EP2012951B1

EP2012951B1 - Verfahren zum herstellen eines zahnrades

Info

Publication number: EP2012951B1
Application number: EP07718414.1A
Authority: EP
Inventors: Christian Sander
Original assignee: Miba Sinter Austria GmbH
Current assignee: Miba Sinter Austria GmbH
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: EP2012951A1; JP2009536268A; CN101489701B; AT503037A4; WO2007128013A1; CN101489701A; AT503037B1; US8069696B2; CA2651016A1; US20090090154A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades aus einem mit einem Aufmaß im Verzahnungsbereich gepreßten und gesinterten Pulvermetallrohling, wobei der Pulvermetallrohling im Bereich des Aufmaßes durch ein Abrollen eines eine in die Verzahnung des Pulvermetallrohlings eingreifende Gegenverzahnung bildenden Drückerwerkzeuges unter einer plastischen Verformung um das Aufmaß verdichtet wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung gehen beispielsweise aus der AT 412 955 B hervor.

Stand der Technik

Um eine höhere Dauerbiegefestigkeit im Bereich der Zahnfüße und eine höhere Verschleißfestigkeit im Bereich der Zahnflanken bei pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrädern zu erreichen, ist es bekannt ( EP 0 552 272 B1 , AT 406 836 B ), die gesinterten Pulvermetallrohlinge der Zahnräder im Flanken- und im Fußbereich der Zähne zu verdichten, so daß eine weitgehend porenfreie Oberflächenschicht erhalten wird, die im Eingriffsbereich des Zahnrades eine erhebliche Steigerung der zulässigen Belastbarkeit mit sich bringt. Die Verdichtung der Oberflächenschicht im Eingriffsbereich des Zahnrades erfolgt über ein Drückerwerkzeug in Form wenigstens eines Zahnrades, das entweder eine in die Verzahnung des Pulvermetallrohlings eingreifende Außenverzahnung ( EP 0 552 B1 ) oder eine Innenverzahnung ( AT 406 836 B ) aufweist, mit deren Hilfe die Gleitgeschwindigkeit zwischen den Zahnflanken des Pulvermetallrohlings und des Drückerwerkzeuges verringert werden kann. Darüber hinaus ist es bekannt ( WO 0043148 A1 ), als Drückerwerkzeug eine in die Verzahnung des Pulvermetallrohlings eingreifende Schnecke einzusetzen, deren Achse quer zur Achse des Pulvermetallrohlings verläuft. Unabhängig von der Art des eingesetzten Drückerwerkzeuges besteht jedoch die Gefahr, daß die örtlich zwischen dem Drückerwerkzeug und einem das Zahnrad aufnehmenden Dorn auftretenden Druckkräfte eine plastischen Verformung des gesamten Radquerschnittes verursachen, was nicht nur eine unzureichende Verdichtung der Zahnflanken nach sich zieht, sondern auch zu einer unzulässigen Vergrößerung des Radumfanges führt, insbesondere bei Zahnrädern mit einem gegenüber dem Fußkreis vergleichsweise großen Innendurchmesser. Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen ( AT 412 955 B ), den Pulvermetallrohling während seiner Verdichtung an beiden Stirnseiten über den Umfang radial einzuspannen, was jedoch zusätzliche Maßnahmen erfordert, die jedoch nicht verhindern können, daß es durch wechselnde Überdeckungsverhältnisse zu Schwankungen in der Walzkraft und damit zu einer Schwingungsanregung kommt, die zu einer erhöhten Belastung des Werkzeuges und des Werkstückes und in Folge zu einer Leistungsbegrenzung führt.
