EP4204167A1 - Verfahren zur herstellung einer verzahnung an rotationssymmetrischen oberflächen metallischer antriebselemente - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer verzahnung an rotationssymmetrischen oberflächen metallischer antriebselemente

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Publication number
EP4204167A1
EP4204167A1 EP21752044.4A EP21752044A EP4204167A1 EP 4204167 A1 EP4204167 A1 EP 4204167A1 EP 21752044 A EP21752044 A EP 21752044A EP 4204167 A1 EP4204167 A1 EP 4204167A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
toothing
forming
workpiece
layer
shaping
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21752044.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Bräunig
Mike Lahl
Volker Weihnacht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4204167A1 publication Critical patent/EP4204167A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H5/00—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms
    • B21H5/02—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms with cylindrical outline, e.g. by means of die rolls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H5/00—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms
    • B21H5/02—Making gear wheels, racks, spline shafts or worms with cylindrical outline, e.g. by means of die rolls
    • B21H5/025—Internally geared wheels

Definitions

  • the invention relates to a method for producing gearing on rotationally symmetrical surfaces of metal drive elements, with drive elements such as gears or drive shafts, which can be used in mechanical transmissions, being processed in this way in particular.
  • a rotationally symmetrical surface of a metallic workpiece which is rotatably mounted, with the contoured outer surfaces of at least two forming tools that are arranged at the same angular distance from one another and are rotatably mounted, is formed with the surface of the workpiece on which a toothing is to be formed , brought into touching contact with their outer surfaces that define the shape of the teeth.
  • the forming tools exert compressive forces against this surface of the workpiece.
  • the forming tools and/or the workpiece are driven with a rotary drive so that the forming tools are rotated at the same speed. It is possible for the workpiece to be rotated accordingly without a rotary drive, initially by frictional engagement and then by positive engagement with the forming tools.
  • the peripheral speeds of the workpiece and forming tools are the same in each case.
  • the distance between the axes of rotation of the forming tools when forming an external toothing by forming is gradually reduced and when forming an internal toothing by forming it is gradually increased until the specified shape of the toothing has been achieved by plastic forming.
  • toothing is formed immediately after forming or after application of a coating, which is applied at least to surface areas of the formed toothing after forming has taken place, which has a profile overlap e a ⁇ 1.0 and a pressure angle >20°.
  • a head engagement ratio of 1:1 should be maintained for the gearing.
  • the head engagement ratio should be kept at least close to 1:1. Minor deviations from this ratio of a maximum of 5% may be permitted.
  • the compressive force applied with the forming tools against the workpiece surface and the feed rate at which the forming tools are moved in the direction of the surface of the workpiece to be formed should be selected depending on the workpiece material and the outer diameter of the forming tools.
  • two forming tools can be used at an angular distance of 180° and three forming tools at an angular distance of 120° be arranged relative to one another with their axes of rotation.
  • the toothings produced according to the invention should also have an integer overlap.
  • the low-friction toothings produced according to the invention should also have a tooth height factor as the ratio of tooth height to module of less than 2.5.
  • a concentration of the meshing around the pitch circle diameter is possible, which at the same time reduces the sliding speed and thus friction losses.
  • a reduction in friction losses of almost two thirds (60%) can be achieved compared to conventional gearing.
  • the process is based on gear rolling, in which the shape and dimensioning of the gear can be obtained without cutting by pure plastic deformation.
  • the workpiece is not heated, so that the strain hardening effect of steel can also be used as the workpiece material.
  • the process can also be referred to as profile cross rolling with rotationally symmetrical tools.
  • profile rolling two externally toothed forming tools rotate in the same direction and penetrate a counter-rotating, rotationally symmetrical workpiece surface as a result of a feed movement of the forming tools with simultaneous rotation of the forming tools.
  • the material of the workpiece flows under pressure into the tooth gaps of the forming tools.
  • the desired gearing contour on the workpiece is thus created by rolling the workpiece with the forming tools.
  • the entire rolling process is divided into the three phases of rolling, penetration and calibration.
  • a lower tool speed (10 rpm to 20 rpm) should be used than for subsequent penetration (20 rpm to 40 rpm) and subsequent calibration (20 rpm to 40 rpm). be respected.
  • a lower feed rate ( ⁇ 0.2 mm/s) of the forming tools in the direction of the workpiece surface should be maintained than specified.
  • beginning of the penetration phase ( ⁇ 0.3 mm/s). With increasing penetration depth, the feed rate during the penetration phase should also be reduced ( ⁇ 0.05 mm/s) so that the resulting forming forces do not increase too much.
  • calibrating there is no feed movement of the forming tools, they are only rotated further.
  • a reversal of the direction of rotation should advantageously be carried out after a predefinable number of revolutions of the workpiece or depending on the depth of penetration of the forming tool, in order to achieve a symmetrical shaping of the individual teeth of the gearing.
