using the Lewis parabola according to AGMA. For the comparison voltage, it is preferably assumed that a maximum voltage occurs on the surface.
  • Fig. 20 shows a schematic view of a further possibility, for example, how at least two preforms can be compressed simultaneously.
  • the preforms can also be moved in the direction of the tool.
  • two or more preforms are arranged on a preform axis.
  • the invention can be used, for example, in camshaft gears, in planetary gears, in sun gears, in drive gears, in differential gears, in gear gears, in clutch gears, in pump gears, in straight-toothed gears, in helical gears, in electric motors, in internal combustion engines, in actuators, in variable speed drives or internal gears, for external or internal helical gear units with straight or helical gears, for bevel gear units with straight, helical or curved teeth, for helical gear units or worm gear units as well as for high-helix shaft and high-helix hub connections.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung aus Sintermaterial.The present invention relates to a method for producing a toothing from sintered material.

Gesinterte Verzahnungselemente wie beispielsweise pulvermetallurgisch hergestellte Zahnräder werden in manchen Bereichen eingesetzt. Allerdings bereitet das Erstellen einer geeigneten Fertigung von gesinterten Bauteilen bedingt durch das Pulver, sein Verhalten und seine Eigenschaften hinsichtlich mancher technischer Einsatzgebiete im Vergleich zu herkömmlichen Vollmaterialien Probleme.Sintered gear elements such as gears made by powder metallurgy are used in some areas. However, creating a suitable production of sintered components due to the powder, its behavior and its properties with regard to some technical fields of application compared to conventional solid materials creates problems.

Aus der Promotionsschrift " Neue Verfahren zur Tragfähigkeitssteigerung von gesinterten Zahnrädern", Gert Kotthoff, Shaker Verlag, Band 23/2003, ISBN 3-8322-2125-5 gehen theoretische Grundlagen, Untersuchungen dazu wie auch Versuche hervor, mittels einer Modellbildung die Herstellung eines Zahnrads aus Pulvermetall unter Nutzung eines Oberflächenwalzens zur Verdichtung einer Verzahnung des Zahnrads abzubilden.From the doctoral thesis " New methods for increasing the load capacity of sintered gears ", Gert Kotthoff, Shaker Verlag, volume 23/2003, ISBN 3-8322-2125-5 Theoretical basics, investigations and attempts to model the manufacture of a gear from powder metal using surface rolling to densify a toothing of the gear emerge.

Aus der GB 2 250 227 A geht eine Vorrichtung zur Herstellung eines Zahnrads ausgehend von einer Vorform hervor.From the GB 2 250 227 A shows a device for producing a gearwheel starting from a preform.

Aus L.S.Sigl et al., "Evolution of Gear Quality in Helical PM Gears during Processing", Powder Metallurgy World Congress & Exhibition (Euro PM2004), 17-21 October, Vienna, Austria, XP009176190 , ist ein pulvermetallurgisch hergestelltes Zahnrad für ein Getriebe bekannt.Out LSSigl et al., "Evolution of Gear Quality in Helical PM Gears during Processing", Powder Metallurgy World Congress & Exhibition (Euro PM2004), October 17-21, Vienna, Austria, XP009176190 , a powder-metallurgically manufactured gear for a transmission is known.

Aus WO 02/43897 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Zahnrads aus Sintermaterial bekannt.Out WO 02/43897 A a method and a device for producing a gear from sintered material are known.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbesserung einer Herstellung einer Verzahnung aus Sintermaterial zu ermöglichen.The object of the present invention is to enable an improvement in the production of a toothing from sintered material.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung aus einem Sintermaterial mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die jeweils angegebenen Merkmale in der Beschreibung können allgemein wie auch speziell mit anderen Merkmalen zu Weiterbildungen verknüpft werden. Insbesondere sind die angegebenen Beispiele mit ihren jeweiligen Merkmalen nicht beschränkend auszulegen. Die dort angegeben Merkmale können vielmehr auch mit anderen Merkmalen aus anderen Beispielen oder aus der allgemeinen Beschreibung verknüpft werden.This object is achieved by a method for producing a toothing from a sintered material with the features of claim 1. Advantageous refinements and developments are specified in the respective dependent claims. The characteristics given in the description can be general as well as special can be linked to other features for further training. In particular, the examples given with their respective characteristics are not to be interpreted restrictively. Rather, the features specified there can also be linked to other features from other examples or from the general description.

Für das Verfahren kann eine Vorform zur Herstellung einer Verzahnung aus Sintermaterial genutzt werden, wobei die Vorform ein negatives Aufmaß aufweist. Vorzugsweise ist das negative Aufmaß zumindest auf einer Flanke eines Zahnes der Verzahnung angeordnet ist. Insbesondere kann das negative Aufmaß asymmetrisch entlang der Flanke verlaufen.A preform can be used for the production of a toothing from sintered material, the preform having a negative oversize. The negative oversize is preferably arranged at least on one flank of a tooth of the toothing. In particular, the negative oversize can run asymmetrically along the flank.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass auf jeder Flanke eines Zahns ein negatives Aufmass vorgehen ist. Beispielsweise weist ein Zahn auf gleicher Höhe ein erstes negatives Aufmaß auf einer ersten Flanke und ein zweites negatives Aufmass auf einer zweiten Flanke aufweist, wobei die erste und die zweite Flanke zueinander asymmetrisch verlaufen.A further development provides that a negative oversize is to be carried out on each flank of a tooth. For example, a tooth at the same height has a first negative oversize on a first flank and a second negative oversize on a second flank, the first and second flanks being asymmetrical to one another.

Vorzugsweise ist das negative Aufmaß zwischen einem Kopfbereich des Zahns und einem Aufmass auf einer Flanke des Zahns angeordnet. Zusätzlich kann das negative Aufmass in einem Eckbereich des Zahnfußes angeordnet sein. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Verzahnung zumindest an einem Zahn jeweils verschiedene Flankensteigungen auf gleicher Höhe des Zahns aufweist.The negative oversize is preferably arranged between a head region of the tooth and an oversize on a flank of the tooth. In addition, the negative oversize can be arranged in a corner region of the tooth base. There is also the possibility that the toothing has different flank slopes at the same height of the tooth, at least on one tooth.

Neben einer Außenverzahnung oder sonstigen Verzahnungsart wird eine Oberflächenverdichtung auch bei einer Verzahnung ausgeführt, die eine Innenverzahnung ist. Aus der Vorform wird schließlich ein oberflächenverdichteten Zahnrad.In addition to an external toothing or other type of toothing, surface compaction is also carried out on a toothing that is an internal toothing. Finally, the preform becomes a surface-compacted gear.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung aus einem Sintermaterial vorgesehen, wobei einer Vorform zumindest ein mittels iterativer Berechnung ermitteltes negatives Aufmaß zugeordnet wird, das bei einer Oberflächenverdichtung der Verzahnung zumindest teilweise durch Verdrängung des Sintermaterials gefüllt wird. Vorzugsweise wird ein zum negativen Aufmaß benachbartes Aufmassmaterial in das negative Aufmaß verdrängt. Die Vorform kann in die angestrebte Endform oberflächenverdichtet werden, wobei optional eine Härtung und/oder eine Oberflächenfeinbearbeitung erfolgt. Dieses kann vorher oder nach dem Oberflächenverdichten erfolgen. Als Feinbearbeitung kommt ein Honen wie auch ein Schleifen in Betracht.According to the invention, a method for producing a toothing from a sintered material is provided, wherein a preform is assigned at least one negative oversize, determined by means of iterative calculation, which is at least partially filled by displacement of the sintered material when the toothing is surface-densified. A measurement material adjacent to the negative measurement is preferably displaced into the negative measurement. The preform can be surface-compacted into the desired final shape, with optional hardening and / or surface finishing. This can be done before or after surface compaction. Honing and grinding can be considered as finishing.

Vorzugsweise erfolgt die Gestaltung des negativen Aufmaßes über eine iterative Berechnung, bei der eine Simulation der Oberflächenverdichtung an der Vorform ermittelt, ob das benachbarte Aufmass von seiner Gestalt so ausgelegt ist, dass d das negative Aufmass zur angestrebten Endkontur hin geglättet werden kann. Dazu wird Maschine zur Berechnung und/oder zur Ausführung einer Oberflächenverdichtung einer Verzahnung zur Verfügung gestellt, wobei eine berechnete Kinematik eingebar ist, mittels der über die Oberflächenverdichtung ein negatives Aufmaß auf einer Flanke der Verzahnung auf eine angestrebte Endkontur glättbar ist.The negative oversize is preferably designed using an iterative calculation, in which a simulation of the surface compaction on the preform determines whether the shape of the adjacent oversize is designed such that d the negative oversize can be smoothed towards the desired final contour. For this purpose, a machine is provided for the calculation and / or for the execution of a surface compression of a toothing, wherein a calculated kinematics can be included, by means of which a negative allowance on a flank of the toothing can be smoothed to a desired final contour via the surface compression.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens zur Herstellung eines zumindest teilweise oberflächengehärteten metallenen Verzahnungselementes, welches ein verdichtetes Sintermaterial aufweist, wird eine Vorform des Verzahnungselementes mit einem lokal-selektiven Aufmaß bezogen auf ein Endmaß des Verzahnungselementes hergestellt und mittels wenigstens eines Walzwerkzeuges auf das Endmaß gewalzt, wobei das Verzahnungselement zumindest im Bereich wenigstens einer Flanke und/oder eines Fußes eines Zahns des Verzahnungselementes zur Erzeugung einer verdichteten Randschicht an einer Oberfläche lokal variiert verdichtet wird.In a further development of the method for producing an at least partially surface-hardened metal toothing element, which has a compressed sintered material, a preform of the toothing element is produced with a locally selective allowance based on a final dimension of the toothing element and rolled to the final dimension by means of at least one rolling tool, the Gear element is compacted locally at least in the region of at least one flank and / or a foot of a tooth of the tooth element to produce a compressed edge layer on a surface.

Ein Verzahnungselement ist dabei beispielsweise ein Zahnrad, eine Zahnstange, ein Nocken, ein P-Rotor, ein Zahnkranz, ein Kettenzahnrad oder dergleichen. Das verdichtete Sintermaterial wird insbesondere mit Verfahren der Pulvermetallurgie hergestellt. Beispielsweise wird ein Metallpulver unter einem Druck in Verbindung mit einer Wärmebehandlung gesintert. Des Weiteren wird beispielsweise Metallpulver in Verbindung mit Kunststoff spritzgegossen sowie insbesondere unter einem Druck vorzugsweise mit einer Wärmebehandlung gesintert. Für eine Formgebung eines Sinterwerkstückes wird insbesondere eine Sinterform verwendet, die zumindest nahezu das Endmaß des herzustellenden Verzahnungselementes aufweist. Bevorzugt wird als Vorform das direkt aus dem Sinterprozess resultierende Werkstück verwendet. In einer anderen Variante kann jedoch auch wenigstens ein weiterer Oberflächenbearbeitungsschritt nachgeschaltet werden. Die Vorform weist dabei ein Aufmaß auf, welches als Differenz zu einem Endmaß aufzufassen ist, wobei die Differenz vorzugsweise punktweise senkrecht zur Oberfläche definiert ist.A gear element is, for example, a gear, a rack, a cam, a P-rotor, a ring gear, a chain gear or the like. The compacted sintered material is produced in particular using powder metallurgy processes. For example, a metal powder is sintered under pressure in connection with a heat treatment. Furthermore, metal powder, for example, is injection molded in connection with plastic and, in particular, is sintered under a pressure, preferably with a heat treatment. For the shaping of a sintered workpiece, in particular a sintered shape is used which has at least almost the final dimension of the toothing element to be produced. The workpiece resulting directly from the sintering process is preferably used as the preform. In another variant, however, at least one further surface processing step can also be followed. The preform has an oversize, which is to be understood as the difference to a final dimension, the difference being preferably defined pointwise perpendicular to the surface.

Als ein Walzwerkzeug wird beispielsweise eine Walze verwendet, die mit einer Verzahnung ausgestattet ist, die mit der Verzahnung des Verzahnungselements in Eingriff bringbar ist. Ein derartiges Walzwerkzeug wird insbesondere unter einem Druck auf einer Oberfläche des Verzahnungselementes abgewälzt. Bevorzugt werden insbesondere gleichzeitig zwei oder mehrere derartige Walzwerkzeuge verwendet. Beispielsweise kann ein herzustellendes Zahnrad mittig zwischen zwei Wälzwerkzeugen angeordnet werden. Durch Zustellung beider Wälzwerkzeuge kann sodann eine Oberflächenverdichtung des Sintermaterials der Verzahnung bewirkt werden. Allgemein geht ein derartiges Herstellungsverfahren zum Beispiel aus Takeya et al, "Surface Rolling of sintered gears", SAE 1982 World Congress, Technical Paper 820234 hervor. Auch aus DE 33 250 37 , aus US 4,059,879 , aus EP 0 552 272 A1 , aus EP 1 268 102 A1 , aus US 5,729,822 , aus US 5,711,187 , aus US 5,884,527 , aus US 5,754,937 , aus US 6,193,927 , aus EP 0 600 421 A1 , aus GB 2,250,227 gehen jeweils verschiedene Herstellungsverfahren, Sintermaterialien, Werkzeuge, Ablauf der Verdichtung und Vorrichtungen für gesinterte Verzahnungen hervor, die adaptiert an die Erfindung ebenfalls genutzt werden können. Auf die obigen Druckschriften wird entsprechend des Rahmens dieser Offenbarung verwiesen.As a rolling tool, for example, a roller is used which is equipped with a toothing which can be brought into engagement with the toothing of the toothing element. Such a rolling tool is in particular under pressure on a Rolled surface of the gear element. In particular, two or more such rolling tools are preferably used simultaneously. For example, a gear wheel to be produced can be arranged centrally between two rolling tools. By delivering both rolling tools, surface compaction of the sintered material of the toothing can then be brought about. In general, for example, such a manufacturing process starts Takeya et al, "Surface Rolling of Sintered Gears," SAE 1982 World Congress, Technical Paper 820234 forth. Also from DE 33 250 37 , out US 4,059,879 , out EP 0 552 272 A1 , out EP 1 268 102 A1 , out US 5,729,822 , out US 5,711,187 , out US 5,884,527 , out US 5,754,937 , out US 6,193,927 , out EP 0 600 421 A1 , out GB 2,250,227 Different manufacturing processes, sintered materials, tools, the sequence of the compression and devices for sintered gears emerge, which can also be used adapted to the invention. Reference is made to the above publications in accordance with the scope of this disclosure.

Beispielsweise kann auch ein erstes Walzwerkzeug unter einem ersten Druck im Wesentlichen zum Grobkonturwalzen und anschließend ein zweites Walzwerkzeug unter einem zweiten Druck zur Erzielung der gezielt einzustellenden Oberflächenverdichtung verwendet werden.For example, it is also possible to use a first rolling tool under a first pressure, essentially for rough contour rolling, and then a second rolling tool under a second pressure to achieve the surface compaction to be set in a targeted manner.

Das lokal-selektive Aufmaß ist insbesondere so bemessen, dass das Verzahnungselement zumindest im Bereich wenigstens einer Flanke oder zusätzlich eines Fußes eines Zahnes des Verzahnungselementes in einer Randschicht an einer Oberfläche lokal variiert verdichtet wird. Bevorzugt wird innerhalb der verdichteten Randschicht eine volle Dichte erreicht, wobei die volle Dichte bevorzugt bezogen auf eine Dichte eines vergleichbaren pulvergeschmiedeten Zahns zu verstehen ist. Beispielsweise weist eine Vorform aus einem Sinterwerkstoff in einem Kern eine Dichte von mindestens 6,8 d/cm3, vorzugsweise von mindestens 7,1 g/cm3 und insbesondere von mindestens 7,3 g/cm3 auf. In der verdichteten Randschicht weist die Vorform beispielsweise eine Dichte von zumindest 7,7 g/cm3, vorzugsweise von zumindest 7,8 g/cm3 auf, was der Dichte einer pulvergeschmiedeten Vorform aus dem gleichen Werkstoff entspricht. Besonders vorteilhaft wird dabei ein beanspruchungsgerechter Festigkeitsverlauf erzielt. Des Weiteren wird mit einem örtlich variablen und beanspruchungsgerechtem Dichteverlauf bevorzugt eine hoch beanspruchbare gesinterte Verzahnung bereitgestellt. Der Dichteverlauf kann insbesondere in den höher beanspruchten Bereichen einen größeren Dichtegrad über einen größeren Bereich aufweisen im Vergleich zu unmittelbar benachbarten Bereichen geringerer Belastung. Mittels einer Ermittlung eines optimierten Aufmasses lässt sich ein derartig hergestellte Verzahnung auch wirtschaftlich in wenigen Arbeitsschritten fertigen.The locally selective oversize is in particular dimensioned such that the toothing element is compacted in a locally varying manner on a surface at least in the area of at least one flank or additionally of a foot of a tooth of the toothing element. A full density is preferably achieved within the compressed outer layer, the full density preferably being understood in relation to a density of a comparable powder-forged tooth. For example, a preform made of a sintered material in a core has a density of at least 6.8 d / cm 3 , preferably of at least 7.1 g / cm 3 and in particular of at least 7.3 g / cm 3 . In the compacted surface layer, the preform has, for example, a density of at least 7.7 g / cm 3 , preferably of at least 7.8 g / cm 3 , which corresponds to the density of a powder-forged preform made of the same material. A strength curve that is suitable for the stress is particularly advantageously achieved. Furthermore, with a locally variable and stress-appropriate density profile, a highly stressable sintered toothing is preferably provided. The density profile can have a greater degree of density over a larger area, in particular in the areas subject to higher stress, in comparison to immediately adjacent areas of lower load. By determining an optimized dimension, a toothing produced in this way can also be economically produced in a few steps.

Gemäß einer Ausgestaltung wird die jeweils unterschiedlich verdichtete Randschicht über ein unterschiedliches Aufmaß entlang einer Flanke und/oder Zahngrund der Vorform miterzeugt. Beispielsweise ist vorgesehen, dass eine Tiefe der verdichteten Randschicht, jeweils senkrecht zur Oberfläche betrachtet, in etwa am Ort einer maximalen Beanspruchung ein Maximum der Dichte aufweist. Dieses kann beispielsweise auf halber Höhe des Zahnes sein und jeweils zum Zahnkopf und zum Zahnfuß stetig auf Null abnehmen. Insbesondere zur Vermeidung von Pittings wird beispielsweise vorgesehen, dass in einem Bereich zwischen 20% und 30%, insbesondere zwischen 23% und 25% unterhalb des Wälzkreises eine besonders hohe Verdichtung im Sintermaterial eingestellt wird. Es können jedoch auch andere Verläufe vorgesehen werden. Insbesondere wird bei einer Auslegung eines Verdichtungsverlaufes ein Kraftverlauf auf einer Zahnflanke des Verzahnungselementes in seinem verwendungsgemäßen Einsatzzweck berücksichtigt. Beispielsweise werden dazu die an Zähnen eines Zahnrades in einem Getriebe auftretenden Kräfte herangezogen und die daraus resultierenden Vergleichsspannungsverläufe unterhalb der Oberfläche herangezogen. Diese Vorgehensweise ist auch bei anderen Verzahnungen möglich.According to one embodiment, the differently compacted edge layer is also produced over a different allowance along a flank and / or tooth base of the preform. For example, it is provided that a depth of the compressed edge layer, viewed perpendicular to the surface, has a maximum density at approximately the location of a maximum stress. This can, for example, be halfway up the tooth and decrease continuously to zero in relation to the tooth head and the tooth base. In particular, to avoid pitting, it is provided, for example, that a particularly high compression in the sintered material is set in a range between 20% and 30%, in particular between 23% and 25%, below the rolling circle. However, other courses can also be provided. In particular, when designing a compression profile, a force profile on a tooth flank of the toothing element is taken into account in its intended use. For example, the forces occurring on the teeth of a gearwheel in a transmission are used and the resulting comparison stress curves below the surface are used. This procedure is also possible with other gears.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Aufmaß auf einer ersten Flanke des Zahns anders gewählt wird als auf einer zweiten Flanke des Zahns. Dabei wird insbesondere eine Kraftübertragungsrichtung bei einem verwendungsgemäßen Einsatzzweck eines Verzahnungselementes berücksichtigt. Bei einem Zahnrad in einem Getriebe wird hierzu beispielsweise berücksichtigt, dass abhängig von einer Drehrichtung in Drehrichtung andere Kräfte an den Zahnflanken auftreten als entgegen der Drehrichtung. Des Weiteren kann eine unterschiedliche Verdichtung aufgrund einer Drehrichtung eines Walzwerkzeuges kompensiert werden. Bevorzugt werden die Aufmaße so gewählt, dass nach einem Verdichtungsprozess ein identischer Verdichtungsverlauf entlang der ersten und der zweiten Zahnflanke resultiert.It is particularly advantageous if an oversize on a first flank of the tooth is chosen differently than on a second flank of the tooth. In this case, in particular a direction of force transmission is taken into account in the intended use of a toothing element. In the case of a gearwheel in a transmission, for example, this takes into account the fact that, depending on a direction of rotation in the direction of rotation, different forces occur on the tooth flanks than against the direction of rotation. Furthermore, a different compression due to a direction of rotation of a rolling tool can be compensated for. The oversizes are preferably chosen such that after a compression process, an identical compression profile results along the first and the second tooth flank.