Schließlich ist es bekannt ( US 6 168 754 B1 ), zum Verdichten des Zahnfußes und der Zahnflanken eines aus einem gepreßten und gesinterten Pulvermetallrohling hergestellten Zahnrades ein Matrizenwerkzeug vorzusehen, das mit axialem Abstand aufeinanderfolgende Matrizenplatten mit abgestuft kleinerem Durchtrittsquerschnitt für den mittels eines Stempels axial durch das Matrizenwerkzeug drückbaren Pulvermetallrohling aufweist. Wegen des gleichzeitigen Verdichtens des Pulvermetallrohlings über den gesamten Außenumfang kann eine gute Formstabilität für die verdichteten Zahnbereiche sichergestellt werden. Allerdings wird diese Formstabilität mit einer ausschließlichen Gleitreibung zwischen Werkstück und Werkzeug erkauft, was zu einem erhöhten Verschleiß des Werkzeuges und einem entsprechenden Abrieb am Werkstück Anlaß gibt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zum Herstellen eines Zahnrades so auszugestalten, daß eine gute Formstabilität des Zahnrades beim Verdichten der Zähne gewährleistet werden kann, ohne einen übermäßigen Werkzeugverschleiß oder höhere Werkzeug- bzw. Werkstückbeanspruchungen in Kauf nehmen zu müssen.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß der Pulvermetallrohling durch ein zum Pulvermetallrohling axiales Abrollen von das Drückerwerkzeug bildenden Profilrollen über den gesamten Umfang gleichzeitig verdichtet wird.
Durch das Abrollen von Profilrollen mit einem der Negativform eines Zahnquerschnittes entsprechenden Profil auf dem Pulvermetallrohling in dessen Achsrichtung
wird zunächst eine glatte Werkstückoberfläche ohne Abrieb erreicht. Da die Profilrollen außerdem gleichzeitig über den gesamten Außenumfang des Pulvermetallrohlings wirksam werden und demzufolge die Zähne gleichartig und symmetrisch belasten, kann eine hohe Formstabilität sichergestellt werden. Die gleichzeitige Verdichtung aller Zähne vermeidet darüber hinaus Schwingungsanregungen, die zu einer erhöhten Beanspruchung des Werkzeuges oder des Werkstückes führen könnten, so daß vergleichsweise große Bearbeitungsgeschwindigkeiten und damit eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens möglich werden.
Um einen zusätzlichen Einfluß auf die Verdichtung der Zahnoberflächen im Bereich des Aufmaßes nehmen zu können, können die Profilrollen mit einem vorgebbaren Schlupf auf dem Pulvermetallrohling abgerollt werden. In einem solchen Fall kann das Fließen des Werkstoffes während der plastischen Verformung durch die bei einem Schlupf zwischen den Profilrollen und dem Werkstück auftretende Gleitreibung zumindest örtlich unterstützt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Patentanspruch 3 definiert.
Zur Durchführung des Herstellungsverfahrens kann von der Vorrichtung mit einer Halterung für einen mit Aufmaß gepreßten und gesinterten Pulvermetallrohling des Zahnrades und mit wenigstens einem Drückerwerkzeug ausgegangen werden, das eine in die Verzahnung des Pulvermetallrohlings eingreifende Gegenverzahnung bildet. Zum Unterschied von bekannten Vorrichtungen dieser Art umfaßt das Drückerwerkzeug einen geschlossenen Kranz von die Gegenverzahnung bildenden Profilrollen deren Achsen in einer gemeinsamen zur Achse des Pulvermetallrohlings senkrechten Ebene liegen, wobei die Profilrollen in zur Achse des Pulvermetallrohlings parallelen Profilnuten eines die Profilrollen umschließenden Stützkörpers geführt sind. Da die Profilrollen in der gemeinsamen Durchmesserebene gegebenenfalls unter einer elastischen Vorspannung fugenlos aneinander anschließen und einen dem Sollumriß des Zahnrades entsprechenden Querschnitt umschließen, reicht eine relativ zum Stützkörper koaxial verschiebbare, axiale Halterung für den Pulvermetallrohling aus, um den Pulvermetallrohling unter einem Abrollen der Profilrollen entlang der Zähne axial durch den vom Profilrollenkranz umschlossenen Querschnitt zu drücken und dabei die Zähne des Pulvermetallrohlings im Bereich des Aufma-ßes zu verdichten. Die auftretenden Walzkräfte können in vorteilhafter Weise von den Profilrollen auf den die Profilrollen umschließenden Stützkörper abgetragen werden, der zum Abrollen der Profilrollen mit axialen Profilnuten versehen ist, in denen die Profilrollen gegen ein seitliches Versetzen geführt sind.