  • the respective number of revolutions and the feed rates can be adjusted according to the respective workpiece material and the outer diameter of the forming tools as well as the gear geometry of the workpiece.
  • the tooth geometry obtained according to the invention accommodates the rolling process and leads to an improvement in the quality of the workpiece.
  • the gearing qualities can be improved, the depth of the closed folds on the tooth tip reduced and an optimal surface structure created for a subsequent coating process.
  • the friction losses can also be reduced with a coating that can be applied at least to surface areas of the toothing after forming. At least surface areas that are particularly subject to friction should be coated in this way.
  • a layer of tetrahedrally coordinated amorphous and hydrogen-free carbon (ta-C) should be formed using a PVD process with a minimum layer thickness of 2 ⁇ m, preferably at least 5 ⁇ m and particularly preferably at least 10 ⁇ m.
  • the coating and its dimensions should be taken into account during the forming process, so that the toothing parameters specified in claim 1 are also maintained with the coating.
  • the ta-C also has the advantage that it can be deposited at significantly lower temperatures and thus on steel without thermally influencing the material properties.
  • a super-hard carbon layer which can be deposited with suitable measures, in particular a contour-adapted adhesive layer technology with a large thickness, the feasibility of a long-life stable gear wheel coating for travel drives is given.
  • a gearing partner i.e. a wheel or mating wheel
  • coefficients of sliding friction of 0.10 - 0.15 are achieved.
  • the formation of the ta-C coating can be performed by any of DC vacuum arc processes or pulsed vacuum arc processes.
  • a plasma can be used particularly advantageously by means of pulsed laser radiation of sequentially ignited electrical arc discharges under vacuum conditions, in which the electrical arc discharge is operated between an anode and a graphite cathode. From this plasma, a layer is formed of at least approximately hydrogen-free, tetrahedrally amorphous (ta-C), consisting of a mixture of sp 2 and sp 3 hybridized carbon, which is deposited on a surface of the toothing obtained after forming.
  • ta-C tetrahedrally amorphous
  • the filter causing at least partial removal/separation of particles emitted from the graphite cathode from the plasma and the resulting ta-C layers therefore less contains defects.
  • the layer of tetrahedrally coordinated amorphous hydrogen-free carbon can be formed with a varying sp3 content between 20% and 80%, with the sp3 content changing continuously or alternately over the layer thickness is.
  • the layer of tetrahedrally coordinated amorphous hydrogen-free carbon (ta-C) should be formed with an indentation hardness > 30 GPa.
  • a doped ta-C:X layer can also be used, with the doping element X being selected from one or more of the elements B, Si, W, Mo, Fe, Cu, N, Ti and Cr can and can be contained in the layer in a total proportion of 0.1 at% to 10 at%.
  • a further rolling process known as fine or deep rolling, can take place.
  • the microgeometry and, if applicable, the hardening distortions in the forming tool should be rolling kinematic negative impression have been introduced.
  • hardening can also be followed by smooth rolling in order to achieve the surface structure required for the coating process.
  • case hardening can be dispensed with entirely or, alternatively, nitriding, preferably plasma nitriding, can be used, which preserves the advantageous anisotropic material properties from the rolling process.
  • the workpiece and forming tools are first positioned relative to one another until the contoured surface of the forming tools comes into contact with the surface of the workpiece on which the gearing is to be formed.
  • the rolling phase then begins, in which the contoured surfaces of the forming tools are moved towards the surface of the workpiece on which the toothing is to be formed.
  • the same pressure forces act on the forming tools in the direction of the surface of the workpiece to be formed.
  • the simultaneous rotation of forming tools and workpiece begins with the same speed and peripheral speed.
  • a speed in the range of 40 rpm to 50 rpm, preferably about 45 rpm and a feed rate of 0.005 mm/s to 0.1 mm/s, preferably 0.07 mm/s, can be maintained. After 5 revolutions (overrolling) of the workpiece, the direction of rotation should be reversed.
  • the penetration process begins, in which the rotation speed of the workpiece is in the range of 80 rpm to 95 rpm and the feed rate in the range of 0.1 mm/s to 0.2 mm/s, preferably 0.07 mm/s can be increased until a total of 13 revolutions of the workpiece have taken place. After a total of 9 revolutions of the workpiece, the direction of rotation is reversed again.
  • the feed rate can be reduced by 0.04 mm/s and the direction of rotation reversed again. This is maintained up to a total of 17 revolutions of the workpiece. After the 17th rotation, the direction of rotation can be reversed again. The direction of rotation is maintained up to a total of 25th rotation and reversed again from the 25th rotation. The feed rate can also be reduced by 0.02 mm/s.
  • the feed rate can be reduced to 0 mm/s, so that the forming tools are no longer moved in the direction of the surface of the workpiece, but are rotated further up to a total of 34 revolutions of the workpiece and at the 28th revolution the direction of rotation can be reversed again.