Beispielsweise zur Vermeidung von Spannungsrissen in einem Zahnfuß bzw. Zahngrundbereich wird eine lokal verdichtete Oberflächenschicht auch in diesen Bereichen angestrebt. Besonders zweckmäßig ist es, wenn in einem Zahngrund ein asymmetrisches Aufmaß gewählt wird. Beispielsweise weist ein linker Zahnfußbereich eine andere Verdichtungstiefe als ein rechter Zahnfuß auf. Insbesondere kann jeweils zwischen zwei Zähnen eine vorzugsweise stetige Variation einer Tiefe einer Randschicht durch eine entsprechende Variation des Aufmaßes bereitgestellt werden.For example, to avoid stress cracks in a tooth base or tooth base area, a locally compressed surface layer is also sought in these areas. It is particularly expedient if an asymmetrical oversize is selected in a tooth base. For example, a left tooth root area has a different compression depth than a right tooth root. In particular, between two Teeth a preferably continuous variation of a depth of an edge layer can be provided by a corresponding variation of the allowance.

Vorzugsweise wird bei der Ausgestaltung einer Verzahnung ein unterschiedliches, insbesondere asymmetrisches Aufmass nicht nur bezüglich einer Flanke, sondern vorzugsweise bezüglich zweier einander gegenüberliegender Flanken vorgesehen. Zusätzlich wird ein unterschiedliches Aufmass im Zahnfuß vorgesehen, das vorzugsweise asymmetrisch ist. Auch können Zahnflanken und Zahnfüße einer Verzahnung jeweils asymmetrisch sein. Als Aufmass ist hierbei nicht nur die zur Verfügung Stellung von zusätzlichem Material zu verstehen. Vielmehr gehört dazu ebenfalls ein Untermaß. Darunter ist zu verstehen, dass weniger Sintermaterial in einem Beeich vorgesehen ist, als in Bezug auf eine Endkontur nach einem Bearbeitungsschritt vorgesehen sein müsste. Das ermittelte Untermaß stellt beispielsweise sicher, dass bei Verdrängung von Sintermaterial keine unerwünschten Erhebungen entstehen. Das Untermaß stellt daher einen durch insbesondere Verdrängung von Sintermaterial aufzufüllenden Bereich einer Vorform mit einer Verzahnung dar.When designing a toothing, a different, in particular asymmetrical dimension is preferably provided not only with respect to one flank, but preferably with respect to two flanks lying opposite one another. In addition, a different dimension is provided in the tooth base, which is preferably asymmetrical. Tooth flanks and tooth feet of a toothing can each be asymmetrical. In this case, the oversize is not only to be understood as the provision of additional material. Rather, this also includes an undersize. This is to be understood to mean that less sintered material is provided in a zone than would have to be provided in relation to an end contour after a processing step. The undersize determined ensures, for example, that no undesired elevations occur when sintered material is displaced. The undersize therefore represents an area of a preform with a toothing that is to be filled in by displacement of sintered material.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Eingriffswinkel an einem Zahn einer Verzahnung vorzusehen. So kann der Eingriffswinkel der einen Flanke des Zahn um zumindest 15% vom Eingriffswinkel der anderen Flanke des Zahns abweichen.In addition, there is the possibility of providing different pressure angles on a tooth of a tooth system. The pressure angle of the one flank of the tooth can thus deviate by at least 15% from the pressure angle of the other flank of the tooth.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumindest 20 µm unterhalb einer Oberfläche einer ersten Flanke des Zahns eine um 2 %, bis zumindest 15 % höhere Dichte als auf einer zweiten Flanke des Zahns auf gleicher Höhe erzeugt wird. Bevorzugt wird auf der ersten Flanke des Zahns eine Dichte erzielt, die zumindest in etwa der Dichte entspricht, die für ein pulvergeschmiedetes Verzahnungselement erzielt wird, wohingegen die zweite Flanke eine geringere Dichte aufweist. Beispielsweise wird auf der einen Flanke eine Dichte in einem Bereich zwischen 7,2 g/cm3 und 7,7g/cm3 eingestellt, während in dem entsprechenden Bereich der zweiten Flanke eine Dichte zwischen 7,5 g/cm3 und 7,82 g/cm3 eingestellt wird. Insbesondere werden damit wiederum beispielsweise drehrichtungsabhängigen unterschiedlichen Belastungen der beiden Zahnflanken Rechnung getragen. Bevorzugt wird dabei ein anforderungsgerechter Elastizitäts- und Härteverlauf erzielt. Weiter bevorzugt wird dadurch eine Geräuschentwicklung beispielsweise in einem Getriebe verringert.In one embodiment it is provided that at least 20 μm below a surface of a first flank of the tooth, a density that is 2% to at least 15% higher than on a second flank of the tooth is generated at the same height. A density is preferably achieved on the first flank of the tooth which corresponds at least approximately to the density achieved for a powder-forged toothing element, whereas the second flank has a lower density. For example, at a density in a range between 7.2 g / cm 3 and 7.7 g / cm 3 is set an edge, while in the corresponding region of the second flank has a density between 7.5 g / cm 3 and 7.82 g / cm 3 is set. In particular, this takes into account, for example, different loads on the two tooth flanks that are dependent on the direction of rotation. A requirement-oriented elasticity and hardness curve is preferably achieved. This furthermore preferably reduces noise development, for example in a transmission.

Weiterhin ist vorgesehen, dass ein lokales Aufmaß auf einer ersten Flanke des Zahns um zumindest 10 % größer gewählt ist, als ein Aufmaß auf einer zweiten Flanke des Zahns auf gleicher Höhe. In einer ersten Variante wird dadurch beispielsweise erzielt, dass aufgrund unterschiedlicher Druckbeaufschlagung beim Verdichten in Abhängigkeit der Drehrichtung ein identischer Verdichtungsverlauf auf der ersten und der zweiten Zahnflanke erzielt wird. In einer weiteren Variante wird beispielsweise ein unterschiedlicher Verdichtungsverlauf auf der ersten und der zweiten Zahnflanke erzielt. Hierbei können insbesondere unterschiedliche maximalen Dichten, deren Tiefen wie aber auch deren Ort in Bezug auf die Höhe der Verzahnung gezielt eingestellt werden.Furthermore, it is provided that a local oversize on a first flank of the tooth is chosen to be at least 10% larger than an oversize on a second flank of the tooth at the same height. In a first variant it is achieved, for example, that an identical compression profile is achieved on the first and the second tooth flank due to different pressurization during compression depending on the direction of rotation. In a further variant, for example, a different compression profile is achieved on the first and the second tooth flank. In particular, different maximum densities, their depths as well as their location in relation to the height of the toothing can be set specifically.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn ein Betrag eines maximalen lokalen Aufmaßes wenigstens 15 µm, bevorzugt wenigstens 100 µm und besonders bevorzugt wenigstens 400 µm beträgt. Liegt die Dichte der Vorform in einem Bereich zwischen 7,2 g/cm3 und 7,5 g/cm3, wird bevorzugt ein maximales Aufmaß zwischen 20 und 150 µm vorgesehen. Liegt die Dichte der Vorform zwischen 6,7 g/cm3 und 7,2 g/cm3, wird bevorzugt ein maximales Aufmaß zwischen 50 µm und 500 µm verwendet. Ein Aufmaß kann dabei lokal auch negativ sein, wobei beispielsweise eine laterale Umverteilung von Material berücksichtigt wird. Eine laterale Umverteilung kann durch Fließen von Material infolge eines Walzvorganges erfolgen. Insbesondere kann ein zumindest lokal negatives Aufmaß vorgesehen sein, welches lokal unter dem Endmaß liegt. Das negative Aufmaß beträgt vorzugsweise maximal 100 µm. Gemäß einer Ausgestaltung beträgt das negative Aufmass maximal weniger als 50 µm und insbesondere weniger als 20 µm. Insbesondere liegt das maximale negative Aufmass in einem Bereich zwischen 100 µm und 20 µm.
Vorzugsweise wird eine Verdichtung erzielt, die zumindest in einem Bereich einer Zahnflanke der Verzahnung eine Tiefe zwischen 1 mm und 1,5 mm erreicht. Die Verdichtung im Zahnfuß kann hingegen geringer sein. Gemäß einer Ausgestaltung ist die maximale Tiefe der Verdichtung einer Zahnflanke um zumindest den Faktor 6 größer als eine maximale Tiefe einer Verdichtung in einem Bereich des zugehörigen Zahnfußes. Dieses erlaubt, dass die Verzahnung einerseits eine ausreichende Festigkeit hat, andererseits aber auch eine gewisse Verformbarkeit behält. Ein Zahnbruch wird dadurch vermieden.
It is particularly expedient if an amount of a maximum local oversize is at least 15 μm, preferably at least 100 μm and particularly preferably at least 400 μm. If the density of the preform is in a range between 7.2 g / cm 3 and 7.5 g / cm 3 , a maximum allowance between 20 and 150 μm is preferably provided. If the density of the preform is between 6.7 g / cm 3 and 7.2 g / cm 3 , a maximum allowance between 50 μm and 500 μm is preferably used. An oversize can also be negative locally, taking into account, for example, a lateral redistribution of material. Lateral redistribution can occur by flowing material as a result of a rolling process. In particular, an at least locally negative oversize can be provided, which is locally below the final dimension. The negative oversize is preferably at most 100 microns. According to one embodiment, the negative oversize is at most less than 50 μm and in particular less than 20 μm. In particular, the maximum negative oversize is in a range between 100 µm and 20 µm.
A compression is preferably achieved which reaches a depth of between 1 mm and 1.5 mm at least in a region of a tooth flank of the toothing. The compression in the tooth base, however, can be lower. According to one embodiment, the maximum depth of compression of a tooth flank is at least 6 times greater than a maximum depth of compression in a region of the associated tooth base. This allows the toothing to have sufficient strength on the one hand, but on the other hand also maintain a certain deformability. This prevents tooth breakage.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Vorform und das Walzwerkzeug aufeinander abgewälzt werden, bis eine endgültig formgebende Bewegung zwischen dem dadurch hergestellten Verzahnungselement und dem Walzwerkzeug erzeugt wird. Dies wird beispielsweise zur Herstellung von miteinander in Eingriff stehenden Zahnrädern verwendet. Bevorzugt wird während des Abwälzvorganges mit dem Walzwerkzeug ein Abstand zwischen Walzwerkzeug und Vorform verringert. Entsprechend wird dazu insbesondere ein Wälzdruck eingestellt bzw. angepasst. Neben der Möglichkeit einer Kraftsteuerung kann auch eine Wegsteuerung an der Maschine verwirklicht sein. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, eine Kombination aus Kraft- und Wegsteuerung bei der Herstellung der Verzahnung vorzusehen. Dabei kann auch in einem Abschnitt der Herstellung eine reine Wegsteuerung erfolgen und in einem anderen Abschnitt der Herstellung eine reine Kraftsteuerung. Auch können sich diese mehrmals abwechseln.In one embodiment of the method it is provided that the preform and the rolling tool are rolled onto one another until a final shaping movement is generated between the toothing element produced thereby and the rolling tool. This is used, for example, to manufacture gear wheels that are in engagement with one another. Preference is given to the rolling tool during the rolling process a distance between the rolling tool and preform is reduced. Accordingly, a rolling pressure is set or adjusted in particular. In addition to the possibility of force control, path control can also be implemented on the machine. In addition, there is the possibility of providing a combination of force and displacement control in the manufacture of the toothing. A pure path control can also take place in one section of the production and a pure force control in another section of the production. These can also alternate several times.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mittels Walzbewegung zwischen der Vorform und dem Walzwerkzeug eine zykloidenförmige und/oder evolventenförmige Verzahnung entsteht.In a further embodiment it is provided that a cycloidal and / or involute toothing is created between the preform and the rolling tool by means of the rolling movement.

Neben Verzahnungselementen im Sinne von Zahnrädern können auch weitere Verzahnungselemente hergestellt werden. Beispielsweise ist vorgesehen, dass als Verzahnungselement ein Nocken hergestellt wird. Insbesondere kann ein Nocken hergestellt werden, wie er beispielsweise zur mechanischen Betätigung einer Verstellvorrichtung, beispielsweise zum Verstellen eines Ventils oder dergleichen verwendet wird. Vorzugsweise wird durch eine lokal variierte Verdichtung einer Randschicht auf einer Flanke eines Nockens ein verbesserter Festigkeitsverlauf mit einer geringeren Verschleißanfälligkeit bereitgestellt.In addition to gear elements in the sense of gear wheels, other gear elements can also be produced. For example, it is provided that a cam is produced as the toothing element. In particular, a cam can be produced such as is used, for example, for the mechanical actuation of an adjusting device, for example for adjusting a valve or the like. A locally varied compression of an edge layer on a flank of a cam preferably provides an improved strength profile with less susceptibility to wear.

Eine weitere Verbesserung einer Oberflächenhärtung kann insbesondere damit erzielt werden, dass das Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise oberflächenverdichteten metallenen Verzahnungselementes einen thermischen und/oder chemischen Oberflächenhärtungsprozess umfasst.A further improvement in surface hardening can be achieved in particular in that the method for producing an at least partially surface-compressed metal toothing element comprises a thermal and / or chemical surface hardening process.

In einer ersten Variante wird als thermischer und/oder chemischer Härtungsprozess beispielsweise eine Einsatzhärtung verwendet. Bevorzugt wird dabei neben einer Erhöhung der Härte ein Abbau von Verspannungen erzielt. In einer weiteren Variante wird beispielsweise ein Carbonitrierungsprozess verwendet. Des Weiteren kann ein Nitrier- beziehungsweise Nitrocaborierprozess sowie ein Borierprozess verwendet werden. Insbesondere wird bei diesen Prozessen in Verbindung mit einer Wärmebehandlung ebenfalls eine Verringerung einer Verspannung erzielt. Durch Einstellung des herrschenden Druckes kann ebenfalls Einfluß auf die Härtung genommen werden. Beispielsweise kann ein Vakuum eingestellt werden, insbesondere wenn eine Einsatzhärtung vorgenommen wird. Auch besteht die Möglichkeit, eine Induktionshärtung vorzunehmen.In a first variant, case hardening, for example, is used as the thermal and / or chemical hardening process. In addition to increasing the hardness, tension is preferably reduced. In a further variant, for example, a carbonitriding process is used. Furthermore, a nitriding or nitrocaborating process as well as a boriding process can be used. In particular, a reduction in tension is also achieved in these processes in connection with a heat treatment. The hardening can also be influenced by adjusting the prevailing pressure. For example, a vacuum can be set, especially when case hardening is carried out. There is also the possibility of induction hardening.

Die Härtung wird gemäß einer Ausgestaltung nur partiell ausgeführt, beispielsweise nur im Bereich der Verzahnung vorgenommen.According to one embodiment, the hardening is carried out only partially, for example only in the area of the toothing.

In einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise oberflächengehärteten metallenen Verzahnungselementes, welches ein verdichtetes Sintermaterial aufweist, die Schritte "Kaltes oder warmes Verpressen, Sintern, Maß- und Oberflächenverdichtungswalzen sowie Einsatzhärtung" umfasst. Beispielsweise erfolgt zunächst ein kaltes Verpressen eines Metallpulvers in einer Form, welche zumindest in etwa das Endmaß des herzustellenden Verzahnungselementes aufweist. In einem zweiten Schritt erfolgt beispielsweise der Sinterprozess unter Wärmeeinwirkung mit oder ohne Druckeinwirkung. Vorzugsweise daran anschließend erfolgt die Maß- und Oberflächenverdichtung mittels Walzen. Wie bereits weiter oben erwähnt erfolgt ein Maß- und Oberflächenverdichtungswalzen vorzugsweise gleichzeitig mittels wenigstens zweier Walzwerkzeuge. Daran anschließend kann schließlich die Härtung, insbesondere Einsatzhärtung erfolgen, die eine weitere Härtung der Oberfläche ermöglicht.In a preferred variant, it is provided that a method for producing an at least partially surface-hardened metal toothing element, which has a compressed sintered material, comprises the steps "cold or hot pressing, sintering, dimension and surface compaction rolls and case hardening". For example, a metal powder is first cold-pressed in a mold which has at least approximately the final dimension of the toothing element to be produced. In a second step, for example, the sintering process takes place under the action of heat with or without the action of pressure. The dimensional and surface compaction is then preferably carried out by means of rollers. As already mentioned above, dimension and surface compaction rolling is preferably carried out simultaneously using at least two rolling tools. This can be followed by hardening, in particular case hardening, which enables the surface to be hardened further.

Weitere mögliche Verfahrensschritte bzw. Verfahrensabläufe wie auch nähere Angaben zu Werkstücken sind im folgenden beispielhaft angegeben. Die Verfahrensschritte sind jedoch auch mit anderen Materialien und erreichten Dichtewerten ausführbar. Die verwendbaren Sintermaterialien sind wie folgt allgemein im Rahmen der Erfindung nutzbar, wobei beispielhaft verwendbare Materialen angegeben werden:

  • gemischte Pulver (admixed powders): Zum Beispiel Eisenpulver wird mit anderen vorzugsweise elementaren Pulvern gemischt. Zum Beispiel:
    • Ancorsteel 1000+1,5-3,5 w/o Cu + 0,6-1,1 w/o Graphit + 0,5-1,2 w/o Schmiermittel
    • Ancorsteel 1000B+1,5-2,2 w/o Ni + 0.4-0,9 w/o Graphit + 0,6-1,1 w/o Schmiermittel
  • teilweise legierte Pulver (partially alloyed, diffusion alloyed powders): Ein Pulver bei dem der oder die Legierungsbestandteile metallurgisch mit elementarem Pulver oder vorlegiertem Pulver verbunden sind. Zum Beispiel: Distaloy AB, Distaloy 4600A, Distaloy AE, Distaloy 4800A
  • vorlegierte Pulver (pre-alloyed powders): Pulver aus zwei oder mehr Elementen, die während der Pulverherstellung legiert werden, wobei die Pulverpartikel gleichverteilt werden. Zum Beispiel: Ancorsteel 4600V, Ancorsteel 2000, Ancorsteel 86, Ancorsteel 150HP
  • Hybridlegierung (hybrid alloy): vorlegierte oder partiell legierte Pulver mit elementaren oder eisenlegierten Zugaben, die vermischt werden, um die gewünschte Materialzusammenstellung zu erhalten. Zum Beispiel:
    • Ancorsteel 85P+1,5-2,5 w/o Ni + 0,4-0,8 w/o Graphit + 0,55-1,1 w/o Schmierzusatz
    • Distaloy AE + 1,5-2,5 w/o Ni + 0,4-0,8 w/o Graphit + 0,55-0,95 Schmierzusatz
    • Ancorsteel 85HP + 1,1-1,6 w/o FeMn + 0,35-0,65 w/o Graphit + 0,6-0,95 Schmierzusatz
  1. 1. Das Werkstück weist eine Kerndichte zwischen 6,5 und 7,5 g/cm3 auf. Die Oberflächendichte beträgt mehr als 7,5 g/cm3. Eine maximale Dichte wird bis zu einer Tiefe von 0,1 mm erzeugt.
    Ausgangsmaterialien für die Vorform sind sintermetallische Pulver, insbesondere vorlegierte Materialien, partiell legierte Materialien oder Hybridlegierungen.
    Mit einem vorlegiertem Material wird ein Kaltverpressen, ein Sintern in einem Temperaturbereich zwischen 1100°C und 1150°C, ein Oberflächenverdichten, ein Einsatzhärten und ein anschließendes Schleifen vorgenommen, um eine Endform eines Werkstücks mit Verzahnung zu erzielen.
    Mit einem partiell legierten metallischem Sintermaterial wird ein Warmpressen bei einer Pressentemperatur in einem Bereich zwischen 50°C und 80°C, ein Hochtemperatursintern in einem Bereich vorzugsweise zwischen 1250° C und 1280°C, ein Oberflächenverdichten, ein anschließendes Vakuum-Einsatzhärten und ein Honen durchgeführt, um eine Endform eines Werkstücks mit Verzahnung zu erzielen.
    Mit einem Sintermaterial aufweisen eine Hybridlegierung wird ein Warmpressen ausgeführt, bei dem vorzugsweise das Pulver und das Werkzeug erhitzt sind. Vorzugsweise sind diese in einem Bereich zwischen 120°C und 150° aufgeheizt. Anschließend erfolgte ein Sinterschritt, beispielsweise als Hochtemperatursintern, ein Oberflächenverdichten und anschließend Induktionshärten. Eine Nachbehandlung kann beispielsweise entfallen.
  2. 2. Die Vorform ist pulvergeschmiedet. Diese Vorform wird zumindest teilweise im Bereich der Zahnflanken und/oder des Zahnfußes oberflächenverdichtet. Eine Kerndichte des Werkstücks beträgt zwischen 5,7 g/cm3 und 7,7 g/cm3. Eine Oberflächendichte im Bereich der beträgt mehr als 7,8 g/cm3, wobei vorzugsweise in diesem Bereich alle verbliebenen Poren an der Oberfläche verschlossen sind. Es kann jedoch auch eine Maximaldichte bis zu einer Tiefe von 1,5 mm erzeugt werden.
    Ein Herstellungsverfahren kann wie folgt ablaufen: Wahl des Pulvermaterials, Kaltpressen des Pulvermaterials, Sintern vorzugsweise mit einer Temperatur um ca. 1120°C, anschließen Schmieden, vorzugsweise bei einer Temperatur um die 1000°C, eventuelles Entfernen einer Oxidationsschicht, Oberflächenverdichten insbesondere durch Wälzen, Oberflächenhärten, insbesondere Einsatzhärten, und eventuelles anschließendes partielles Schleifen auf eine Endkontur. Das Verfahren kann ganz oder teilweise in einer Fertigungstrasse ablaufen.
    Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass beim Oberflächenhärten ein Vakuum-Einsatzhärten ausgeführt wird, an den sich ein Honschritt für partielle Bereiche der Verzahnung anschließen.
  3. 3. Insbesondere für die Produktion von Rotoren und Ölpumpenräder wird eine Vorform aus einem aluminiumhaltigen Material im Bereich der Zahnflanken und/oder der Zahnfüße oberflächenverdichtet. Beim Oberflächenverdichten wird insbesondere eine Endform der Verzahnung erzielt. Die Kerndichte des Werkstücks beträgt vorzugsweise zwischen 2, 6 g/cm3 und 2,8 g/cm3.
    Das Sintermaterial wird beispielsweise warmgepresst, beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 40°C und 65°C, anschließend entwachst, beispielsweise bei einer Temperatur von mehr als 400°C, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 420°C und 440°C dann gesintert, beispielsweise in einem Temperaturbereich oberhalb von 550°, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 600°C und 630°C, dann homogenisiert und gekühlt, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 480°C und 535°C, wobei anschließend ein Oberflächenverdichten insbesondere durch Walzen erfolgt. Anschließend kann eine Aushärtung erfolgen, beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 120°C und 185°C für einen Zeitraum zwischen 6 h und 24 h.
  4. 4. Die Vorform wird vorzugsweise entlang der Zahnflanke und des Zahnfußes verdichtet, wobei insbesondere zwei Walzwerkzeuge eingesetzt werden, in deren Mitte die Vorform drehbar angeordnet wird. Eine Kerndichte des Werkstücks beträgt je nach Material vorzugsweise zwischen 7,2 g/cm3 und 7,5 g/cm3, eine Oberflächendichte ist materialabhängig zumindest abschnittsweise größer als 7,8 g/cm3. Eine maximale Dichte ist insbesondere bis zu einer Tiefe von 1 mm vorliegend, eventuell auch darüber hinaus.
    Von den Herstellungsschritten wird gemäß einer Ausgestaltung vorgeschlagen, vorlegiertes Material kalt zu verpressen, anschließend zu sintern, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 1100C° und 1150°C, eine Oberflächenverdichtung durchzuführen, eine Härtung auszuführen und die Oberfläche partiell eventuell zu schleifen.
    Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, ein partiell legiertes Sintermaterial warm zu verpressen, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 50°C und 90°C, ein Hochtemperatursintern auszuführen, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 1240°C und 1290°C, eine Oberflächenverdichtung durchzuführen, eine Vakuum-Einsatzhärtung vorzunehmen und eventuell anschließend zu honen.
    Eine andere Ausgestaltung sieht vor, eine Hybridlegierung heiß zu verpressen, wobei das Pulver und das Presswerkzeug vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 120°C und 160°C aufgewärmt sind. Nach einem Sinterschritt erfolgt eine Oberflächenverdichtung, an die sich eine Härtung, vorzugsweise eine Induktionshärtung anschließt.
  5. 5. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das einem Vorsintern ein Oberflächenverdichten nachfolgt und dann wiederum ein Nachsintern als Verfahrensschritt bei der Herstellung eines Werkstückes mit Verzahnung vorgesehen ist. Das Vorsintern kann beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 650°C bis 950°C erfolgen. Das Nachsintern kann beispielsweise bei einer für das Material üblichen Sintertemperatur erfolgen, zum Beispiel zwischen 1050°C und 1180°C. Auch besteht die Möglichkeit der Hochtemperatursinterung, zum Beispiel im Bereich zwischen 1250°C und 1280°C. Hiernach kann sich optional ein Härten und/oder eine Nachbearbeitung anschließen, zum Beispiel ein Honen oder auch ein Schleifen.
    Das vorhergehende Verpressen kann kalt, warm oder heiß erfolgen, wobei bei letzterem vorzugsweise das Presswerkzeug und das Pulver aufgeheizt sind. Beispielsweise erfolgt das Heizpressen in einem Temperaturbereich zwischen 120°C und 160°C.
  6. 6. Eine Weiterbildung sieht vor, dass einem Nachsinterschritt ein Sinterhärten nachfolgt. Optional kann sich daran ein Schleifen oder Honen anschließen.
  7. 7. Ein weiteres Herstellungsverfahren sieht vor, die Vorform bei einer Temperatur zu verdichten, die oberhalb von 150°C liegt, insbesondere über 500°C. Beispielsweise kann die Vorform direkt von einem Sinterofen in eine Maschine zur Oberflächenverdichtung geführt werden. Dabei kann die Vorform eine Temperatur aufweisen, die beispielsweise oberhalb von 600°C liegt, insbesondere auch über 800°C beträgt. Vorzugsweise werden das oder die Werkzeuge zur Oberflächenverdichtung beheizt, zum Beispiel auf eine Temperatur von etwa 150°C. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist das Werkzeug zur Oberflächenverdichtung gekühlt, vorzugsweise durch eine im Inneren des Werkzeugs verlaufende Kühlung.
  8. 8. Ein weiteres Herstellungsverfahren sieht vor, dass eine Oberflächenverdichtung erfolgt, während die Vorform zumindest partiell beheizt wird. Insbesondere erfolgt die Beheizung auf eine Temperatur, die das Oberflächenverdichten vereinfacht. Vorzugsweise wird hierfür eine Induktionsbeheizung eingesetzt. Anschließend erfolgt ein rasches Kühlen, um eine martensitische Struktur zu schaffen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Ausform-Prozess mit einer Oberflächenverdichtung kombiniert werden.
Further possible process steps or process sequences as well as further details on workpieces are given below by way of example. However, the process steps can also be carried out with other materials and density values achieved. The sintered materials that can be used are generally usable as follows within the scope of the invention, examples of usable materials being given:
  • mixed powder (admixed powders): For example iron powder is mixed with other preferably elementary powders. For example:
    • Ancorsteel 1000 + 1.5-3.5 w / o Cu + 0.6-1.1 w / o graphite + 0.5-1.2 w / o lubricant
    • Ancorsteel 1000B + 1.5-2.2 w / o Ni + 0.4-0.9 w / o graphite + 0.6-1.1 w / o lubricant
  • Partially alloyed, diffusion alloyed powders: A powder in which the alloy component (s) are metallurgically combined with elemental powder or pre-alloyed powder. For example: Distaloy AB, Distaloy 4600A, Distaloy AE, Distaloy 4800A
  • Pre-alloyed powders: Powder consisting of two or more elements that are alloyed during powder production, with the powder particles being evenly distributed. For example: Ancorsteel 4600V, Ancorsteel 2000, Ancorsteel 86, Ancorsteel 150HP
  • Hybrid alloy: pre-alloyed or partially alloyed powder with elemental or iron-alloyed additions, which are mixed to obtain the desired material composition. For example:
    • Ancorsteel 85P + 1.5-2.5 w / o Ni + 0.4-0.8 w / o graphite + 0.55-1.1 w / o lubricant
    • Distaloy AE + 1.5-2.5 w / o Ni + 0.4-0.8 w / o graphite + 0.55-0.95 lubricant
    • Ancorsteel 85HP + 1.1-1.6 w / o FeMn + 0.35-0.65 w / o graphite + 0.6-0.95 lubricant
  1. 1. The workpiece has a core density between 6.5 and 7.5 g / cm 3 . The surface density is more than 7.5 g / cm 3 . A maximum density is created to a depth of 0.1 mm.
    Starting materials for the preform are sintered metal powders, in particular pre-alloyed materials, partially alloyed materials or hybrid alloys.
    A pre-alloyed material is used for cold pressing, sintering in a temperature range between 1100 ° C and 1150 ° C, surface compression, case hardening and subsequent grinding in order to achieve a final shape of a workpiece with teeth.
    With a partially alloyed metallic sintered material, hot pressing at a press temperature in a range between 50 ° C and 80 ° C, high temperature sintering in a range preferably between 1250 ° C and 1280 ° C, surface compression, subsequent vacuum case hardening and honing carried out to achieve a final shape of a workpiece with teeth.
    With a sintered material comprising a hybrid alloy, hot pressing is carried out, in which the powder and the tool are preferably heated. These are preferably heated in a range between 120 ° C and 150 °. This was followed by a sintering step, for example as high-temperature sintering, surface compaction and then induction hardening. Post-treatment can be omitted, for example.
  2. 2. The preform is powder forged. This preform is at least partially surface compacted in the area of the tooth flanks and / or the tooth base. A core density of the workpiece is between 5.7 g / cm 3 and 7.7 g / cm 3 . A surface density in the range of is more than 7.8 g / cm 3 , all remaining preferably in this range Pores on the surface are closed. However, a maximum density down to a depth of 1.5 mm can also be generated.
    A manufacturing process can proceed as follows: selection of the powder material, cold pressing of the powder material, sintering preferably at a temperature around 1120 ° C., then forging, preferably at a temperature around 1000 ° C., possible removal of an oxidation layer, surface compaction, in particular by rolling, Surface hardening, in particular case hardening, and possibly subsequent partial grinding to an end contour. The method can run entirely or partially in a production line.
    A further embodiment provides that a vacuum case hardening is carried out during surface hardening, which is followed by a honing step for partial areas of the toothing.
  3. 3. In particular for the production of rotors and oil pump wheels, a preform made of an aluminum-containing material is surface-compacted in the area of the tooth flanks and / or the tooth feet. A final shape of the toothing is achieved in particular during surface compaction. The core density of the workpiece is preferably between 2.6 g / cm 3 and 2.8 g / cm 3 .
    The sintered material is, for example, hot pressed, for example at a temperature between 40 ° C. and 65 ° C., then dewaxed, for example at a temperature of more than 400 ° C., in particular in a temperature range between 420 ° C. and 440 ° C., then sintered, for example in a temperature range above 550 ° C, in particular in a temperature range between 600 ° C and 630 ° C, then homogenized and cooled, for example to a temperature between 480 ° C and 535 ° C, followed by surface compaction, in particular by rolling. Curing can then take place, for example in a temperature range between 120 ° C. and 185 ° C. for a period between 6 h and 24 h.
  4. 4. The preform is preferably compacted along the tooth flank and the tooth base, two rolling tools in particular being used, in the middle of which the preform is rotatably arranged. Depending on the material, a core density of the workpiece is preferably between 7.2 g / cm 3 and 7.5 g / cm 3 , and a surface density is dependent on the material at least in sections greater than 7.8 g / cm 3 . A maximum density is present in particular up to a depth of 1 mm, possibly also beyond.
    According to one embodiment, the manufacturing steps propose to cold-press pre-alloyed material, then to sinter, in particular in a temperature range between 1100 ° C. and 1150 ° C., to carry out a surface compaction, to carry out a hardening and possibly to partially grind the surface.
    A further embodiment provides for a partially alloyed sintered material to be hot-pressed, in particular in a temperature range between 50 ° C. and 90 ° C., for high-temperature sintering, in particular in a temperature range between 1240 ° C. and 1290 ° C., for surface compaction, a vacuum - Case hardening and possibly honing afterwards.
    Another embodiment provides for hot pressing a hybrid alloy, the powder and the pressing tool preferably being warmed up in a temperature range between 120 ° C. and 160 ° C. After a sintering step, the surface is compacted, followed by hardening, preferably induction hardening.
  5. 5. There is also the possibility that a pre-sintering is followed by a surface compaction and then a re-sintering is again provided as a process step in the production of a workpiece with teeth. The pre-sintering can take place, for example, in a temperature range between 650 ° C to 950 ° C. The re-sintering can take place, for example, at a sintering temperature that is customary for the material, for example between 1050 ° C. and 1180 ° C. There is also the possibility of high-temperature sintering, for example in the range between 1250 ° C and 1280 ° C. After this, hardening and / or post-processing can optionally follow, for example honing or grinding.
    The previous pressing can take place cold, warm or hot, the latter preferably heating the pressing tool and the powder. For example, the hot pressing takes place in a temperature range between 120 ° C and 160 ° C.
  6. 6. Further training provides that a post-sintering step is followed by sinter hardening. This can optionally be followed by grinding or honing.
  7. 7. Another manufacturing process provides for the preform to be compacted at a temperature which is above 150 ° C., in particular above 500 ° C. For example, the preform can be fed directly from a sintering furnace into a surface compaction machine. The preform can have a temperature which is, for example, above 600 ° C., in particular also above 800 ° C. The tool or tools for surface compaction are preferably heated, for example to a temperature of approximately 150 ° C. According to another embodiment, the tool for surface compaction is cooled, preferably by cooling running inside the tool.
  8. 8. Another manufacturing process provides that surface densification takes place while the preform is at least partially heated. In particular, the heating takes place to a temperature that simplifies surface compaction. Induction heating is preferably used for this. This is followed by rapid cooling to create a martensitic structure. In this way, for example, a molding process can be combined with a surface compaction.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Oberflächenverdichtung mit unterschiedlichsten Verfahren ausführbar ist. Eine Ausgestaltung sieht insbesondere vor, dass in einem ersten Bereich die Oberflächenverdichtung mit einem anderen Verfahren ausgeführt wird als in einem zweiten, anderen Bereich. Als Verfahren können dabei eine Strahlverfestigung, ein Kugelstrahlen, eine Verdichtung mittels einer Kugel, mittels einer Walze oder mittels eines anderen rotierbaren Körpers, mittels zahnförmig gestalteter Werkzeuge, insbesondere Walzwerkzeuge und ähnliches zum Einsatz kommen. Diese Verfahren sind auch jeweils einzeln getrennt voneinander geeignet, eine notwendige Oberflächenverdichtung zu erlauben.A further embodiment of the invention provides that surface compaction can be carried out using a wide variety of methods. One embodiment in particular provides that the surface compaction is carried out with a different method in a first area than in a second, different area. Shot blasting, shot peening, compaction by means of a ball, by means of a roller or by means of another rotatable body, by means of tooth-shaped tools, in particular rolling tools and the like, can be used as methods. These methods are also suitable, each separately, to allow the necessary surface compaction.

Beispielsweise wird der Zahnfuß gar nicht oder nur leicht mit einem Werkzeug verdichtet, mit dem auch die Zahnflanke verdichtet wird. Es besteht die Möglichkeit, die Oberfläche in einem Abschnitt so weit zu verdichten, dass nur die Poren an der Oberfläche verschlossen sind. Anschließend kann der Zahnfuß mit einem anderen Werkzeug beziehungsweise Oberflächenverdichtungsverfahren bearbeitet werden. Insbesondere kann darüber eine unterschiedliche Oberflächenverdichtung entlang der Zahnflanke im Vergleich zum Zahnfuß erreicht werden. Beispielsweise lassen sich so unterschiedliche Oberflächenqualitäten, beispielsweise bezüglich der Rauhigkeit, einstellen. Auch kann die maximale Oberflächenvertiefung unterschiedlich aufgrund der verschiedenen Techniken sein. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das gesamte Werkstück mit der Verzahnung eine Oberflächenverdichtung erhält, so zum Beispiel beim Oberflächenstrahlen. Auf diese Weise lassen sich insbesondere auch aluminiumhaltige Sintermaterialien oder andere oxidbildende Sintermaterialien bearbeiten, da mit der Oberflächenverdichtung zusätzlich auch ein Entfernen einer Oxidschicht ermöglich werden kann.For example, the tooth base is not compressed at all or only slightly with a tool that also compresses the tooth flank. It is possible to compress the surface in one section to such an extent that only the pores on the surface are closed. The tooth base can then be processed with another tool or surface compaction method. In particular, a different surface compaction along the tooth flank can be achieved compared to the tooth base. For example, different surface qualities can be set in this way, for example with regard to the roughness. The maximum surface recess may also be different due to the different techniques. Farther there is the possibility that the entire workpiece with the toothing receives a surface compaction, for example during surface blasting. In this way, in particular, aluminum-containing sintered materials or other oxide-forming sintered materials can also be processed, since the surface compaction can also make it possible to remove an oxide layer.

Weiter wird eine Vorform für ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise oberflächengehärteten metallenen Verzahnungselementes verwendet, welches ein verdichtetes Sintermaterial aufweist, wobei eine erste und eine zweite Flanke eines Zahns jeweils voneinander abweichende asymmetrische Aufmaße aufweisen. Des Weiteren ist auch vorgesehen, dass ein erster und ein zweiter Fußbereich eines Zahnes voneinander abweichende, insbesondere asymmetrische Aufmaße aufweisen.Furthermore, a preform is used for a method for producing an at least partially surface-hardened metal toothing element, which has a compressed sintered material, a first and a second flank of a tooth each having asymmetrical dimensions that differ from one another. Furthermore, it is also provided that a first and a second foot region of a tooth have deviating, in particular asymmetrical oversizes.

Ein Verzahnungselement mit einem metallischen Sinterwerkstoff kann zumindest im Bereich wenigstens einer Flanke eines Zahnes des Verzahnungselementes eine lokal variierte Verdichtung aufweist. Bevorzugt wird dadurch eine für viele Anwendungen zweckmäßige Elastizität des pulvermetallurgischen Materials in Verbindung mit einer Oberflächenhärtung ermöglicht. Besonders bevorzugt wird beispielsweise bei Getriebezahnrädern eine Geräuschreduktion bei der Kraftübertragung ermöglicht und gleichzeitig eine gute Verschleißbeständigkeit bereitgestellt.A toothing element with a metallic sintered material can have a locally varied compression at least in the region of at least one flank of a tooth of the toothing element. This preferably enables elasticity of the powder metallurgical material, which is expedient for many applications, in conjunction with surface hardening. With gearwheels, for example, noise reduction during power transmission is particularly preferably made possible and, at the same time, good wear resistance is provided.

Das Verzahnungselement kann ein gradverzahntes Zahnrad sein.The toothing element can be a straight toothed gear.

Insbesondere für eine verbesserte Kraftübertragung wie auch zur Geräuschreduzierung zwischen Zahnrädern kann vorgesehen sein, dass das Verzahnungselement ein schräg verzahntes Zahnrad ist. Des Weiteren kann auch eine Kegelzahnrad vorgesehen sein. Entsprechend der weiter oben angeführten Beschreibung ist es zweckmäßig, wenn einander gegenüberliegende Flanken von Zähnen eines Verzahnungselementes eine asymmetrische Verdichtung aufweisen.
Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn eine asymmetrische Verdichtung in einem Fußbereich vorliegt. Diese Verdichtung ist dabei insbesondere an bei einem verwendungsgemäßem Einsatz auftretende Kräfte angepasst. Zur Vermeidung von Spannungsanrissen ist insbesondere vorgesehen, dass die Tiefe der lokal verdichteten Randschicht nur so hoch ist, dass noch eine ausreichende Elastizität bzw. Steifigkeit des Zahns gewährleistet wird. Besonders bevorzugt ist die Tiefe der verdichteten Randschicht im Fußbereich geringer als auf einer Zahnflanke.
In particular for improved power transmission as well as for noise reduction between gear wheels, it can be provided that the toothing element is a helically toothed gear wheel. Furthermore, a bevel gear can also be provided. According to the description given above, it is expedient if opposing flanks of teeth of a toothing element have an asymmetrical compression.
Furthermore, it is expedient if there is asymmetrical compression in a foot area. This compression is particularly adapted to the forces that occur during use. To avoid stress cracks, it is provided in particular that the depth of the locally compacted edge layer is only so high that sufficient tooth elasticity or rigidity is still ensured. The depth of the compacted edge layer in the foot region is particularly preferably less than on a tooth flank.