Zur Vermeidung einer gegenseitigen Verlagerung der Profilrollen in Richtung der Achse des Stützkörpers können die Profilrollen in einem gegenüber dem Stützkörper axial verschiebbaren Käfig gehalten werden, der in einer einfachen Ausführungsform aus zwei die Profilrollen zwischen sich aufnehmenden Stempeln bestehen kann. Bei einer freien Verschiebbarkeit eines solchen Käfigs rollen die Profilrollen im wesentlichen schlupffrei einerseits auf dem Pulvermetallrohling und anderseits in den Profilnuten des Stützkörpers ab. Wird der Käfig jedoch mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit gegenüber dem Stützkörper axial verschoben, so kann der Abrollbewegung der Profilrollen eine Gleitbewegung überlagert werden, über die Einfluß auf die Verdichtungsverhältnisse im Eingriffsbereich der Profilrollen genommen werden kann.
Damit auf den Pulvermetallrohling eine zum Durchdrücken zwischen den Profilrollen erforderliche axiale Kraft ausgeübt und der Pulvermetallrohling gegensinnig axial beaufschlagt werden kann, kann die axiale Halterung zwei den Pulvermetallrohling zwischen sich aufnehmende Abschnitte aufweisen. Bilden diese Abschnitte der Halterung darüber hinaus den Zahnlücken des herzustellenden Zahnrades entsprechende axiale Profilnuten, so können die Profilrollen vorteilhaft in diesen Profilnuten geführt werden und die Halterung mit dem Pulvermetallrohling in Umfangsrichtung ausrichten.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist es für eine vorteilhafte Verdichtung der Zähne des Pulvermetallrohlings von besonderer Bedeutung, daß die Profilrollen in ihrer gemeinsamen Durchmesserebene einen geschlossenen Kranz bilden. Um der Gefahr vorzubeugen, daß sich bei einer Werkzeugabnützung zwischen den aneinanderstoßenden Profilrollen ein Bearbeitungsgrat ausbilden kann, können die Profilrollen des Drückerwerkzeuges einander entlang von stirnseitigen Kegelflächen berühren, so daß beim plastischen Verdichten der Zähne des Pulvermetallrohlings ein Eindringen des Werkstoffes zwischen zwei Profilrollen ausgeschlossen werden kann, insbesondere wenn die Profilrollen im Berührungsbereich unter einer elastischen Vorspannung gegeneinander gedrückt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

An Hand der Zeichnung wird das Verfahren nach der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen eines Zahnrades in einem vereinfachten Axialschnitt,
Fig. 2: diese Vorrichtung ausschnittsweise in einem Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 in einem größeren Maßstab und die
Fig. 3: und 4 die Vorrichtung in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung, jedoch in unterschiedlichen Arbeitsstellungen und in einem kleineren Maßstab.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die dargestellte Vorrichtung zum Herstellen eines Zahnrades aus einem verdichteten und gesinterten Pulvermetallrohling 1 weist einen den Pulvermetallrohling 1 zumindest während seiner Verdichtung im Zahnbereich radial abstützenden Dorn 2 auf, der gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ortsfest gelagert ist. Auf diesem Dorn 2 ist eine Halterung 3 aus zwei Abschnitten 4 und 5 axial verschiebbar gelagert, die den Pulvermetallrohling 1 zwischen sich formschlüssig aufnehmen. Die Abschnitte 4 und 5 bilden den Zahnlücken des herzustellenden Zahnrades entsprechende axiale