Als Sonderform des Verzahnungselementes kann vorgesehen sein, dass das Verzahnungselement eine Nocke ist. Die vorstehenden Ausführungen sind hierauf entsprechend anzuwenden, wobei beispielsweise Flanken der Nocke anstelle der Flanken von Zähnen treten.As a special form of the toothing element it can be provided that the toothing element is a cam. The above statements are to be applied accordingly, for example flanks of the cam replacing the flanks of teeth.

Für ein Material eines Verzahnungselementes können verschiedene Zusammensetzungen vorgesehen werden. In einer ersten Variante ist ein Eisenwerkstoff als Hauptbestandteil des Sinterwerkstoffes und wenigstens ein Legierungsbestandteil aus der Gruppe Kohlenstoff, Molybdän, Nickel, Kupfer, Mangan, Chrom und Vanadium ausgewählt. Eine Eisenlegierung ist beispielsweise Fe -1,0 Cr -0,3 V +0,2 bezogen auf eine Referenz 15CrNiMo6. Eine weitere Eisenlegierung ist beispielsweise Fe-1,5 Mo +0,2C bezogen auf 20MnCr5. Des Weiteren ist beispielsweise als eisenhaltige Legierung Fe -3,5 Mo bezogen auf 16MnCr5 vorgesehen. Ebenso kann beispielsweise die Legierung C 0,2% Cr 0,5% Mn 0,5% Mo 0,5%, wobei der Rest Eisen und Verunreinigung beinhaltet, verwendet werden. Daneben können weitere Zusammensetzungen vorgesehen sein.Different compositions can be provided for a material of a gear element. In a first variant, an iron material is selected as the main component of the sintered material and at least one alloy component from the group consisting of carbon, molybdenum, nickel, copper, manganese, chromium and vanadium. An iron alloy is, for example, Fe -1.0 Cr -0.3 V +0.2 based on a reference 15CrNiMo6. Another iron alloy is, for example, Fe-1.5 Mo + 0.2C based on 20MnCr5. Furthermore, Fe -3.5 Mo based on 16MnCr5 is provided as an iron-containing alloy. Likewise, for example, the alloy C 0.2% Cr 0.5% Mn 0.5% Mo 0.5%, the rest including iron and impurities, can be used. In addition, other compositions can be provided.

Vorzugsweise für eine Verringerung eines Gewichtes eines Verzahnungselementes ist vorgesehen, dass als Hauptbestandteil des Sinterwerkstoffes Aluminium oder Magnesium ausgewählt ist. Eine oberflächenverdichtete Verzahnung aus Sintermaterial kann mindestens 80% Aluminium aufweisen sowie zumindest Kupfer und Magnesium als weitere Sintermaterialien. Eine erste Ausgestaltung sieht vor, dass zusätzlich Silizium als Sintermaterial genutzt wird. Beispielsweise kann Silizium in einem Bereich von etwa 0,45% bis etwa 0,8%, vorzugsweise zwischen 0,6% und 0,75 %. Silizium kann jedoch auch in einem höheren Bereich vorliegen, zum Beispiel zwischen 13% und 17%, insbesondere zwischen 14,5% und 15,5%. Ist der Siliziumanteil höher, wird der Kupferanteil am Sintermaterial verringert. So kann eine erste Mischung beispielsweise Kupfer mit 4% bis 5% Anteil, Silizium mit 0,45% bis etwa 0,8% Anteil, Magnesium mit etwa 0,35% bis 0,7% Anteil und den Rest zumindest hauptsächlich Aluminium aufweisen. Zusätzlich wird vorzugsweise ein Presshilfsmittel hinzugefügt. Dieses kann einen Anteil zwischen 0,8 und 1,8% aufweisen. Beispielsweise kann ein Wachs, insbesondere Amidwachs hierfür genutzt werden. Eine zweite Mischung kann beispielsweise Kupfer mit 2,2% bis 3% Anteil, Silizium mit 13% bis etwa 17% Anteil, Magnesium mit etwa 0,4% bis 0,9% Anteil und den Rest zumindest hauptsächlich Aluminium aufweisen. Ebenfalls kann ein Presshilfsmittel so wie oben beispielhaft angegeben Verwendung finden. Nach einer Oberflächenverdichtung weist zumindest ein Bereich der Verzahnung eine Dichte von beispielsweise mehr als 2,5g/cm3 vorzugsweise bis zur Maximaldichte auf. Vorzugsweise weist ein derartig hergestelltes Werkstück mit einer Verzahnung eine Zugfestigkeit von mindestens 240 N/mm2 und eine Härte von mindestens 90HB auf. Ist der Silizium höher, kann die Dichte insbesondere auch mehr als 2,6 g/cm3 betragen.To reduce the weight of a toothing element, it is preferably provided that aluminum or magnesium is selected as the main constituent of the sintered material. A surface-compressed toothing made of sintered material can have at least 80% aluminum and at least copper and magnesium as further sintered materials. A first embodiment provides that silicon is additionally used as the sintered material. For example, silicon can range from about 0.45% to about 0.8%, preferably between 0.6% and 0.75%. However, silicon can also be present in a higher range, for example between 13% and 17%, in particular between 14.5% and 15.5%. If the silicon content is higher, the copper content of the sintered material is reduced. For example, a first mixture can contain copper with a 4% to 5% content, silicon with 0.45% to about 0.8% content, magnesium with about 0.35% to 0.7% content and the rest at least mainly aluminum. In addition, a pressing aid is preferably added. This can have a share between 0.8 and 1.8%. For example, a wax, especially amide wax, can be used for this. A second mixture can have, for example, copper with a 2.2% to 3% share, silicon with 13% to about 17% share, magnesium with about 0.4% to 0.9% share and the rest at least mainly aluminum. Likewise, a pressing aid can be used, as exemplified above. After surface compaction, at least one area of the toothing has a density of, for example, more than 2.5 g / cm 3 preferably up to the maximum density. A workpiece produced in this way with a toothing preferably has a tensile strength of at least 240 N / mm 2 and a hardness of at least 90HB. If the silicon is higher, the density can in particular also be more than 2.6 g / cm 3 .

Eine zweite Ausgestaltung sieht vor, dass zusätzlich zumindest Zink als Sintermaterial neben Kupfer und Magnesium als Zusätze und Aluminium genutzt wird. Vorzugsweise hat Kupfer einen Anteil in einem Bereich zwischen 1,2% und 2,1%, insbesondere zwischen 1,5% und 1,65%, Magnesium zwischen 1,9% und 3,1%, vorzugsweise zwischen 2,45% und 2,65%, Zink zwischen 4,7% und 6,1%, insbesondere zwischen 2,3% und 5,55%. Der Rest ist zumindest hauptsächlich Aluminium. Zusätzlich kann auch hier ein Presshilfsmittel wie oben beschrieben eingesetzt werden. Ein aus dieser Mischung hergestelltes Werkstück mit einer Verzahnung weist vorzugsweise nach der Oberflächenverdichtung zumindest einen Bereich der Verzahnung auf, bei dem eine Dichte von zumindest 2,58 g/cm3 bis zur Maximaldichte verläuft. Vorzugsweise weist ein derartig hergestelltes Werkstück mit einer Verzahnung eine Zugfestigkeit von mindestens 280 N/mm2 und eine Härte von mindestens 120HB auf.A second embodiment provides that, in addition, at least zinc is used as a sintered material in addition to copper and magnesium as additives and aluminum. Copper preferably has a proportion in a range between 1.2% and 2.1%, in particular between 1.5% and 1.65%, magnesium between 1.9% and 3.1%, preferably between 2.45% and 2.65%, zinc between 4.7% and 6.1%, in particular between 2.3% and 5.55%. The rest is at least mostly aluminum. In addition, a pressing aid as described above can also be used here. A workpiece made from this mixture with a toothing preferably has at least one area of the toothing after the surface compaction, in which a density of at least 2.58 g / cm 3 runs up to the maximum density. A workpiece produced in this way with a toothing preferably has a tensile strength of at least 280 N / mm 2 and a hardness of at least 120HB.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn ein Verzahnungselement mit einem weiteren funktionalen Bauteil, insbesondere einer Welle oder einem weiteren Zahnrad, versintert ist. Insbesondere wird dadurch eine Einhaltung eines präzisen Arbeitsabstandes zwischen mehreren Verzahnungselementen, beispielsweise in einem Getriebe, erleichtert.It is particularly expedient if a toothing element is sintered with a further functional component, in particular a shaft or a further gearwheel. In particular, this makes it easier to maintain a precise working distance between a plurality of toothing elements, for example in a transmission.

Das Verzahnungselement kann Bestandteil einer Pumpe sein. Beispielsweise handelt es sich um eine evolventisches Zahnrad, welches mit einem weiteren evolventischen Zahnrad in Eingriff gebracht ist.The gear element can be part of a pump. For example, it is an involute gear, which is brought into engagement with another involute gear.

Nachfolgend wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines zumindest teilweise oberflächenverdichteten Verzahnungselementes und zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens mit einer an ein unterschiedliches Aufmaß angepassten Werkzeugsteuerung erläutert. Die Vorrichtung umfasst dabei insbesondere wenigstens ein Walzwerkzeug, welches bevorzugt mit Hilfe der angepassten Werkzeugsteuerung vorzugsweise unter einem angepassten Druck und/oder gesteuertem Weg in einem angepassten Eingriff auf die Vorform einwirken kann. Insbesondere umfasst die Vorrichtung ein Walzwerkzeug mit einer verzahnten Oberfläche, welche mit der Verzahnung des Verzahnungselementes in Eingriff bringbar und darauf abwälzbar ist.A device for producing an at least partially surface-compressed toothing element and for carrying out a method described above with a tool control adapted to a different allowance is explained below. The device comprises in particular at least one rolling tool, which can preferably act on the preform in an adapted engagement with the aid of the adapted tool control, preferably under an adapted pressure and / or controlled path. In particular, the device comprises a rolling tool with a toothed surface which can be brought into engagement with the toothing of the toothing element and can be rolled thereon.

Eine Vorrichtung zur Herstellung eines zumindest teilweise oberflächengehärteten Verzahnungselementes aus einer zumindest in einem Oberflächenbereich aus einem Sinterwerkstoff bestehenden Vorform kann ein Werkzeug umfassen, welches eine Kompensation unterschiedlicher Aufmaße bei einer ersten und einer zweiten Flanke eines mittels Wälzbewegung zu verdichtenden Zahns der Vorform aufweist. Das Walzwerkzeug kann dabei eine für die Formgebung notwendige Kontur, beispielsweise eine evolventische Verzahnung, nur auf einer Flanke oder auf beiden Flanken eines Zahnes aufweisen. In einer anderen Variante ist jedoch auch vorgesehen, dass auf jeweils einer ersten und einer zweiten Flanke eines Zahnes der Verzahnung des Walzwerkzeugs jeweils voneinander abweichende Aufmaße vorhanden sind. Dieses kann beispielsweise eine unterschiedliche evolventische Verzahnung sein.A device for producing an at least partially surface-hardened toothing element from a preform consisting at least in one surface area of a sintered material can comprise a tool which has a compensation of different dimensions on a first and a second flank of a tooth of the preform to be compressed by means of rolling motion. The rolling tool can have a contour necessary for shaping, for example an involute toothing, only on one flank or on both flanks of a tooth. In another variant, however, it is also provided that there are different dimensions on each of a first and a second flank of a tooth of the toothing of the rolling tool. This can be a different involute toothing, for example.

Weiter wird ein Verfahren zur Auslegung eines Aufmaßes zur Erzielung einer Oberflächenverdichtung eines sintermetallenen Verzahnungselementes bei einem Wälzvorgang erläutert, wobei das Aufmaß iterativ ermittelt wird. In einem ersten Schritt wird beispielsweise eine Geometrie sowie insbesondere ein Drehmoment und/oder eine Druckverteilung vorgegeben. In einem weiteren Schritt wird beispielsweise eine Auslegung eines Walzwerkzeuges definiert. Des Weiteren wird eine Vorform mit einem lokal definierten Aufmaß ermittelt. Eine Auswahl kann beispielsweise anhand von Datenbibliotheken erfolgen. Eine derartige Datenbibliothek enthält beispielsweise anhand verschiedener Parameter ermittelte experimentelle Dichteverläufe. Des Weiteren kann eine Simulation des Verdichtungs- bzw. Wälzvorganges erfolgen. Dazu wird beispielsweise die Kinematik des Abwälzvorganges in Verbindung mit einer Simulation elastischer und plastischer Eigenschaften der Vorform sowie gegebenenfalls des Walzwerkzeuges simuliert. Für die Simulation der elastischen bzw. plastischen Eigenschaften der Vorform wird beispielsweise auf Modelle der Kontinuumsmechanik in Verbindung mit einer diskreten Lösung mittels beispielsweise Finite-Elemente- bzw. Finite-Volumen-Methoden zurückgegriffen.Furthermore, a method for designing an oversize to achieve a surface compression of a sintered metal gear element during a rolling process is explained, the oversize being determined iteratively. In a first step, for example, a geometry and in particular a torque and / or a pressure distribution are specified. In a further step, for example, a design of a rolling tool is defined. Furthermore, a preform with a locally defined oversize is determined. A selection can be made, for example, using data libraries. Such a data library contains, for example, experimental density profiles determined using various parameters. Furthermore, the compression or rolling process can be simulated. For this purpose, for example, the kinematics of the rolling process is simulated in conjunction with a simulation of elastic and plastic properties of the preform and, if appropriate, of the rolling tool. For the simulation of the elastic or plastic properties of the preform, for example, models of continuum mechanics are used in connection with a discrete solution using, for example, finite element or finite volume methods.

Es kann vorgesehen sein, dass eine Geometrie eines Wälzwerkzeuges iterativ unter Berücksichtigung des Aufmaßes ermittelt wird. Beispielsweise kann ein Aufmaß einer evolventischen Verzahnung des Wälzwerkzeuges ermittelt werden. Entsprechend kann ein Aufmaß für eine andere als eine evolventische Verzahnung ermittelt werden.It can be provided that a geometry of a rolling tool is determined iteratively taking into account the oversize. For example, an oversize of an involute toothing of the rolling tool can be determined. A measurement for a toothing other than involute can be determined accordingly.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass in einem ersten Schritt ein zumindest in einem Bereich einer Flanke eines Zahns lokal variiertes, zumindest punktweise definierbares Aufmaß eines Vorform des Verzahnungselementes anhand wenigstens einer Konstruktionsvorgabe automatisch generiert wird, in einem zweiten Schritt eine Geometrie eines Walzwerkzeuges automatisch generiert wird, in einem dritten Schritt ein Wälzprozess und ein dabei erzeugter lokaler Verlauf einer Verdichtung zumindest einer Randschicht des Verzahnungselementes simuliert wird und in einem vierten Schritt eine automatische Bewertung des erzeugten Verlaufes der Verdichtung mit einer Vorgabe verglichen wird sowie gegebenenfalls das Verfahren ab dem ersten Schritt unter Anwendung wenigstens einer Variation zur Optimierung wiederholt wird, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist. Die Variation erfolgt dabei beispielsweise mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens. Ein Abbruchkriterium ist beispielsweise eine Toleranz zwischen gewünschtem Dichteverlauf und in der Simulation erzieltem Dichteverlauf. Des Weiteren kann ein Abbruchkriterium auch ein Überschreiten einer vorgebbaren Anzahl von Iterationen sein.It can further be provided that, in a first step, an allowance that is locally varied, at least pointwise, at least in a region of a flank of a tooth a preform of the toothing element is automatically generated on the basis of at least one design specification, in a second step a geometry of a rolling tool is automatically generated, in a third step a rolling process and a local course of compression of at least one edge layer of the toothing element generated in this way are simulated and in a fourth step an automatic evaluation of the generated course of the compression is compared with a specification and, if necessary, the process is repeated from the first step using at least one variation for optimization until an abort criterion is met. The variation takes place, for example, with the help of an optimization process. A termination criterion is, for example, a tolerance between the desired density profile and the density profile achieved in the simulation. Furthermore, an abort criterion can also be a predefined number of iterations being exceeded.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Konstruktionsvorgabe aus der Gruppe Materialdichte, Geometrie, Drehmoment und Druckverteilung ausgewählt ist. Das Drehmoment ist hierbei als das bei dem verwendungsgemäßen Einsatzzweck eines Verzahnungselementes auftretendes Drehmoment aufzufassen.It is particularly useful if the design specification is selected from the group of material density, geometry, torque and pressure distribution. The torque is to be understood here as the torque occurring in the intended use of a gear element.

Insbesondere zur Vermeidung von Materialanrissen ist es zweckmäßig, wenn eine Materialspannung zumindest im Bereich der Verdichtung simuliert und insbesondere zur Bewertung herangezogen wird. Bevorzugt wird dadurch vermieden, dass eine Oberfläche zwar ausreichend gehärtet wird, jedoch aufgrund von Spannungen spröde ist und zu Spannungsrissen neigt.In particular, in order to avoid material cracks, it is expedient if a material stress is simulated at least in the area of the compression and is used in particular for the evaluation. This preferably avoids that a surface is sufficiently hardened, but is brittle due to tension and tends to crack.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn zur Variation in einer Datenbankbibliothek hinterlegte Daten verwendet werden. Insbesondere kann dabei auf Verfahren zur Optimierung und zur Datenanalyse beispielsweise mittels neuronalen Netzen zurückgegriffen werden. Des Weiteren werden in der Datenbank hinterlegte Merkmale beispielsweise zur Optimierung mittels eines genetischen Algorithmus verwendet.Furthermore, it is advantageous if data stored in a database library are used for variation. In particular, methods for optimization and data analysis can be used, for example by means of neural networks. Features stored in the database are also used, for example, for optimization using a genetic algorithm.

Zumindest einer der Schritte kann dabei durch eine Vorgabe ersetzt werden. Vorzugsweise wird eine Walzwerkzeuggeometrie fest vorgegeben. Damit wird beispielsweise der Tatsache Rechnung getragen, dass ein Walzwerkzeug wesentlich aufwendiger zu modifizieren ist, als beispielsweise eine Vorform. Eine andere Ausgestaltung sieht eine umgekehrte Vorgehensweise vor. Vorzugsweise wird ausgehend von einer Endform eine Vorform bzw. das Walzwerkzeug zur Herstellung der Endform wie auch das Pressenwerkzeug zur Herstellung der Vorform berechnet.At least one of the steps can be replaced by a specification. A rolling tool geometry is preferably predetermined. This takes into account, for example, the fact that a rolling tool is much more difficult to modify than, for example, a preform. Another embodiment provides a reverse procedure. Starting from a final shape, a preform is preferred or the rolling tool for producing the final shape as well as the press tool for producing the preform.

Es wird ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln vorgeschlagen, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind, um zumindest eines der oben beschriebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird. Ein computerlesbares Medium ist beispielsweise ein magnetisches, ein magnetooptisches oder ein optisches Speichermedium. Des Weiteren wird beispielsweise ein Speicherchip verwendet. Daneben kann ein computerlesbares Medium auch mittels eines Fernspeichers, beispielsweise mittels eines Computernetzwerkes realisiert sein.A computer program product is proposed with program code means which are stored on a computer-readable medium in order to carry out at least one of the methods described above when the program is executed on a computer. A computer-readable medium is, for example, a magnetic, a magneto-optical or an optical storage medium. A memory chip is also used, for example. In addition, a computer-readable medium can also be realized by means of a remote memory, for example by means of a computer network.

Das Computerprogramm kann beispielsweise in einer Maschine zur Oberflächenverdichtung hinterlegt sein. Auch kann eine Berechnung getrennt von der Maschine zur Oberflächenverdichtung erfolgen. Die Maschine verfügt jedoch über eine Steuerung, insbesondere eine weg- und/oder kraftgeführte Steuerung, in der die Koordinaten und Bewegungsabläufe eingebbar sind, um die Vorform zu verdichten.The computer program can, for example, be stored in a machine for surface compaction. A calculation can also be carried out separately from the machine for surface compaction. However, the machine has a control system, in particular a path-controlled and / or force-controlled control system, in which the coordinates and movement sequences can be entered in order to compress the preform.

Es wird eine Presswerkzeugform vorgesehen, mit der eine Vorform aus Sintermaterial gepresst werden kann, die nachfolgend auf eine Endform oberflächenverdichtet wird. Diese Presswerkzeugform ist iterativ berechnet. Vorzugsweise wird dabei ebenfalls von Daten einer Endkontur des Werkstücks mit dessen Verzahnung ausgegangen.A pressing tool mold is provided with which a preform made of sintered material can be pressed, which is subsequently surface-compacted onto a final mold. This mold shape is calculated iteratively. Preferably, data of an end contour of the workpiece with its toothing are also used as the starting point.

Auch kann ein Walzprüfstand vorgesehen sein, der die Möglichkeit bietet, Testwalzungen für unterschiedlichste Oberflächenverdichtungen vornehmen zu können. Darüber können insbesondere auch Daten ermittelt werden, die ausgewertet in die Berechnungsverfahren eingehen können. Beispielsweise können hierfür geeignete Kennwerte aus einer Vielzahl von Messungen gebildet werden. Darüber können beispielsweise Startwerte für die iterative Berechnung von Vorform, Werkzeug oder Presswerkzeug erfolgen. Auch kann der Walzprüfstand eine automatisierte Vermessung von oberflächenverdichteten Werkstücken, die eine Verzahnung aufweisen, besitzen.
Im folgenden werden weitere Gedanken vorgeschlagen, die mit den bisherigen vorgeschlagenen Aspekten kombiniert aber auch unabhängig davon ausführbar sind.
A roller test stand can also be provided, which offers the possibility of being able to carry out test rolling for a wide variety of surface densifications. In particular, data can also be determined in this way, which can be evaluated and included in the calculation methods. For example, suitable characteristic values can be formed from a large number of measurements. Starting values for the iterative calculation of preform, tool or pressing tool can be made using this. The roller test stand can also have an automated measurement of surface-compacted workpieces that have teeth.
In the following, further ideas are proposed which are combined with the previously proposed aspects but can also be carried out independently of them.

Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung aus verdichtetem Sintermaterial vorgesehen, wobei eine vorverdichtete Zahnvorform zumindest in einem Bereich mittels iterativ ermittelter Daten zumindest um 0,05 mm an ihrer Oberfläche auf ihre Endform verdichtet wird, und eine Güte der Endform zumindest in einem Bereich von mindestens f = 4, Fα = 7 und F = 7 erzielt wird. Hierbei bedeuten f die Abweichung bezüglich der Verzahnung, Fα die totale Abweichung und f die Profilformabweichung der Flanken. Die angegebenen Werte entsprechen den DIN-Klassen bezüglich der Abweichung.Furthermore, a method for producing a toothing from compressed sintered material is provided, wherein a pre-compressed tooth preform at least in one area by means of iteratively determined data has at least 0.05 mm on its surface on its final shape is compressed, and a quality of the final shape is achieved at least in a range of at least f = 4, F α = 7 and F = 7. Here, f Hα means the deviation in terms of the toothing, F α the total deviation and f the profile shape deviation of the flanks. The specified values correspond to the DIN classes with regard to the deviation.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Iteration Parameter berücksichtigt, die ein Werkstoffverhalten bei einem Oberflächenverdichten der Zahnform betreffen. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Iteration zur Bestimmung einer Vorform von eingegebenen Daten ausgeht, die aus einer Vorgabe der Endform entnommen werden. Vorzugsweise wird zumindest ein Walzwerkzeug eingesetzt, welches die gleiche Güte aufweist wie die später erstellte Endform. Durch die iterative Bestimmung und dadurch äußerst genaue Bearbeitung bei der Oberflächenverdichtung wird ermöglicht, das die Güte des Werkzeugs auf die Vorform übertragen werden kann. Insbesondere ermöglicht die äußerst genaue Oberflächenverdichtung, dass die Verzahnung nach dem Oberflächenverdichten ohne weiteren materialabtragenden Nachbearbeitungsschritt diese Güte der Endform aufweist. Beispielsweise wird ein Werkstück mit der Verzahnung eine Kerndichte von mindestens 7,4 g/cm3 hergestellt mit einer Oberflächendichte, die zumindest in einem Bereich einer Zahnflanke maximal ist, wobei die maximale Oberflächendichte sich in dem Bereich zumindest 0,02 µm in die Tiefe erstreckt.According to a development, it is provided that an iteration takes into account parameters which relate to a material behavior when the tooth shape is surface-compacted. One embodiment provides that an iteration to determine a preform is based on input data that are taken from a specification of the final shape. At least one rolling tool is preferably used, which has the same quality as the final shape created later. The iterative determination and therefore extremely precise processing during surface compaction enables the quality of the tool to be transferred to the preform. In particular, the extremely precise surface compaction enables the toothing to have this quality of the final shape after the surface compaction without a further material-removing finishing step. For example, a workpiece with the toothing is produced with a core density of at least 7.4 g / cm 3 with a surface density that is at a maximum in at least one area of a tooth flank, the maximum surface density in the area extending at least 0.02 μm in depth .

Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung aus verdichtetem Sintermaterial vorgesehen, wobei eine vorverdichtete Zahnvorform zumindest in einem Bereich mittels iterativ ermittelter Daten auf ihre Endform verdichtet wird, und eine Rauhigkeit in dem Bereich gegenüber der Vorform um zumindest 400 % verbessert wird, wobei eine Oberflächenhärte von zumindest 130 HB eingestellt wird. Vorzugsweise wird eine Kerndichte der Endform eingestellt, die zumindest eine Dichte von 7,3 g/cm3 aufweist, und eine Oberflächenhärte aufgeprägt, die einen konvexen Verlauf von der Oberfläche hin zu einer Mitte der Endform aufweist.Furthermore, a method for producing a toothing from compressed sintered material is provided, wherein a pre-compressed tooth preform is compressed to its final shape at least in one area by means of iteratively determined data, and a roughness in the area is improved by at least 400% compared to the preform, with a surface hardness of at least 130 HB. Preferably, a core density of the final shape is set which has at least a density of 7.3 g / cm 3 , and a surface hardness is impressed which has a convex shape from the surface to a center of the final shape.

Die Verzahnung aus vorverdichtetem Material weist in einem ersten oberflächenverdichteten Bereich eine Rauhigkeit aufweist, die um mindestens 400 % kleiner ist als eine Rauhigkeit in einem zweiten Bereich, der geringer oder gar nicht oberflächenverdichtet ist. Die Rauhigkeit Rz beträgt beispielsweise im ersten Bereich weniger als 1 µm. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Oberflächenhärte von zumindest 700 HV [0,3] an der Oberfläche der Endform vorliegt, während in einer Tiefe von 0,4 mm von der Oberfläche zumindest eine Härte von 500 HV [0,3] vorhanden ist. Eine andere Ausgestaltung weist eine Oberflächenhärte von zumindest 700 HV [0,3] an der Oberfläche einer Zahnflanke und in einem Zahngrund auf, wobei eine Härte von zumindest 500 HV [0,3] in einer Tiefe von 0,6 mm von der Oberfläche im Zahngrund und eine Härte von zumindest 500 HV [0,3] in einer Tiefe von 0,8 mm von der Oberfläche an der Zahnflanke vorliegt. Durch die Herstellung der Oberflächenverdichtung wird ermöglicht, genaue Verdichtungen wie auch Härtungen entsprechend gewünschter Vorgaben gezielt einstellen zu können.The teeth made of pre-compressed material have a roughness in a first surface-compressed area that is at least 400% smaller than a roughness in a second area that is less or not surface-compressed at all. The roughness R z is, for example, less than 1 μm in the first region. Another embodiment provides that there is a surface hardness of at least 700 HV [0.3] on the surface of the final shape, while at a depth of 0.4 mm from the surface there is at least a hardness of 500 HV [0.3] . Another embodiment has a surface hardness of at least 700 HV [0.3] on the surface of a tooth flank and in a tooth base, a hardness of at least 500 HV [0.3] at a depth of 0.6 mm from the surface in the tooth base and a hardness of at least 500 HV [0.3] at a depth of 0.8 mm from the surface on the tooth flank. The production of surface compaction makes it possible to set precise compaction as well as hardening according to the desired specifications.

Nun wird noch ein Berechnungsverfahren zur Auslegung einer Vorform einer Verzahnung aus Sintermaterial erläutert, wobei Daten in das Berechnungsverfahren eingehen, die aus einer vorgegebenen Endform der Verzahnung ermittelt werden, in Abhängigkeit von zumindest einer Verwendungsbedingung der Endform ein oder mehrere Belastungsparameter der Verzahnung ermittelt werden, ein lokales Aufmaß der Vorform berechnet wird, die mit einer erwarteten Verdichtung der Vorform an der Oberfläche korreliert, wobei eine Belastung des Sintermaterials unterhalb der Oberfläche in die Berechnung mit eingeht.A calculation method for the design of a preform of a toothing made of sintered material is now explained, wherein data are included in the calculation method, which are determined from a predetermined final shape of the toothing, depending on at least one condition of use of the final shape, one or more load parameters of the toothing are determined local allowance of the preform is calculated, which correlates with an expected compression of the preform on the surface, a load on the sintered material below the surface being included in the calculation.

Vorzugsweise wird der Berechnung zusätzlich ein Eindringen des Werkzeugs in das herzustellende Werkstück bei der Berechnung zugrundegelegt wird, wobei insbesondere das Verhalten des Sintermaterials beim Eindringen und nach dem Eindringen Berücksichtigung finden kann. Beispielsweise sieht das Berechnungsverfahren vor, dass ein elastisches Verformen des zu verdichtenden Sintermaterials berücksichtigt wird. Auch kann das Berechnungsverfahren vorsehen, dass ein elastisch-plastisches Verformen des an der Oberfläche zu verdichtenden Sintermaterials berücksichtigt wird. Vorzugsweise geht eine Tiefe einer maximalen Belastung unterhalb der Oberfläche beispielsweise bei einer Verwendung des Werkstücks als kraftübertragendes Zahnrad in das Berechnungsverfahren ein. Das Berechnungsverfahren kann weiterhin ein Schrumpfen des Sintermaterials beim Sintern in die Berechnung eingehen lassen. Auch können empirisch ermittelte Daten ebenfalls in die Berechnung eingehen.Preferably, the calculation is additionally based on penetration of the tool into the workpiece to be produced during the calculation, the behavior of the sintered material during penetration and after penetration being taken into account in particular. For example, the calculation method provides that elastic deformation of the sintered material to be compressed is taken into account. The calculation method can also provide that elastic-plastic deformation of the sintered material to be compacted on the surface is taken into account. A depth of a maximum load below the surface is preferably included in the calculation method when the workpiece is used as a force-transmitting gear. The calculation method can further include shrinkage of the sintered material in the calculation during sintering. Empirically determined data can also be included in the calculation.

Ein Berechnungsverfahren zur Auslegung eines Werkzeugs zur Oberflächenverdichtung einer Vorform einer Verzahnung aus insbesondere verdichtetem Sintermaterial zur Erstellung einer vorgegebenen Zahngeometrie kann umfassen, dass ermittelte Daten aus der vorgegebenen, herzustellenden Zahngeometrie zur Berechnung von Werkzeugmaschinenkinematiken unter Berücksichtigung von miteinander assoziierten Maschinenachen eines Werkstückes, aus dem das herzustellende Werkzeug geformt wird, und zumindest eines Werkzeugformgebers, deren gekoppelter Systemkoordinaten und deren Bewegung zueinander, iterativ miteingehen. Damit besteht nun die Möglichkeit, anstatt über wiederholte Versuche, Messergebnisse und Anpassungen des Werkstückformgebers schließlich eine endgültige Form zu finden, dieses mittels einer iterativen Berechnung durchzuführen. Dieses ist wesentlich zeitersparender und ermöglicht die Berücksichtigung unterschiedlichster Einflussparameter. Insbesondere ist auch eine Simulation der Auslegung ermöglicht, so dass beispielsweise eine Wirkweise des herzustellenden Werkzeugs auf eine ausgelegte Vorform in der Simulation überprüfbar wird.A calculation method for designing a tool for the surface compression of a preform of a toothing made of, in particular, compacted sintered material for creating a predetermined tooth geometry can include that determined data from the predetermined tooth geometry to be produced for the calculation of machine tool kinematics, taking into account associated machine tools of a workpiece, from which the workpiece to be produced Tool is formed, and at least one tool former, whose coupled system coordinates and their movement to one another, are iteratively included. So now there is the possibility, instead of repeated Attempts to finally find measurement results and adaptations of the workpiece former to a final form, to carry this out using an iterative calculation. This is much more time-saving and enables a wide range of influencing parameters to be taken into account. In particular, a simulation of the design is also made possible, so that, for example, an operation of the tool to be manufactured on a designed preform can be checked in the simulation.

In das Berechnungsverfahren können Kontaktbedingungen zwischen dem herzustellenden Werkstück und dem Werkzeugformgeber zwischen einer Spitze und einem Fuß der Verzahnung eingehen. Vorzugsweise geht hierbei auch im Bereich eines Fußes der Verzahnung eine maximale Spannung an der Oberfläche in die Berechnung mit eingeht. Des weiteren besteht die Möglichkeit, dass im Bereich einer Flanke der Verzahnung eine maximale Spannung unterhalb der Oberfläche in die Berechnung mit eingeht. Dieses Verfahren ist insbesondere für Sintermaterialien geeignet, aber auch bei Stahlwerkstücken oder Werkstücken aus anderen Werkstoffen.The calculation method can include contact conditions between the workpiece to be manufactured and the tool form maker between a tip and a foot of the toothing. Preferably, a maximum tension on the surface is also included in the calculation in the region of a base of the toothing. Furthermore, there is the possibility that a maximum tension below the surface is included in the calculation in the area of a flank of the toothing. This method is particularly suitable for sintered materials, but also for steel workpieces or workpieces made of other materials.

Weiter wird ein Pressformwerkzeug mit einer Pressengeometrie zur Herstellung einer Vorform einer Verzahnung aus Sintermaterial beschrieben, wobei die Pressengeometrie eine an ein Oberflächenverdichten der Verzahnung angepassten Verlauf mit zumindest einer Erhebung aufweist, die zumindest im Bereich der Verzahnung der Vorform eine Vertiefung erzeugt, die mit Sintermaterial beim Oberflächenverdichten auffüllbar ist.Furthermore, a compression molding tool with a press geometry for producing a preform of a toothing made of sintered material is described, the press geometry having a course adapted to a surface compression of the toothing with at least one elevation, which at least in the area of the toothing of the preform produces a depression which is made with sintered material during the Surface compaction is refillable.

Vorzugsweise bewirkt die Erhebung auf einer Stirnseite der Vorform eine Vertiefung im Bereich eines Kopfes eines Zahnes der Verzahnung. Beispielsweise durch iterative Berechnung lässt sich die Höhe der Erhebung bzw. Tiefe der Vertiefung wie auch weitere Abmessungen hiervon bestimmen. Eine weitere Ausgestaltung sieht anstatt einer einseitigen Erhebung vor, dass eine beidseitige Erhebung vorgesehen ist, um an beiden Stirnseiten des Zahnes jeweils eine Vertiefung zu bewirken. Die Erhebung ist gemäß einer Weiterbildung in einem Bereich der Geometrie angeordnet, der auf einem Zahnkopf der Vorform eine Vertiefung bewirkt, wobei die Erhebung eine Abmessung, dass die geformte Vertiefung zumindest teilweise ein Wachsen des Zahnkopfes aufgrund der Bearbeitung der Vorform in die Endform durch das Oberflächenverdichten zumindest vermindert. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Vorform mit zumindest einer Vertiefung an einer Stirnseite einer Verzahnung zum Ausgleich eines Materialaufwurfes bei einem Oberflächenverdichten einer Lauffläche der Verzahnung berechnen und insbesondere fertigen. Auch lässt sich auf diese Weise eine Vorform mit zumindest einer Vertiefung auf einem Zahnkopf einer Verzahnung zum zumindest Vermindern eines Wachsens des Zahnkopfes in die Höhe bei einem Oberflächenverdichten zumindest der Flanken der Verzahnung berechnen und insbesondere fertigen. Das Berechnungsverfahren zur Ermittlung einer Geometrie einer Vorform oder eines Pressformwerkzeugs sieht vorzugsweise vor, dass die Geometrie ausgehend von Daten einer Endform der Vorform bestimmt und zumindest eine Vertiefung oder Erhebung berechnet wird, die zumindest teilweise einen Ausgleich einer Materialverschiebung beim Oberflächenverdichten bewirkt.The elevation on an end face of the preform preferably causes a depression in the region of a head of a tooth of the toothing. For example, the height of the elevation or depth of the depression as well as further dimensions thereof can be determined by iterative calculation. Another embodiment provides, instead of a one-sided elevation, that a bilateral elevation is provided in order to bring about a depression on both end faces of the tooth. According to a further development, the elevation is arranged in a region of the geometry which causes a depression on a tooth tip of the preform, the elevation being such that the shaped depression at least partially causes the tooth tip to grow due to the processing of the preform into the final shape by surface compaction at least diminished. In this way, for example, a preform with at least one recess on an end face of a toothing to compensate for a material throw-up when a running surface of the toothing is compacted can be calculated and in particular manufactured. A preform with at least one recess on one can also be made in this way Calculate and, in particular, manufacture a tooth head of a toothing for at least reducing the tooth head from growing in height with a surface compaction of at least the flanks of the toothing. The calculation method for determining a geometry of a preform or a compression molding tool preferably provides that the geometry is determined on the basis of data of a final shape of the preform and at least one depression or elevation is calculated, which at least partially compensates for a material shift during surface compaction.

Weiter wird ein Verfahren zur Oberflächenverdichtung einer Verzahnung vorgeschlagen, wobei eine Anzahl einer zu wiederholenden Verdichtungsbewegung eines Formwerkzeuges zum Oberflächenverdichten einer Fläche an der Vorform iterativ berechnet wird. Vorzugsweise wird ein Überrollen bis zum Erreichen einer vorbestimmtem Oberflächendichte iterativ berechnet. Eine Weiterbildung sieht vor, dass ein Vorschub des Formwerkzeuges iterativ berechnet wird. Gemäß einer Ausgestaltung erfolgt weniger als 20 mal ein Überrollen der Vorform zur Erzielung der vorgegebenen Geometrie einer Endform des Oberflächenverdichtens. Vorzugsweise erfolgt weniger als 10 mal das Überrollen. Insbesondere wird weniger als 6 mal ein Überrollen der Vorform durchgeführt, bis eine vorgegebene Geometrie einer Endform des Oberflächenverdichtens erreicht wird. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass mit dem Erreichen noch keine Beendigung der Oberflächenverdichtung stattfindet. Vielmehr wird anschließend noch mehrmals, insbesondere weniger als 25 mal, vorzugsweise weniger als 15 mal, weiter das Werkzeug auf der Oberfläche abgefahren. Dadurch wird eine Genauigkeit der Oberflächengestalt sichergestellt.Furthermore, a method for the surface compression of a toothing is proposed, wherein a number of a repetitive compression movement of a molding tool for surface compression of a surface on the preform is calculated iteratively. Rollover is preferably calculated iteratively until a predetermined surface density is reached. A further development provides that a feed of the molding tool is calculated iteratively. According to one embodiment, the preform is rolled over less than 20 times in order to achieve the predetermined geometry of a final shape of the surface compaction. Rolling is preferably carried out less than 10 times. In particular, the preform is rolled over less than 6 times until a predetermined geometry of a final shape of the surface compaction is achieved. It must be taken into account here that the surface compaction does not end when it is reached. Rather, the tool is then moved over the surface several times, in particular less than 25 times, preferably less than 15 times. This ensures an accuracy of the surface shape.

Weiter wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein reversierendes Rollen an einer Verzahnung aus Sintermaterial ausgeführt wird, um die Vorform zur Endform eines Oberflächenverdichtens zu verdichten. Vorzugsweise wird vor einer Richtungsumkehr ein kurzes Entlasten der Vorform durch das Formwerkzeug erfolgt. Es hat sich herausgestellt, dass durch das Reversieren, das bedeutet, durch die Umkehr der Bewegung eine vergleichmäßigte Verdichtung sich schaffen lässt. Darüber hinaus gelang es, Probleme bei der Fertigung noch weiter zu minimieren, indem der Druck des Werkzeuges auf das Werkstück verringert wurde, bevor die Bewegungsumkehr einsetzt. Dabei kann das Werkzeug mit dem Werkstück in Kontakt bleiben. Es kann aber auch sich kurz von der Oberfläche lösen.Furthermore, a method is proposed in which a reversing rolling is carried out on a toothing made of sintered material in order to compress the preform to the final shape of a surface compaction. Before the direction is reversed, the preform is preferably relieved briefly by the molding tool. It has been found that by reversing, that is, by reversing the movement, a uniform compression can be created. In addition, manufacturing problems were further minimized by reducing the pressure of the tool on the workpiece before the movement reversal started. The tool can remain in contact with the workpiece. But it can also detach itself from the surface for a short time.