Profilnuten 6. Zum Bearbeiten des Pulvermetallrohlings 1 ist ein Drückerwerkzeug 7 vorgesehen, das einen geschlossenen Kranz von Profilrollen 8 umfaßt, deren Achsen in einer gemeinsamen, zur Achse des Domes 2 und damit zur Achse des Pulvermetallrohlings 1 senkrechten Durchmesserebene liegen. Diese Profilrollen 8 bilden eine in die Verzahnung des Pulvermetallrohlings 1 eingreifende Gegenverzahnung, die beim Abrollen auf dem Pulvermetallrohling 1 die Verdichtung der Zähne des Pulvermetallrohlings 1 im Bereich ihres Aufmaßes bewirken. Zur Führung der Profilrollen 8 in Richtung der Achse des Pulvermetallrohlings 1 greifen die Profilrollen 8 in axiale Profilnuten 9 eines die Profilrollen 8 umschließenden Stützkörpers 10 ein. Außerdem sind die Profilrollen 8 in den Profilnuten 6 der Halterung 3 geführt, die somit gegenüber den Profilrollen 8 in Umfangsrichtung ausgerichtet gehalten wird. Damit bei einer Verlagerung der Profilrollen 8 entlang der Profilnuten 9 des Stützkörpers 10 die Profilrollen 8 in einer gemeinsamen Durchmesserebene verbleiben, werden die Profilrollen 8 in einem Käfig 11 geführt, der im Ausführungsbeispiel in einfacher Weise aus zwei in den Ringspalt zwischen dem Stützkörper 10 und der Halterung 3 für den Pulvermetallrohling 1 eingreifenden Stempeln 12 und 13 gebildet wird, was aber selbstverständlich nicht zwingend ist.
Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, weisen die Profilrollen 8 an ihren Stirnseiten Kegelflächen 14 auf. Da sich die Profilrollen 8 entlang dieser stirnseitigen Kegelflächen 14 aneinander abstützen, ergeben sich im Bereich der Zahnköpfe des Pulvermetallrohlings 1 vorteilhafte Abstützbedingungen, die eine Überlastung der Profilrollen 8 in diesem Bereich ausschließen.
Um ein Zahnrad aus einem gesinterten Pulvermetallrohling 1 herzustellen, wird der Pulvermetallrohling 1 gemäß der Fig. 1 bei geöffneter Halterung 3 auf den einen Halterungsabschnitt 4 entsprechend ausgerichtet aufgesetzt, bevor die Halterung 3 geschlossen und der mit dem Abschnitt 5 der Halterung 3 abgehobene Stempel 13 des Käfigs 11 gegen den Kranz der Profilrollen 8 abgesenkt wird. Zur Verdichtung der Zähne des Pulvermetallrohlings 1 ist nunmehr die Halterung 3 mit dem Pulvermetallrohling 1 relativ zum Stützkörper 10 axial zu verschieben, um ein Abrollen der Profilrollen 8 auf den Zähnen des Pulvermetallrohlings 1 unter einem Verdichten der Zahnoberflächen um das jeweilige Aufmaß zu erreichen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel bleiben der Stützkörper 10 und der Dorn 2 ortsfest während die Halterung 3 axial beaufschlagt wird. Die Profilrollen 8 rollen dabei in den Profilnuten 9 des Stützkörpers 10 und in den Profilnuten 6 der Halterung 3 sowie über die die Profilnuten 6 fortsetzenden Zahnoberflächen des Pulvermetallrohlings 1 ab. In den Fig. 3 und 4 ist die Stellung des Drückerwerkzeuges 7 unmittelbar vor und nach der Verdichtung der Verzahnung des Pulvermetallrohlings 1 dargestellt. Wie diesen Fig. 3 und 4 entnommen werden kann, wird der durch die Stempel 12 und 13 gebildete Käfig 11 mit den Profilrollen 8 in Richtung der Dornachse mitbewegt, so daß eine im wesentlichen schlupffreie Abrollbewegung der Profilrollen 8 auf dem Pulvermetallrohling 1 gewährleistet ist. Durch eine Verzögerung oder Beschleunigung des Käfigs 11 kann der Rollbewegung der Profilrollen 8 eine Gleitbewegung überlagert werden. Diese Überlagerung bedingt im Bereich des Pulvermetallrohlings 1 eine zusätzliche Gleitreibung, mit deren Hilfe Einfluß auf den Verdichtungsvorgang genommen werden kann.