Weiter wird eine Oberflächenverdichtung eines Werkstücks mit zumindest einer Verzahnung aus Sintermaterial vorgeschlagen, wobei eine erste Oberfläche des Werkstücks mit einem anderen Verfahren verdichtet ist als eine zweite Oberfläche des Werkstücks. Vorzugsweise weist eine erste Verzahnung des Werkstücks eine andere Verdichtung aufweist als eine zweite Verzahnung des Werkstücks. Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine Innenverzahnung des Werkstücks eine andere Oberflächenverdichtung erfährt als eine Außenverzahnung des Werkstücks. Auch besteht die Möglichkeit, dass eine Außenverzahnung mittels eines Wälzverfahrens oberflächenverdichtet ist, während eine zweite Fläche eine Bohrung ist, die mit einem anderen Verfahren oberflächenverdichtet ist. Vorzugsweise erhält eine Bohrung im Werkstück nach einem Oberflächenverdichten eine gehärtete Oberfläche und wird anschließend auf eine Endform gebracht. Dieses erlaubt die Nutzung der Bohrung für eine Welle oder eine Achse. Eine Verbesserung der Genauigkeit ist dadurch erzielbar dass nach einer Härtung der Verzahnung eine Oberflächenverdichtung erfolgt.Furthermore, a surface compaction of a workpiece with at least one toothing made of sintered material is proposed, with a first surface of the workpiece with another method is compacted than a second surface of the workpiece. A first toothing of the workpiece preferably has a different compression than a second toothing of the workpiece. A further development provides that an internal toothing of the workpiece undergoes a different surface compression than an external toothing of the workpiece. There is also the possibility that an external toothing is surface-compressed by means of a rolling method, while a second surface is a bore which is surface-compressed by another method. After a surface compaction, a hole in the workpiece is preferably given a hardened surface and is subsequently brought to a final shape. This allows the bore to be used for a shaft or an axis. An improvement in the accuracy can be achieved by surface densification after hardening of the toothing.

Eine Welle mit zumindest einer ersten und mit einer zweiten Verzahnung kann so ausgeführt sein, dass die erste Verzahnung aus Sintermaterial gewälzt und oberflächenverdichtet ist. Im folgenden werden Merkmale bezüglich der Welle beziehungsweise der Verzahnungen angegeben. Hierbei kann für weitere Ausgestaltungen insbesondere auch die weitere Offenbarung bezüglich der Verzahnung, der Materialien, der Herstellungsschritte usw. genutzt werden.A shaft with at least a first and with a second toothing can be designed such that the first toothing is rolled out of sintered material and is surface-compressed. Features regarding the shaft and the toothing are given below. In this case, the further disclosure relating to the toothing, the materials, the manufacturing steps, etc. can be used in particular for further configurations.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die Welle eine zweite Verzahnung auf, die nach einem anderen Verfahren hergestellt ist als die erste Verzahnung. Dieses ermöglicht eine Vielzahl an Kombinationen, die für jeden Beanspruchungsfall verschiedene Materiallösungen vorsieht. Die zweite Verzahnung bildet gemäß einer weiteren Ausgestaltung mit der ersten Verzahnung ein Werkstück. Beispielsweise können beide Verzahnungen zusammen in einer Pressmaschine hergestellt worden sein. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Verzahnung iterativ berechnet und entsprechend hergestellt worden. Gemäß einer Ausgestaltung kann die Herstellung nacheinander, gemäß einer anderen Ausgestaltung aber auch gleichzeitig erfolgen. Insbesondere gilt dieses auch für weitere Bearbeitungsschritte wie zum Beispiel eine Oberflächenverdichtung.According to one embodiment, the shaft has a second toothing, which is produced by a different method than the first toothing. This enables a multitude of combinations, which provide different material solutions for each stress situation. According to a further embodiment, the second toothing forms a workpiece with the first toothing. For example, both teeth can be produced together in one press. The first and the second toothing are preferably calculated iteratively and produced accordingly. According to one embodiment, production can take place in succession, but according to another embodiment it can also take place simultaneously. In particular, this also applies to further processing steps such as surface compaction.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass die zweite Verzahnung eine gehärtete Oberfläche ohne Oberflächenverdichtung aufweist. Für einige Belastungsfälle ist die durch das Sintern erzielte Dichte oder dem verwendeten Material innewohnende Festigkeit ausreichend. Dieses gilt beispielsweise für Pumpenanwendungen.A further development provides that the second toothing has a hardened surface without surface compaction. For some load cases, the density achieved by sintering or the inherent strength of the material used is sufficient. This applies, for example, to pump applications.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest die erste Verzahnung zumindest an einem Zahn jeweils verschiedene Flankensteigungen auf gleicher Höhe des Zahns aufweist. Dieses ist bei Anwendungen vorteilhaft, bei denen eine Hauptdrehrichtung und insbesondere nur eine Drehrichtung der Welle vorgegeben ist. Die unterschiedlichen Flankensteigungen können dadurch verschleiß- und geräuschmindernd ausgelegt werden.Furthermore, it has proven to be advantageous if at least the first toothing has different flank slopes at the same height of the tooth at least on one tooth. This is advantageous in applications in which a main direction of rotation and in particular only one direction of rotation of the shaft is specified. The different flank slopes can thus be designed to reduce wear and reduce noise.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die zweite Verzahnung geschmiedet ist. Sie kann zusätzlich oberflächenverdichtet sein. Diese Verzahnung kann beispielsweise eine größere Kraftübertragung aufnehmen als die erste Verzahnung.Another embodiment provides that the second toothing is forged. It can also be surface-compacted. This toothing can take up, for example, a greater power transmission than the first toothing.

Vorzugsweise ist die zweite Verzahnung aus einem anderen Material als die erste Verzahnung ist. Beispielsweise ist die zweite Verzahnung aus Stahl. Die zweite Verzahnung kann jedoch auch aus einem anderen Sintermaterial bestehen als die erste Verzahnung. Zusätzlich kann die Welle ebenfalls aus Sintermaterial sein. Sie kann beispielsweise das gleiche Material wie die erste Verzahnung aufweisen. Auch kann die Welle zumindest zusammen mit der ersten Verzahnung gebildet werden, d.h. aus Pulvermaterial verpresst werden, vorzugsweise in einer gemeinsamen Pressform.The second toothing is preferably made of a different material than the first toothing. For example, the second toothing is made of steel. However, the second toothing can also consist of a different sintered material than the first toothing. In addition, the shaft can also be made of sintered material. For example, it can have the same material as the first toothing. The shaft can also be formed at least together with the first toothing, i.e. be pressed from powder material, preferably in a common mold.

Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Welle kann auch vorsehen, dass zumindest die erste Verzahnung eine Oberflächenverdichtung erhält und eine Bohrung zur Aufnahme der Welle oberflächenverdichtet, gehärtet und anschließend gehont wird, bevor die Welle und die erste Verzahnung miteinander verbunden werden. Hierfür erfolgt vorzugsweise ausgehend von einer Endform der Welle mit der ersten Verzahnung eine iterative Berechnung einer Vorform der ersten Verzahnung.An exemplary method for producing the shaft described above can also provide that at least the first toothing is surface-compressed and a bore for receiving the shaft is surface-compressed, hardened and then honed before the shaft and the first toothing are connected to one another. For this purpose, an iterative calculation of a preform of the first toothing is preferably carried out starting from a final shape of the shaft with the first toothing.

Bevorzugte Anwendungen für eine derartige Welle ergeben sich in der Kraftfahrzeugtechnik wie auch im Getriebebau sowie bei Haushaltsgeräten.Preferred applications for such a shaft arise in automotive engineering as well as in gear construction and in household appliances.

Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenverdichtung an einer Verzahnung vorgeschlagen, wobei zumindest zwei Vorformen gleichzeitig eine Oberflächenverdichtung in einer Vorrichtung erhalten.Furthermore, a method for producing a surface compaction on a toothing is proposed, wherein at least two preforms receive surface compaction in one device at the same time.

Gemäß einer Ausgestaltung werden die Vorformen auf parallel angeordneten Wellen angeordnet und gelangen gleichzeitig in Eingriff mit zumindest einem Werkzeug zur Oberflächenverdichtung.According to one embodiment, the preforms are arranged on shafts arranged in parallel and at the same time come into engagement with at least one tool for surface compaction.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung werden zumindest zwei Vorformen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und gemeinsam in Eingriff mit zumindest einem Werkzeug zur Oberflächenverdichtung gebracht.According to a second embodiment, at least two preforms are arranged on a common shaft and are brought together into engagement with at least one tool for surface compaction.

Mit einer Vorrichtung zur Herstellung einer Oberflächenverdichtung an einer Verzahnung kann erreicht werden, dass zumindest zwei Vorformen zur Oberflächenverdichtung in der Vorrichtung haltbar und gleichzeitig bearbeitbar sind.With a device for producing a surface compaction on a toothing, it can be achieved that at least two preforms for surface compaction are durable in the device and can be machined at the same time.

Beispielsweise ist vorgesehen, dass eine Bewegung zumindest einer Welle vorgesehen ist, bei der beide Vorformen in Eingriff mit einem Werkzeug zur Oberflächenverdichtung gelangen. Eine Weiterbildung sieht vor, dass zumindest drei Wellen für zumindest zwei Vorformen und zumindest ein Werkzeug parallel zueinander angeordnet sind und ein Dreieck bilden, wobei zumindest eine der Wellen auf die beiden anderen Wellen zubewegbar ist. Eine weiter Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest zwei Vorformen auf einer gemeinsamen Welle anbringbar sind, wobei das Werkzeug eine größere Länge aufweist als eine addierte Länge zumindest beider Vorformen. Vorzugsweise können die Vorformen mit ihren Stirnflächen aneinander liegen. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen den Vorformen ein Abstand angeordnet ist, wobei das Werkzeug längs der Welle über beide äußeren Stirnflächen der Vorformen hinausragt.For example, it is provided that a movement of at least one shaft is provided, in which both preforms come into engagement with a tool for surface compaction. A further development provides that at least three shafts for at least two preforms and at least one tool are arranged parallel to one another and form a triangle, wherein at least one of the shafts can be moved towards the other two shafts. A further embodiment provides that at least two preforms can be attached to a common shaft, the tool having a greater length than an added length of at least both preforms. The preforms can preferably lie against one another with their end faces. Another embodiment provides that a distance is arranged between the preforms, the tool protruding along the shaft over both outer end faces of the preforms.

Ein Bauteil mit einer oberflächenverdichteten Verzahnung aus Sintermaterial kann über einen Querschnitt betrachtet, einen Gradienten bezüglich verwendeter Sintermaterialien aufweisen.A component with a surface-compressed toothing made of sintered material can, viewed over a cross section, have a gradient with respect to the sintered materials used.

Vorzugsweise weist das Bauteil einen Gradient auf, der eine Sprungfunktion aufweist. Die Sintermaterialien sind zumindest in diesem Bereich mit einer Übergangsgrenze versehen. Gemäß einer Ausgestaltung ist diese Übergangsgrenze entlang der gesamten Fläche zwischen ersten und zweiten Sintermaterial vorhanden. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass in einem Bereich keine feste Grenze sondern ein gradueller Übergang vorliegt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Bauteil verschiedene Sintermaterialen aufweist, die sich ineinander erstrecken, ohne eine ausgeprägte Durchmischungszone mit steigendem oder abnehmendem Gradienten aufzuweisen.The component preferably has a gradient that has a step function. The sintered materials are provided with a transition limit at least in this area. According to one embodiment, this transition boundary is present along the entire area between the first and second sintered material. Another embodiment provides that there is no fixed boundary in one area but a gradual transition. In particular, it can be provided that the component has different sintered materials that extend into one another without having a pronounced mixing zone with increasing or decreasing gradient.

Gemäß einer ersten Variante des Bauteils kann das Sintermaterial der Verzahnung eine geringere Kerndichte aufweisen als das Sintermaterial eines sich an die Verzahnung anschließenden Bereich des Bauteils. Eine zweite Variante des Bauteil sieht vor, dass das Sintermaterial der Verzahnung eine höhere Kerndichte aufweist als das Sintermaterial eines sich an die Verzahnung anschließenden Bereichs des Bauteils.According to a first variant of the component, the sintered material of the toothing can have a lower core density than the sintered material of an adjoining the toothing Area of the component. A second variant of the component provides that the sintered material of the toothing has a higher core density than the sintered material of an area of the component adjoining the toothing.

Eine weitere Variante weist ein Bauteil auf, das eine erste Verzahnung mit einem ersten Sintermaterial hat und eine zweite Verzahnung mit einem zweiten Sintermaterial hat.Another variant has a component that has a first toothing with a first sintered material and a second toothing with a second sintered material.

Vorzugsweise weist eine Verzahnung unterschiedliche Flankenwinkel an einem ein Zahn auf gleicher Höhe auf.A toothing preferably has different flank angles on a tooth at the same height.

Beispielsweise kann ein erstes Sintermaterial in einem äußeren Bereich des Bauteils angeordnet sein und die Verzahnung bilden, und ein zweites Sintermaterial ist in einem inneren Bereich des Bauteils angeordnet und bildet eine Bohrung.For example, a first sintered material can be arranged in an outer region of the component and form the toothing, and a second sintered material is arranged in an inner region of the component and forms a bore.

Des weiteren wird Verfahren zur Herstellung einer oberflächenverdichteten Verzahnung an einem Bauteil vorgeschlagen, wobei ein erstes Sintermaterial in eine Form eingelassen wird, bevor ein zweites Sintermaterial hinzugeführt wird, anschließend ein Verpressen und Sintern erfolgt und mittels einer Oberflächenverdichtung der Verzahnung nur eines der beiden Sintermaterialen verdichtet, während das andere Sintermaterial keinerlei Veränderung erfährt.Furthermore, a method for producing a surface-compressed toothing on a component is proposed, wherein a first sintered material is let into a mold before a second sintered material is added, then compression and sintering is carried out and only one of the two sintered materials is compressed by means of surface compression of the toothing. while the other sintered material does not change.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine zweiter Oberflächenverdichtung ausgeführt wird, die nur das noch nicht oberflächenverdichtete Sintermaterial betrifft. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste Sintermaterial zumindest eine Oberfläche der Verzahnungsflanken bildet und das zweite Material eine Unterfütterung der Verzahnung bildet.A further development provides that a second surface compaction is carried out, which only affects the sinter material that has not yet been surface-compacted. It is preferably provided that the first sintered material forms at least one surface of the tooth flanks and the second material forms a relining of the toothing.

Ein weiteres vorgeschlagenes Verfahren zur Herstellung einer oberflächenverdichteten Verzahnung an einem Bauteil sieht vor, ein erstes Sintermaterial in eine Form einzulassen, bevor ein zweites Sintermaterial hinzugeführt wird, anschließend ein Verpressen und Sintern auszuführen und mittels einer Oberflächenverdichtung der Verzahnung das erste und das zweite Sintermaterial zu verdichten.Another proposed method for producing a surface-compressed toothing on a component provides for a first sintered material to be let into a mold before a second sintered material is added, then for pressing and sintering and for compressing the first and the second sintered material by means of surface compression of the toothing .

Für die Durchführung der Verfahren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass ein Bewegungsablauf zur Oberflächenverdichtung unter Berücksichtung eines Materialverhaltens von zumindest einem der beiden Sintermaterialien iterativ bestimmt wird.For the implementation of the method, it has proven to be advantageous that a movement sequence for surface compaction is iteratively determined taking into account a material behavior of at least one of the two sintered materials.

Eine Weiterbildung für beide Verfahren sieht vor, dass zwischen der Form, insbesondere einer Pressform, und einem einzufüllenden Sintermaterial eine Relativdrehung wirkt, so dass das Sintermaterial in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit der Relativdrehung sich in einem äußeren Bereich der Form ansammelt.A development for both methods provides that a relative rotation acts between the mold, in particular a press mold, and a sintered material to be filled in, so that the sintered material collects in an outer region of the mold as a function of a speed of the relative rotation.

Im übrigen kann auch vorgesehen sein, dass das erste und zumindest das zweite Sintermaterial zumindest über einen Zeitraum überlappend der Form zugegeben werden.In addition, it can also be provided that the first and at least the second sintered material are added to the mold at least over a period of time.

Des weiteren wird auf die US 5,903,815 verwiesen. Aus dieser gehen verschiedene Sintermaterialien, Bedingungen für Sintermaterialien, Formen, Grundsätze bezüglich der Verarbeitung von zwei oder mehr Sintermaterialien, Anwendungen und Verfahrensschritte hervor. Diesbezüglich wird im Rahmen der Offenbarung auf den Inhalt dieser Druckschrift verwiesen, der zum Offenbarungsgehalt dieser Erfindung gehört.Furthermore, the US 5,903,815 referred. Various sintered materials, conditions for sintered materials, shapes, principles relating to the processing of two or more sintered materials, applications and process steps are derived from this. In this regard, reference is made within the scope of the disclosure to the content of this publication, which belongs to the disclosure content of this invention.

Weiter wird vorgeschlagen, dass insbesondere bei einem geschmiedetem Zahnrad, Kettenrad oder Zahnkranz das Herstellungsverfahren neben dem Oberflächenverdichtungsschritt der Verzahnung auch ein Schleifen oder Honen der verdichteten Zahnflanken und oder Zahnfüße vorgesehen wird. Vorzugsweise ist durch das Schmieden eine Dichte von zumindest 7,6 g/cm3 als Kerndichte erzielt. Das Oberflächenverdichten kann daher eine Vollverdichtung und/oder auch eine Präzision der Gestalt der Verzahnung bewirken. Eine Weiterbildung sieht vor, dass für einen materialabtragenden Bearbeitungsschritt nach dem Oberflächenverdichten ein Aufmaß für diesen Schritt in einem Bereich 4 µm bis 8 µm Material über dem Endmaß steht. Wird anstatt eines Schmiedens ein Verpressen, Sintern und Härten, insbesondere Einsatzhärten ausgeführt, so wird für ein Honen vorzugsweise 30 µm bis 50µm und für en Schleifen 50µm bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,1 mm bis 0,2 mm an Aufmaß nach dem Oberflächenverdichten zur Verfügung gestellt. Durch die iterative Berechnung wird ermöglicht, die Bereiche und Aufmasse vorab ermitteln und später im Verfahren auch so umsetzen zu können. Für eine Bohrung im Zahnrad, Kettenrad oder Zahnkranz wird vorzugsweise ebenfalls eine Oberflächenverdichtung vorgesehen, gefolgt von einem Härten und anschließendem vorzugsweise Honem. Die Bohrung kann dafür ebenfalls nach dem Oberflächenverdichten noch über ein Aufmass zwischen 30 µm und 50 µm verfügen.It is further proposed that, in particular in the case of a forged gear, sprocket or ring gear, in addition to the surface compression step of the toothing, the production method is also provided for grinding or honing the compressed tooth flanks and or tooth feet. The forging preferably achieves a density of at least 7.6 g / cm 3 as the core density. Surface compaction can therefore bring about full compaction and / or precision in the shape of the toothing. A further development provides that for a material-removing processing step after the surface compaction, an allowance for this step is in a range of 4 μm to 8 μm material above the final dimension. If, instead of forging, pressing, sintering and hardening, in particular case hardening, is carried out, for honing it is preferably 30 μm to 50 μm and for grinding 50 μm to 0.3 mm, preferably 0.1 mm to 0.2 mm, according to the allowance Surface compaction provided. The iterative calculation makes it possible to determine the areas and dimensions in advance and to be able to implement them later in the process. For a hole in the gear, sprocket or ring gear, a surface compaction is preferably also provided, followed by hardening and then preferably honing. The bore can also have an allowance between 30 µm and 50 µm after the surface compaction.

Ein weiterer Vorteil hat sich ergeben, wenn eine Schmierung beim Oberflächenverdichten erfolgt. Neben der Nutzung von Emulsionen kann insbesondere auch mit Ölen geschmiert werden. Dieses ist bevorzugt bei einem Warmwalzen, zum Beispiel bei Temperaturen von über 220°C. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, das Warmwalzen bei einer Temperatur zwischen 500°C und 600°C durchzuführen, wobei vorzugsweise eine Ölkühlung genutzt wird, um einerseits zu schmieren, andererseits auch das Werkzeug zu kühlen.Another advantage has arisen when lubrication occurs during surface compaction. In addition to the use of emulsions, oils can also be used for lubrication. This is preferred for hot rolling, for example at temperatures of over 220 ° C. In addition, it is proposed to carry out the hot rolling at a temperature between 500 ° C. and 600 ° C., oil cooling preferably being used to lubricate on the one hand and to cool the tool on the other hand.

Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft im Einzelnen anhand der Zeichnung erläutert. Diese dargestellten Ausgestaltungen sind jedoch nicht beschränkend für den Umfang und bezüglich Einzelheiten der Erfindung auszulegen. Vielmehr sind die aus den Figuren hervorgehenden Merkmale nicht auf die jeweils einzelnen Ausgestaltungen beschränkt. Vielmehr sind diese Merkmale mit jeweils anderen, in der Zeichnung oder/und in der Beschreibung einschließlich der Figurenbeschreibung angegebenen Merkmale jeweils zu nicht näher dargestellten Weiterbildungen kombinierbar.The invention is explained in detail below by way of example with reference to the drawing. However, these illustrated embodiments are not to be interpreted as limiting the scope and details of the invention. Rather, the features emerging from the figures are not limited to the individual configurations. Rather, these features can be combined with other features specified in the drawing and / or in the description, including the description of the figures, to form further developments, which are not shown in any more detail.

Es zeigen:

Fig. 1
eine Wälzanordnung,
Fig. 2
einen ersten Zahn,
Fig. 3
einen zweiten Zahn,
Fig. 4
einen dritten Zahn,
Fig. 5 bis 7
verschiedene Aufmaßverläufe verschiedener Verzahnungselemente,
Fig. 8
ein erstes Verfahrensschema,
Fig. 9
ein zweites Verfahrensschema,
Fig. 10
einen Aufmaßverlauf eines Verzahnungselementes eines Wälzwerkzeuges,
Fig. 11
eine schematische Ansicht einer berechneten Vertiefung an einer Stirnseite,
Fig. 12
eine schematische Ansicht berechneter Extremfälle von Werkzeugen,
Fig. 13
eine schematische Ansicht eines Vorgehens bei der iterativen Berechnung und Verknüpfungen bei einer Simulation,
Fig. 14,
eine Ansicht von Dichteverläufen in Abhängigkeit von verschiedenen Ausgangsdichten der verwendeten Vorformen,
Fig. 15
einen Überblick über die ermittelten Fehler, die bei unterschiedlichen Oberflächenverdichtungsschritten auftreten und das Materialverhalten mitcharakterisieren,
Fig. 16
einen Härteverlauf in HV auf einer Flanke einer Verzahnung bei verschiedenen Oberflächenverd ichtungsschritten,
Fig. 17
einen Härteverlauf in HV in einem Fußbereich einer Verzahnung bei verschiednen Oberflächenverdichtungsschritten,
Fig. 18
eine schematische Ansicht von verschiedenen berechneten Aufmassverläufen für verschiedene Dichten,
Fig. 19
eine schematische Darstellung von Parametern, die in die iterative Berechnung eingehen können.
Show it:
Fig. 1
a rolling arrangement,
Fig. 2
a first tooth,
Fig. 3
a second tooth,
Fig. 4
a third tooth,
5 to 7
different dimensions of different gearing elements,
Fig. 8
a first procedural scheme,
Fig. 9
a second process scheme,
Fig. 10
an oversize curve of a gear element of a rolling tool,
Fig. 11
1 shows a schematic view of a calculated depression on one end face,
Fig. 12
a schematic view of calculated extreme cases of tools,
Fig. 13
1 shows a schematic view of a procedure in the iterative calculation and links in a simulation,
Fig. 14
a view of density curves depending on different initial densities of the preforms used,
Fig. 15
an overview of the determined errors that occur with different surface compaction steps and characterize the material behavior,
Fig. 16
a hardness curve in HV on a flank of a toothing with different surface compaction steps,
Fig. 17
a hardness curve in HV in the base area of a toothing in various surface compaction steps,
Fig. 18
1 shows a schematic view of different calculated measurement curves for different densities,
Fig. 19
a schematic representation of parameters that can be included in the iterative calculation.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Wälzanordnung in schematischer Ansicht. Ein erstes Walzwerkzeug 101 mit einer ersten Verzahnung 102 ist um eine erste Achse 103 in einer Rotationsrichtung 104 drehbar gelagert. Die erste Verzahnung 102 befindet sich mit einer zweiten Verzahnung 105 einer Vorform 106 in Eingriff. Die Vorform 106 ist um eine zweite Achse 107 drehbar gelagert. Entsprechend resultiert eine zweite Rotationsrichtung 108. Des Weiteren befindet sich die zweite Verzahnung 105 mit einer dritten Verzahnung 109 eines zweiten Walzwerkzeuges 110 im Eingriff. Dieses zweite Walzwerkzeug 110 ist um eine dritte Achse 111 in einer dritten Rotationsrichtung 112 drehbar gelagert. Beispielsweise können die erste Achse 103 oder die zweite Achse 107 Festachsen sein, während die beiden andern Achsen eine Zustellbewegung ausführen können. Beispielsweise ist die dritte Achse 111 in einer Verschiebungsrichtung 113 längs einer Verbindungslinie 114 der ersten 103, der zweiten 107 und der dritten Achse 111 verschiebbar. Beispielsweise kann ein Maßwalzvorgang vorgenommen werden. Hierbei werden insbesondere Zahnflanken lediglich geringfügig verdichtet und insbesondere nicht die Zahngründe verdichtet. Hierbei kommt es zu einer Oberflächenverdichtung in einem gewünschten Bereich. Bei einer Oberflächenverdichtung kann andererseits auch nur oder auch zusätzlich der Zahngrund oberflächenverdichtet werden. Beispielsweise findet dafür während eines Walzvorganges eine fortschreitende Verschiebung in Richtung der Verschiebungsrichtung 113 statt. Insbesondere wird mittels des ersten und des zweiten Walzwerkzeuges 101, 110 auch ein Bereich der Zahnfüße der Vorform 106 verdichtet. Zur Verstellung des ersten und/oder des zweiten Walzwerkzeuges 110 sowie zur Aufprägung eines für einen Walzvorgang notwendigen Druckes ist eine nicht dargestellte Verstellvorrichtung vorzugsweise mit einem Getriebe vorgesehen. Darüber können insbesondere auch sehr hohe Drücke aufgebracht werden. Fig. 1 shows an exemplary rolling arrangement in a schematic view. A first rolling tool 101 with a first toothing 102 is rotatably mounted about a first axis 103 in a direction of rotation 104. The first toothing 102 is in engagement with a second toothing 105 of a preform 106. The preform 106 is rotatably mounted about a second axis 107. A second direction of rotation 108 results accordingly. Furthermore, the second toothing 105 is in engagement with a third toothing 109 of a second rolling tool 110. This second rolling tool 110 is rotatably mounted about a third axis 111 in a third direction of rotation 112. For example, the first axis 103 or the second axis 107 can be fixed axes, while the other two axes can execute an infeed movement. For example, the third axis 111 can be displaced in a displacement direction 113 along a connecting line 114 of the first 103, the second 107 and the third axis 111. For example, a dimension rolling process can be carried out. Here, tooth flanks in particular are only slightly compressed and in particular the tooth bases are not compressed. This results in surface compaction in a desired area. In the case of surface compaction, on the other hand, the tooth base can also be surface-compacted only or additionally. For example, a progressive shift takes place in the direction of the shift direction 113 during a rolling process. In particular, a region of the tooth feet of the preform 106 is also compacted by means of the first and second rolling tools 101, 110. To adjust the first and / or the second rolling tool 110 and to impress a pressure necessary for a rolling process, an adjusting device, not shown, is preferably provided with a gear. Very high pressures can also be applied in particular.

Fig. 2 zeigt einen ersten Zahn 201 eines nicht dargestellten zugehörigen Verzahnungselementes. Bei diesem Verzahnungselement handelt es sich um ein Zahnrad. Eine Geometrie des Verzahnungselementes bzw. des ersten Zahnes 201 ist dabei durch einen ersten Fußkreis 202, einen ersten Fußnutzkreis 203, einen ersten Wälzkreis 204 und einen ersten Kopfkreis 205 charakterisiert. An einer ersten Flanke 206 weist der erste Zahn 201 vor einem Walzvorgang einen ersten Aufmassverlauf 207 auf. Nach einem beendeten Walzvorgang resultiert ein erster Endmaßverlauf 208, wobei entsprechend eine erste verdichtete Randschicht 209 resultiert. Schematisch dargestellt ist diese durch eine erste Verdichtungsgrenzlinie 210 begrenzt. Diese Linie begrenzt den Bereich des ersten Zahns 201, innerhalb dessen die volle Dichte erreicht wird. Die volle Dichte ist dabei vorzugsweise bezogen auf eine Dichte eines vergleichbaren pulvergeschmiedeten Zahns. Fig. 2 shows a first tooth 201 of an associated toothing element, not shown. This gear element is a gear. A geometry of the toothing element or of the first tooth 201 is characterized by a first root circle 202, a first root useful circle 203, a first pitch circle 204 and a first tip circle 205. On a first flank 206, the first tooth 201 has a first oversize curve 207 before a rolling process. After an ended Rolling results in a first gauge block course 208, correspondingly resulting in a first compacted edge layer 209. This is shown schematically by a first compression boundary line 210. This line delimits the area of the first tooth 201 within which the full density is reached. The full density is preferably based on a density of a comparable powder-forged tooth.

Fig. 3 zeigt einen zweiten Zahn 301 eines nicht dargestellten Verzahnungselementes. Bei diesem Verzahnungselement handelt es sich ebenfalls um ein Zahnrad. Zweiter Zahn 301 und Zahnrad sind durch einen zweiten Kopfkreis 302, einen zweiten Wälzkreis 303, einen zweiten Fußnutzkreis 304 und einen zweiten Fußkreis 305 charakterisiert. Zur Erzielung eines an einer zweiten Flanke 306 und einer dritten Flanke 307 identischen Verdichtungsverlaufes ist ein zweiter Aufmaßverlauf 308 und ein dritter Aufmaßverlauf 309 vorgesehen. Nach einem Walzvorgang resultiert auf der zweiten Flanke 306 ein zweiter Endmaßverlauf 310 und auf der dritten Flanke 307 ein dritter Endmaßverlauf 311. Des Weiteren resultiert eine zweite Verdichtungsgrenzlinie 312 und eine dritte Verdichtungsgrenzlinie 313. Aufgrund der durch die Wälzbewegung in einer Rotationsrichtung unterschiedlichen Kräfte an der zweiten Flanke 306 und der dritten Flanke 307 sind der zweite Aufmaßverlauf 308 und der dritte Aufmaßverlauf 309 unterschiedlich ausgestaltet. Verdeutlicht wird die unterschiedliche Einwirkung von Kräften an den Zahnflanken 306, 307 bei einem Wälzvorgang durch die dargestellten Gleitgeschwindigkeitsrichtungen. An der zweiten Flanke 306 resultieren eine erste 314 und eine zweite Gleitgeschwindigkeitsrichtung 315. Diese sind ausgehend vom zweiten Wälzkreis 303 in Richtung des zweiten Kopfkreises 302 bzw. in Richtung des zweiten Fußkreises 305 gerichtet. An der dritten Flanke 307 hingegen resultiert eine dritte Gleitgeschwindigkeitsrichtung 316 und eine vierte Gleitgeschwindigkeitsrichtung 317, die gegeneinander gerichtet sind. Fig. 3 shows a second tooth 301 of a toothing element, not shown. This gear element is also a gear. The second tooth 301 and the gearwheel are characterized by a second tip circle 302, a second pitch circle 303, a second root useful circle 304 and a second root circle 305. A second oversize profile 308 and a third oversize profile 309 are provided to achieve an identical compression profile on a second flank 306 and a third flank 307. After a rolling process, a second gauge block curve 310 results on the second flank 306 and a third gauge block curve 311 on the third flank 307. Furthermore, a second compression limit line 312 and a third compression limit line 313 result. Due to the different forces on the second due to the rolling movement in one direction of rotation Flank 306 and third flank 307, the second oversize profile 308 and the third oversize profile 309 are configured differently. The different effects of forces on the tooth flanks 306, 307 during a rolling process are illustrated by the sliding speed directions shown. A first 314 and a second sliding speed direction 315 result on the second flank 306. Starting from the second pitch circle 303, these are directed in the direction of the second tip circle 302 and in the direction of the second root circle 305. On the third flank 307, however, results in a third sliding speed direction 316 and a fourth sliding speed direction 317, which are directed towards each other.

Fig. 4 zeigt einen dritten Zahn 401 eines nicht dargestellten Verzahnungselementes. Bei diesem Verzahnungselement handelt es sich ebenfalls um ein Zahnrad. Zahnrad und dritter Zahn 401 sind wiederum durch einen dritten Kopfkreis 402, einen Kopfnutzkreis 403, einen dritten Wälzkreis 404, einen dritten Fußnutzkreis 405 sowie durch einen dritten Fußkreis 406 charakterisiert. Bei dem gezeigten dritten Zahn 401 handelt es sich um eine Verzahnung mit einer Kopfrücknahme, vorzugsweise in Form einer Kopfabrundung. Es sind jedoch auch andere Geometrien in diesem Bereich möglich. Dabei ist in einem Zahnkopfbereich 401.1 zwischen dem dritten Kopfkreis 402 und dem Kopfnutzkreis 403 ein Zahnprofil zurückgenommen. Dies führt dazu, dass in diesem Bereich der Zahn nicht mit einer evolventischen Gegenverzahnung in Eingriff tritt. In diesem Fall liegt ein aktiver Zahnbereich lediglich im Bereich zwischen dem Kopfnutzkreis 403 und dem Fußnutzkreis 405 bzw. zwischen dem Kopfnutzkreis 403 und dem dritten Fußkreis 406. Ein vierter Aufmassverlauf 407 resultiert nach einem Walzvorgang in einer vierten Verdichtungsgrenzlinie 408. Des Weiteren wird auf der vierten Flanke 409 ein vierter Endmaßverlauf 410 erzielt. Fig. 4 shows a third tooth 401 of a toothing element, not shown. This gear element is also a gear. Gearwheel and third tooth 401 are in turn characterized by a third tip circle 402, a tip usage circle 403, a third pitch circle 404, a third root usage circle 405 and a third root circle 406. The third tooth 401 shown is a toothing with a head relief, preferably in the form of a rounded head. However, other geometries are also possible in this area. A tooth profile is withdrawn in a tooth tip region 401.1 between the third tip circle 402 and the tip usable circle 403. As a result, the tooth does not engage with an involute counter-toothing in this area. In this case there is an active one Tooth area only in the area between the head circle 403 and the foot circle 405 or between the head circle 403 and the third circle 406. A fourth measurement curve 407 results after a rolling process in a fourth compression limit line 408. Furthermore, a fourth gauge block curve 410 is formed on the fourth flank 409 achieved.

Fig. 5 zeigt einen Aufmaßverlauf zwischen zwei benachbarten Zähnen eines nicht dargestellten Verzahnungselementes. Bei diesem Verzahnungselement handelt es sich wiederum um ein Zahnrad. Zahnrad und Zähne sind durch einen vierten Fußkreis 502, einen vierten Nutzfußkreis 503 der Vorform, einen fünften Nutzfußkreis 504 der Vorform nach einem Schleifvorgang, einen vierten Kopfkreis 505 nach einem Fräsvorgang und einen fünften Kopfkreis 506 nach einem Finishingvorgang charakterisiert. Nach einem Walzvorgang resultiert ein fünfter Endmaßverlauf 507. Auf der Abzissenachse ist eine laterale Abmessung in Millimetern aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist die entsprechend dazu senkrecht ausgerichtete laterale Abmessung ebenfalls in Millimetern aufgetragen. Die Verzahnung verläuft dabei vollständig in der Zeichenebene. Fig. 5 shows an oversize curve between two adjacent teeth of a toothing element, not shown. This gear element is in turn a gear wheel. Gear and teeth are characterized by a fourth root circle 502, a fourth useful circle 503 of the preform, a fifth useful circle 504 of the preform after a grinding process, a fourth circle 505 after a milling process and a fifth circle 506 after a finishing process. After a rolling process, a fifth gauge block curve 507 results. A lateral dimension in millimeters is plotted on the abscissa axis. On the ordinate axis, the corresponding lateral dimension, which is oriented perpendicular thereto, is also plotted in millimeters. The gearing runs completely in the drawing plane.

Fig. 6 zeigt eine Zusammenstellung weiterer Aufmaßverläufe. Auf der Abzissenachse ist die nomierte Bodenlänge entlang einer Flankenlinie eines Verzahnungselementes dargestellt. Diese Bogenlinie bezieht sich dabei jeweils auf einen Verlauf von einem Zahnkopf eines ersten Zahns zu einem Zahnkopf eines benachbarten Zahns. Auf der oberen Abzissenachse ist entsprechend die absolute Bogenlänge der entsprechenden Flankenlinie in Millimetern dargestellt. Die linke Ordinatenachse gibt ein Aufmaß in Millimetern an. Die rechte Ordinatenachse beschreibt den entsprechenden Radius der zugehörigen Verzahnung. Dargestellt sind ein sechster Aufmaßverlauf 601, ein siebter Aufmaßverlauf 602 und ein achter Aufmaßverlauf 603. Des Weiteren ist ein zugehöriger Radius 604 der entsprechenden Verzahnung dargestellt. Der sechste Aufmaßverlauf 601 und der achte Aufmaßverlauf 603 sind hierbei symmetrisch zu einer Zahngrundsymmetrielinie 605 ausgeführt. Der siebte Aufmaßverlauf 607 ist dagegen unsymmetrisch ausgestaltet. In der Nähe der Zahnsymmetriegrundlinie 605, also im Zahngrundbereich, weisen die Aufmaße jeweils ein lokales Minimum auf. Damit wird eine Verminderung eines Spannungsriss-Risikos begünstigt. Fig. 6 shows a compilation of further measurement courses. On the axis of the abscissa, the nominal floor length is shown along a flank line of a gear element. This curve line relates to a course from a tooth head of a first tooth to a tooth head of an adjacent tooth. The absolute arc length of the corresponding flank line is shown in millimeters on the upper axis of the abscissa. The left ordinate axis indicates an oversize in millimeters. The right ordinate axis describes the corresponding radius of the associated toothing. A sixth oversize curve 601, a seventh oversize curve 602 and an eighth oversize curve 603 are shown. Furthermore, an associated radius 604 of the corresponding toothing is shown. The sixth oversize curve 601 and the eighth oversize curve 603 are designed symmetrically to a tooth base symmetry line 605. In contrast, the seventh measurement curve 607 is designed asymmetrically. In the vicinity of the tooth symmetry base line 605, that is to say in the area of the tooth base, the measurements each have a local minimum. This promotes a reduction in the risk of stress cracking.

Fig. 7 zeigt einen weiteren Aufmaßverlauf. Gezeigt ist ein neunter Aufmaßverlauf, der von einem linken Zahnkopf 702 zu einem rechten Zahnkopf 703 asymmetrisch verläuft. Wie bereits in Fig. 6 gezeigt ist auch hier ein Aufmaß im Bereich eines Zahngrundes 704 geringer als im Bereich der fünften 705 und der sechsten Flanke 706. Dies dient insbesondere einer Vermeidung von Spannungsanrissen. Fig. 7 shows another measurement course. A ninth measurement curve is shown, which runs asymmetrically from a left tooth head 702 to a right tooth head 703. As already in Fig. 6 An oversize in the area of a tooth base 704 is also shown here less than in the area of the fifth 705 and the sixth flank 706. This serves in particular to avoid stress cracks.

Fig. 8 zeigt ein erstes Verfahrensschema. Ausgehend von einer Zielvorgabe 801, welche die Geometrie, ein zu übertragendes Drehmoment eines Zahnrades und eine Druckverteilung umfasst, wird mit einem ersten Geometrieerzeugungsmodul 802 eine Geometrie eines Walzwerkzeuges generiert. Daneben wird sowohl anhand der Zielvorgabe 801 als auch anhand der Geometrie des Walzwerkzeuges eine Geometrie einer Vorform in einem zweiten Geometrieerzeugungsmodul 803 generiert. In einem ersten Simulationsmodul 804 wird ein Wälzvorgang simuliert. Dabei wird sowohl eine Kinematik des Wälzvorganges als auch der Verdichtungsvorgang, der beim Wälzvorgang hervorgerufen wird, simuliert. Dabei wird insbesondere eine Umverteilung von Material, wie sie zum Beispiel in Fig. 3 skizziert ist, berücksichtigt. Die Simulation einer plastischen Verformung erfolgt hierbei beispielsweise mittels einer Finite-Elemente-Methode. Dieses kann mit einem CAD-Programm gekoppelt werden. Optional kann ein zweites Simulationsmodul 805 zur Simulation einer Verspannung berücksichtigt werden. In dieses Modul gehen sowohl einerseits die Zielvorgabe 801 als auch die Geometrie der Vorform ein. Andererseits ermöglicht das zweite Simulationsmodul 805 des Weiteren eine Korrektur der ermittelten Geometrie der Vorform. Insbesondere können das erste Geometrieerzeugungsmodul 802, das zweite Geometrieerzeugungsmodul 803, das erste Simulationsmodul 804 und gegebenenfalls das zweite Simulationsmodul 805 in einer Optimierungsschleife wiederholt ausgeführt werden. Fig. 8 shows a first process scheme. Starting from a target 801, which includes the geometry, a torque of a gear to be transmitted and a pressure distribution, a geometry of a rolling tool is generated with a first geometry generation module 802. In addition, a geometry of a preform is generated in a second geometry generation module 803 both on the basis of the target 801 and on the basis of the geometry of the rolling tool. A rolling process is simulated in a first simulation module 804. Both a kinematics of the rolling process and the compression process that is caused during the rolling process are simulated. In particular, a redistribution of material, such as that in Fig. 3 is outlined. The plastic deformation is simulated here, for example, using a finite element method. This can be coupled with a CAD program. A second simulation module 805 can optionally be taken into account for simulating a bracing. This module includes both the target 801 and the geometry of the preform. On the other hand, the second simulation module 805 also enables the determined geometry of the preform to be corrected. In particular, the first geometry generation module 802, the second geometry generation module 803, the first simulation module 804 and optionally the second simulation module 805 can be repeatedly executed in an optimization loop.