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So könnte der Käfig 11 aus einem die Profilrollen 8 aufnehmenden Gestell bestehen. Außerdem ist wegen der gleichzeitigen Bearbeitung aller Zähne des Pulvermetallrohlings 1 durch einen geschlossenen Kranz von Profilrollen 8 das Vorsehen eines Dornes 2 zur radialen Abstützung des Pulvermetallrohlings 1 nicht zwingend. Außerdem kann die Teilung der Profilrollen von der Zahnteilung abweichen, beispielsweise weil eine Profilrolle für zwei Zähne zum Einsatz kommt oder für die Zahnlücken und die Zahnköpfe gesonderte Profilrollen verwendet werden. Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß unter dem verwendeten Begriff "Zahnrad" nicht nur aufeinander abwälzende Zahnräder, sondern auch Kettenräder oder Räder mit einer Steckverzahnung zu verstehen sind. Die Erfindung kann ja für die Bearbeitung aller Werkstücke eingesetzt werden, die über den Umfang verteilte, zahnartige Ansätze aufweisen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Zahnrades aus einem mit einem Aufmaß im Verzahnungsbereich gepreßten und gesinterten Pulvermetallrohling, wobei der Pulvermetallrohling im Bereich des Aufmaßes durch ein Abrollen eines eine in die Verzahnung des Pulvermetallrohlings eingreifende Gegenverzahnung bildenden Drückerwerkzeuges unter einer plastischen Verformung um das Aufmaß verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulvermetallrohling durch ein zum Pulvermetallrohling axiales Abrollen von das Drückerwerkzeug bildenden Profilrollen über den gesamten Umfang gleichzeitig verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrollen mit einem vorgebbaren Schlupf auf dem Pulvermetallrohling abrollen.
Vorrichtung zum Herstellen eines Zahnrades mit einer Halterung für einen mit Aufmaß gepreßten und gesinterten Pulvermetallrohling des Zahnrades und mit wenigstens einem Drückerwerkzeug, das eine in die Verzahnung des Pulvermetallrohlings eingreifende Gegenverzahnung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Drückerwerkzeug (7) einen geschlossenen Kranz von die Gegenverzahnung bildenden Profilrollen (8) umfaßt, deren Achsen in einer gemeinsamen zur Achse des Pulvermetallrohlings (1) senkrechten Ebene liegen, daß die Profilrollen (8) in zur Achse des Pulvermetallrohlings (1) parallelen Profilnuten (9) eines die Profilrollen (8) umschließenden Stützkörpers (10) geführt sind und daß die axiale Halterung (3) für den Pulvermetallrohling (1) relativ zum Stützkörper (10) koaxial verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrollen (8) in einem mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit gegenüber dem Stützkörper (10) axial verschiebbaren Käfig (11) gehalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Halterung (3) für den Pulvermetallrohling (1) zwei den Pulvermetallrohling (1) zwischen sich aufnehmende Abschnitte (4, 5) aufweist, die den Zahnlücken des herzustellenden Zahnrades entsprechende axiale Profilnuten (6) zur Führung der Profilrollen (8) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrollen (8) des Drückerwerkzeuges (7) einander entlang von stirnseitigen Kegelflächen (14) berühren.