Fig. 9 zeigt ein zweites Verfahrensschema. In einem ersten Schritt 901 wird ein neunter Aufmaßverlauf 902 eines Zahnprofils 903 generiert. Anschließend wird in einem zweiten Schritt 904 ein zweites Zahnprofil 905 eines dritten Walzwerkzeuges 906 generiert. Daran anschließend wird in einem dritten Schritt 907 ein Walzvorgang simuliert. Dabei wird der Abwälzvorgang des ersten Zahnprofils 903 auf dem zweiten Zahnprofil des Walzwerkzeuges 905 und die daraus resultierende Verdichtung simuliert. Anschließend werden der erste, zweite und dritte Schritt 901, 904, 907 in einer Variation 908 gegebenenfalls wiederholt. Fig. 9 shows a second process scheme. In a first step 901, a ninth measurement curve 902 of a tooth profile 903 is generated. A second tooth profile 905 of a third rolling tool 906 is then generated in a second step 904. Subsequently, a rolling process is simulated in a third step 907. The rolling process of the first tooth profile 903 on the second tooth profile of the rolling tool 905 and the resulting compression are simulated. The first, second and third steps 901, 904, 907 are then optionally repeated in a variation 908.

Fig. 10 zeigt ein Aufmaßverlauf eines Verzahnungselementes eines Walzwerkzeuges. Dargestellt ist ein zehnter Aufmaßverlauf 1001 eines fünften Zahns 1002 eines nicht dargestellten Walzwerkzeuges. An einer siebten Flanke 1003 und einer achten Flanke 1004 des fünften Zahns 1002 ist ein unterschiedliches Aufmaß vorgesehen. An der siebten Flanke 1003 ist eine Materialzugabe vorgesehen, die durch einen ersten Pfeil 1005 angedeutet ist. Dagegen ist auf der achten Flanke 1004 eine Zahnrücknahme vorgesehen, die durch den zweiten Pfeil 1006 angedeutet ist. Das Aufmaß ist in diesem Beispiel bezogen auf ein regelmäßiges Profil einer evolventischen Verzahnung. Durch die unsymmetrischen Ausgestaltungen der beiden Zahnflanken 1003, 1004 wird insbesondere einer unsymmetrischen Materialbelastung eines damit zu verdichtenden Verzahnungselementes Rechnung getragen. Auch kann bezüglich der Endform des Werkstücks ein symmetrisches Profil beider Flanken eines Zahnes mittels dieses Walzwerkzeugs erzielt werden, wofür Ausgleiche im Bereich von vorzugsweise kleiner als 0,1 µm vorgenommen werden. Fig. 10 shows an oversize curve of a gear element of a rolling tool. A tenth dimension curve 1001 of a fifth tooth 1002 of a rolling tool, not shown, is shown. A different allowance is provided on a seventh flank 1003 and an eighth flank 1004 of the fifth tooth 1002. On the seventh Flank 1003 a material addition is provided, which is indicated by a first arrow 1005. In contrast, a tooth relief is provided on the eighth flank 1004, which is indicated by the second arrow 1006. In this example, the measurement is based on a regular profile of an involute toothing. The asymmetrical configurations of the two tooth flanks 1003, 1004 take into account in particular an asymmetrical material load on a toothing element to be compressed therewith. With respect to the final shape of the workpiece, a symmetrical profile of both flanks of a tooth can be achieved by means of this rolling tool, for which compensations in the range of preferably less than 0.1 μm are carried out.

Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht einer berechneten Vertiefung an einer Stirnseite einer Verzahnung. Die Vertiefung dient dazu, eine Wachsen des durch die Oberflächenverdichtung erzielten Verdrängung von Sintermaterial und damit einhergehendem Wachsen des Zahnes in die Höhe und/oder Breite zumindest zu minimieren, wenn nicht sogar auszugleichen. Die Form der Vertiefung ist abhängig vom Aufmaß und von den Abmaßen des Zahnes. Die Form kann iterativ über das Berechnungsverfahren optimiert werden. Eine Simulation ermöglicht eine Abschätzung des späteren tatsächlichen Verhaltens der Vorform. Fig. 11 shows a schematic view of a calculated depression on an end face of a toothing. The depression serves to at least minimize, if not even compensate, for a growth of the displacement of sintered material achieved by the surface compaction and the associated growth of the tooth in height and / or width. The shape of the recess depends on the oversize and the dimensions of the tooth. The shape can be iteratively optimized using the calculation method. A simulation enables the actual behavior of the preform to be estimated later.

Fig. 12 zeigt eine schematische Ansicht berechneter Extremfälle von Werkzeugen für die Oberflächenverdichtung, die berechenbar sind. Ausgangspunkt der Berechnung ist die linke Endgeometrie der Verzahnung. Über die Berücksichtigung von Abrollbedingungen, von Aufmaßparameter und anderer Einflußfaktoren lassen sich iterativ die jeweils in der Mitte und Rechts davon dargestellten Werkzeugformen ermitteln. Fig. 12 shows a schematic view of calculated extreme cases of tools for surface compaction, which can be calculated. The starting point of the calculation is the left end geometry of the toothing. The tool shapes shown in the middle and right of it can be determined iteratively by taking into account rolling conditions, measurement parameters and other influencing factors.

Fig. 13 eine schematische Ansicht eines Vorgehens bei der iterativen Berechnung und Verknüpfungen bei einer Simulation. Ausgehend von den vorgegeben Enddaten des Werkstückes und seiner Verzahnung können die Maschinenkinematiken modelliert werden. Hierbei wird beispielsweise von den einander zugeordneten Maschinenachsen ausgegangen. Über die Kinematiken und funktionalen Verknüpfungen kann sodann mittels der vorhandene Freiheitsgrade eine Optimierung des auszulegenden Werkzeugs vorgenommen werden. Hierbei wird nochmals auf Fig. 12 verwiesen. Die dort dargestellten Beispiele weisen entsprechende Nachteile auf, zum Beispiel zu schwache Fußregion bei der mittleren Darstellung oder zu spitze Kopfgestaltung bei der rechten Darstellung. Über zusätzliche Einflussparameter wie beispielsweise Festigkeitsbetrachtungen und/oder Spannungsverläufe im Material kann sodann eine Iteration hin zu einer für das jeweilige Anforderungsprofil geeigneten Kontur des Werkzeugsausgeführt werden. Für das Werkzeug zur Herstellung der Vorform wird als Ausgangspunkt beispielsweise die ermittelte Endgeometrie mit den berechneten Aufmaßen genommen. Fig. 13 is a schematic view of a procedure in the iterative calculation and links in a simulation. The machine kinematics can be modeled based on the specified end data of the workpiece and its gearing. Here, for example, the mutually assigned machine axes are assumed. The kinematics and functional links can then be used to optimize the tool to be designed using the existing degrees of freedom. This is again on Fig. 12 referred. The examples shown there have corresponding disadvantages, for example, the foot region is too weak in the middle display or the head design is too pointed in the right display. An iteration towards one for the respective requirement profile can then take place via additional influencing parameters such as, for example, strength considerations and / or stress profiles in the material suitable contour of the tool. For the tool for producing the preform, for example, the end geometry determined with the calculated oversizes is taken as the starting point.

Fig. 14 zeigt eine Ansicht von Dichteverläufen in Abhängigkeit von verschiedenen Ausgangsdichten der verwendeten Vorformen. Wird die Dichte der Vorform in ihrem Kern wie auch im Verlauf nach außen hin verändert, ergeben sich Beeinflussungen betreffend des Oberflächenverdichtungsverlaufes. Dieses geht aus der rechten Abbildung der Fig. 14 hervor. Durch Veränderungen der jeweiligen Vorform lässt sich ebenfalls der Dichteverlauf nach einer Oberflächenverdichtung stark beeinflussen. Daher stellen die Ausgangskerndichte wie auch die Gestalt der Vorform wichtige Parameter bei der Iteration und Berechnung dar. Fig. 14 shows a view of density profiles as a function of different initial densities of the preforms used. If the density of the preform is changed in its core as well as in the course towards the outside, there are influences regarding the course of the surface compression. This goes from the right picture of the Fig. 14 forth. By changing the respective preform, the course of density after surface compaction can also be strongly influenced. Therefore, the initial core density as well as the shape of the preform are important parameters in the iteration and calculation.

Fig. 15 gibt einen beispielhaften Überblick über die ermittelten Fehler, die bei unterschiedlichen Oberflächenverdichtungsschritten auftreten und das Materialverhalten mitcharakterisieren. Der Fehler wird in Fehlerklassen gemäß DIN 3972 bzw. DIN 3970 angegeben. Ein wichtiger Punkt bei der Ermittlung einer geeigneten Oberflächenverdichtung durch Abwälzen ist die Profiländerung des abrollenden Werkzeugs. Durch Anwendung des obigen Berechnungsverfahrens für die Vorform und das Walzwerkzeug ist es möglich, auf Basis der ermittelten Ergebnisse das Walzwerkzeug zu modifizieren. Dieses wird in Fig. 15 an einer Vorform mit einer Kerndichte von 7,3 g/cm3 dargestellt, die in Eingriff mit einem nicht modifizierten Satz an Walzwerkzeugen stand und oberflächenverdichtet wurde. In Abhängigkeit von einer Vorschubbewegung des Walzwerkzeuges ändert sich die Geometrie des Zahnrades. Ziel ist es, die angestrebte Endkontur zu erreichen, wie sie vorgegeben ist. Aus den Abbildungen der Fig. 15 sind verschiedene Zustände für unterschiedlich weite Vorschubbewegungen zu entnehmen. Exemplarisch sind links der Profilwinkelfehler, in der Mitte der vollständige Profilformfehler und rechts der Formfehler dargestellt. Gemessen wurden diese an dem jeweils hergestellten Zahnrad. So führt zum Beispiel eine Zahndickenreduktion von 0,27 mm zu einer Profilwinkelabweichung entsprechend der Klasse 7 nach DIN. Um eine notwendige Endform der Zahndickenreduktion zu erreichen, ist aber ein Vorschub um 0,4 mm notwendig. Dieses führt aber zu einem Ansteigen der jeweiligen Fehler. Das bedeutet, dass die gefertigte Endkontur in den anderen Werten außerhalb der notwendigen Güteklassen zu liegen kommt. Daher wird eine Veränderung der Geometrie des Werkzeugs notwendig. Unter Berücksichtigung der aufgefundenen Werte als Eingangswerte lässt sich sodann ein neues Werkzeug bestimmen, wieder die Tests durchführen und auf diese Weise iterativ eine optimierte Geometrie für das Werkzeug bestimmen. Durch die Berechnung wird es ermöglicht, mit beispielsweise zwei oder auch nur einer Iteration eine endgültige Kontur für das Werkzeug bestimmen zu können. Fig. 15 gives an example of an overview of the errors that occur during different surface compaction steps and that characterize the material behavior. The error is specified in error classes according to DIN 3972 or DIN 3970. An important point in determining a suitable surface compaction by rolling is the profile change of the rolling tool. By using the above calculation method for the preform and the rolling tool, it is possible to modify the rolling tool based on the results obtained. This is in Fig. 15 shown on a preform with a core density of 7.3 g / cm 3 , which was in engagement with an unmodified set of rolling tools and was surface compacted. The geometry of the gear wheel changes depending on a feed movement of the rolling tool. The goal is to achieve the desired final contour as specified. From the illustrations of the Fig. 15 different states for different feed movements can be found. The profile angle error is shown as an example on the left, the complete profile shape error in the middle and the shape error on the right. These were measured on the gear manufactured in each case. For example, a tooth thickness reduction of 0.27 mm leads to a profile angle deviation corresponding to class 7 according to DIN. In order to achieve a necessary final form of tooth thickness reduction, a feed of 0.4 mm is necessary. However, this leads to an increase in the respective errors. This means that the finished contour comes to lie in the other values outside the necessary quality classes. It is therefore necessary to change the geometry of the tool. Taking into account the found values as input values, a new tool can then be determined, the tests carried out again and in this way iteratively an optimized geometry for determine the tool. The calculation enables a final contour for the tool to be determined with, for example, two or only one iteration.

Fig. 16 zeigt einen Härteverlauf in HV auf einer Flanke einer Verzahnung aufgetragen über die Distanz von der Oberfläche auf der x-Achse in [mm]. Bei verschiedenen Oberflächenverdichtungsschritten kann durch geeignete Aufmaßwahl wie auch Vorschubbewegung der Profilverlauf der Härte beeinflusst werden. Beispielsweise kann der Verlauf zumindest teilweise konvex oder auch konkav sein. Wie angegeben, hat die mit AVA7-1 bezeichnete Vorform ein größeres Aufmaß besessen als die mit AVA4-2 bezeichnete Vorform. Beide weisen einen entgegengesetzten Verlauf der Härten auf: während im ersten Teil bis zum Erreichen von 550 HVAVA7-1 eine eher konvexe Form aufweist, hat AVA4-2 eine eher konkaven Verlauf. Nach Unterschreiten von 550HV ändert sich dieses. Fig. 16 shows a hardness curve in HV on a flank of a toothing plotted over the distance from the surface on the x-axis in [mm]. With different surface compaction steps, the profile profile of the hardness can be influenced by suitable dimensioning as well as feed movement. For example, the course can be at least partially convex or concave. As indicated, the preform labeled AVA7-1 had a larger oversize than the preform labeled AVA4-2. Both have an opposite course of hardness: while in the first part until 550 HVAVA7-1 has a rather convex shape, AVA4-2 has a more concave course. After falling below 550HV, this changes.

Fig. 17 einen Härteverlauf in HV in einem Fußbereich einer Verzahnung bei verschiedenen Oberflächenverdichtungsschritten. Aufgrund des dortigen geringeren Aufmaßes im Vergleich zum Flankenaufmaß sowie aufgrund der Geometrie ergibt sich ein anderer Härteverlauf. Die Härte fällt anfangs steiler ab, geht dann jedoch annähernd in einen geraden Verlauf mit einer nur noch geringen Neigung über. Fig. 17 a hardness curve in HV in a foot area of a toothing with different surface compaction steps. Due to the smaller oversize there compared to the flank oversize and due to the geometry, the hardness profile is different. The hardness drops more steeply at the beginning, but then almost changes into a straight course with only a slight incline.

Fig. 18 zeigt eine schematische Ansicht von verschiedenen berechneten Aufmassverläufen für verschiedene Dichten auf Basis einer Endzahndicke. Auf der y-Achse ist der Durchmesser aufgetragen. Auf der x-Achse ist das Aufmaß angegeben. D_a bzw. d_a gibt den Kopfnutzkreisdurchmesser bzw. den Kopfkreisdurchmesser an, 0 ist eine Vorgabe eines Aufmasses zum Beispiel durch einen Wert am Teilkreis, d_b ist der Grundkreisdurchmesser. A gibt den Bereich bevorzugter Werte für den Wälzkreisbereich an. B gibt einen kritischen Bereich wieder, da dort schon Werkstoffversagen beim Walzen auftreten kann. Fig. 18 shows a schematic view of different calculated oversize curves for different densities based on a final tooth thickness. The diameter is plotted on the y-axis. The oversize is indicated on the x-axis. D_a or d_a specifies the tip usable circle diameter or the tip circle diameter, 0 is a specification of an oversize, for example by a value on the pitch circle, d_b is the base circle diameter. A indicates the range of preferred values for the pitch circle range. B represents a critical area, since material failure during rolling can already occur there.

Fig. 19 zeigt eine schematische Darstellung von Parametern, die in die iterative Berechnung eingehen können. Insbesondere können dieses Orte der maximalen Beanspruchung sein. Wie im linken Foto dargestellt, können auf der Flanke Pittingschäden auftreten. Daher wird vorzugsweise ein Vergleichsspannungsverlauf herangezogen, bei dem gilt: eine maximale Spannung tritt unterhalb der Oberfläche auf, insbesondere im Bereich eines negativen Schlupfes, daher bevorzugt unterhalb des angegebenen Wälzkreisdurchmessers d_w1. Das rechte Foto gibt einen Zahnbruch aufgrund überhöhter Biegelast an. Daraus folgt für das Berechnungsmodell, dass ein Ort der maximalen Zahnfußbeanspruchung ermittelt und berücksichtigt wird. Dieser kann beispielsweise über die 30°-Tangente nach DIN oder über die Lewis-Parabel nach AGMA ermittelt werden. Für die Vergleichsspannung wird vorzugsweise angenommen, dass eine maximale Spannung and er Oberfläche auftritt. Fig. 19 shows a schematic representation of parameters that can be included in the iterative calculation. In particular, these can be places of maximum stress. As shown in the photo on the left, pitting damage can occur on the flank. A reference stress curve is therefore preferably used, in which the following applies: a maximum stress occurs below the surface, in particular in the region of a negative slip, and therefore preferably below the specified pitch circle diameter d_w1. The right photo shows a tooth break due to excessive bending load. From that follows for the calculation model that a location of the maximum tooth foot stress is determined and taken into account. This can be determined, for example, using the 30 ° tangent according to DIN or using the Lewis parabola according to AGMA. For the comparison voltage, it is preferably assumed that a maximum voltage occurs on the surface.

Fig. 20 zeigt in schematischer Ansicht eine weitere Möglichkeit, wie beispielsweise gleichzeitig zumindest zwei Vorformen verdichtet werden können. Neben der Bewegung des Werkzeugs kann gemäß einer Ausgestaltung auch eine Bewegung der Vorformen in Richtung des Werkzeuges erfolgen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das auf einer Vorformachse zwei oder mehr Vorformen angeordnet werden. Fig. 20 shows a schematic view of a further possibility, for example, how at least two preforms can be compressed simultaneously. In addition to the movement of the tool, according to one embodiment, the preforms can also be moved in the direction of the tool. There is also the possibility that two or more preforms are arranged on a preform axis.

Die Erfindung kann beispielsweise eingesetzt werden bei Nockenwellenzahnrädern, bei Planetenzahnrädern, bei Sonnenzahnrädern, bei Antriebszahnrädern, bei Ausgleichszahnrädern, bei Getriebezahnrädern, bei Kupplungszahnrädern, bei Pumpenzahnrädern, bei geradverzahnten Zahnrädern, bei schrägverzahnten Zahnrädern, bei Elektromotoren, bei Verbrennungskraftmaschinen, bei Verstellgetrieben, bei Außen- oder Innenverzahnungen, bei Außen- oder Innenstirnradgetrieben mit Gerad- oder Schrägverzahnung, bei Kegelradgetrieben mit Gerad-, Schräg- oder Bogenverzahnung, bei Schraubenradgetrieben oder Schneckengetrieben wie auch bei Steilgewindewelle- und Steilgewinde-Nabeverbindungen. The invention can be used, for example, in camshaft gears, in planetary gears, in sun gears, in drive gears, in differential gears, in gear gears, in clutch gears, in pump gears, in straight-toothed gears, in helical gears, in electric motors, in internal combustion engines, in actuators, in variable speed drives or internal gears, for external or internal helical gear units with straight or helical gears, for bevel gear units with straight, helical or curved teeth, for helical gear units or worm gear units as well as for high-helix shaft and high-helix hub connections.

Claims (12)

  1. Method for manufacturing a toothing from a sintering material, wherein at least a negative oversize, which is determined by means of iterative calculation, is assigned to a preform (106), the negative oversize is, at least in part, filled by displacement of the sintering material during surface densification of the toothing (105); wherein the negative oversize is arranged at least on a flank of a tooth of the toothing (105).
  2. Method according to claim 1, characterized in that an oversize material adjacent the negative oversize is displaced into the negative oversize.
  3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the preform (106) is surface-densified to yield the final form, wherein optionally a hardening and/or a surface finishing machining is conducted.
  4. Method according to one of the preceding claims, wherein the negative oversize extends asymmetrically along the flank.
  5. Method according to one of the preceding claims, wherein a negative oversize is arranged on each flank of at least one tooth.
  6. Method according to one of the preceding claims, wherein a tooth has on the same level a first negative oversize on a first flank and a second negative oversize on a second flank, wherein the first and the second flank extend asymmetrically in relation to each other.
  7. Method according to one of the preceding claims, wherein the negative oversize is arranged between a tip area of a tooth and an oversize on the flank of the tooth.
  8. Method according to one of the preceding claims, wherein the negative oversize is additionally arranged in a corner area of the tooth root.
  9. Method according to one of the preceding claims, wherein the toothing at least on one tooth has respectively different flank pitches on the same level of the tooth.
  10. Method according to one of the preceding claims, wherein the toothing (105) is an internal toothing.
  11. Method according to one of the preceding claims, wherein the preform (106) is for a surface-densified gear.
  12. Computer program product with program code means, which are stored on a computer-readable medium, for carrying out the method according to at least one of the claims 1 to 11 when the program is run on a computer.
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