  • the forming tools can, for example, with a force of 250 kN to 350 kN, in particular 300 kN or a force equivalent to the surface of the workpiece on which the toothing is formed, a torque in the range of 1200 Nm to 1750 Nm, in particular 1500 Nm by means of the forming tools acts.
  • the parameters mentioned here can be selected for a material made of case-hardened and heat-treated steel in the normalized or soft-annealed condition for a workpiece and for external diameters of gears up to 240 mm.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Gears, Cams (AREA)

Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an rotationssymmetrischen Oberflächen metallischer Antriebselemente wird ein drehbar gelagertes metallisches Werkstück mit mindestens zwei in einem gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten und drehbar gelagerten jeweils gleichen Umformwerkzeugen mit der Oberfläche des Werkstücks, an der eine Verzahnung ausgebildet werden soll, mit ihren die Form der Verzahnung vorgebenden äußeren Oberflächen in berührenden Kontakt gebracht. Die Umformwerkzeuge üben Druckkräfte gegen die Oberfläche, an der die Verzahnung ausgebildet wird, aus. Die Umformwerkzeuge und/oder das Werkstück werden mit einem Drehantrieb angetrieben und dabei die Umformwerkzeuge mit gleicher Drehzahl gedreht. Der Abstand der Rotationsachsen der Umformwerkzeuge bei Ausbildung einer Außenverzahnung durch Umformung wird sukzessive verringert und bei Ausbildung einer Innenverzahnung durch Umformung sukzessive vergrößert, bis die vorgegebene Form der Verzahnung durch plastische Umformung erreicht worden ist. Die Verzahnung weist unmittelbar nach der Umformung oder einem Aufbringen einer Beschichtung, die nach erfolgter Umformung zumindest auf Oberflächenbereiche der ausgebildeten Verzahnung aufgebracht wird, eine Profilüberdeckung ԑ α ≤ 1,0 und einen Eingriffswinkel > 20° auf.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an rotationssymmetrischen Oberflächen metallischer Antriebselemente
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an rota- tionssymmetrischen Oberflächen metallischer Antriebselemente, wobei insbesondere Antriebselemente, wie z.B. Zahnräder oder Antriebswellen, die in mechanischen Getrieben eingesetzt werden können, so bearbeitet werden.
Hinsichtlich Entwicklung und Validierung eines innovativen Getriebekonzeptes für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation steht maßgeblich der Aspekt der Senkung der Umweltbelastung im Fokus. Wichtige Kriterien, respektive das „Realisierungsproblem", sind ein nahezu wartungsfreier Betrieb, die Reichweitenerhöhung durch Leichtbau, weniger Spanvolumen sowie eine maximal ressourceneffiziente Gesamtproduktionskette in Kombination miteinan- der. Ein besonderer Zielkonflikt besteht dabei zwischen Festigkeit, Leichtbau und Akustik: Selbst in Hochleistungsgetrieben von Hubschraubern mit Trockennotlauffunktion ist im Falle eines Öl(druck)verlustes lediglich eine be- schränkte Restflugzeit von max. 15 min möglich, wobei nach der Landung das Getriebe getauscht werden muss. Problematisch sind die hohen Temperaturen, denn ein ölfreier Betrieb kühlt vor allem weniger, zusätzlich steigt die Reibung und somit der Wärmeeintrag in die Zahnflanken. Ein Ansatz wäre, die Flankenpressung deutlich zu verringern, jedoch würde dabei die Verzahnung aus Einsatz-Stahl deutlich größer (Modul und Zahnbreite) ausfallen und die Leistungsgewichtsanforderungen nicht erfüllen.
Entsprechend dieser Problematik wurde in dieser Erfindung ein alternatives Vorgehen in der Auslegung, gepaart mit neuen Herstellungs- und Beschichtungsansätzen kombiniert. Es werden daher bei der Getriebeauslegung und - fertigung Mittel gewünscht, mit denen eine schmiermittelfreie Getriebestufe für hochbelastete Fahrantriebe realisierbar ist, die sich perspektivisch auch für die Luftfahrt eignen.
Dabei ist die Reduzierung der Reibung in Getrieben essentiell. Dies ist als Ausgangsbasis mit Verzahnungen, die per se eine verlustarme Makrogeometrie besitzen (Eingriffsbereich möglichst nah am Wälzkreisdurchmesser), möglich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung von besonders reibungsverlustarmen Verzahnungen, die in Getrieben eingesetzt werden können, anzugeben, wobei die Herstellung kostengünstig und ressourceneffizient erfolgen sollte.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine rotationssymmetrische Oberfläche eines metallischen Werkstücks, das drehbar gelagert ist, mit den konturierten äußeren Oberflächen von mindestens zwei in einem gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten und drehbar gelagerten jeweils gleichen Umformwerkzeugen mit der Oberfläche des Werkstücks, an der eine Verzahnung ausgebildet werden soll, mit ihren die Form der Verzahnung vorgebenden äußeren Oberflächen in berührenden Kontakt gebracht. Die Umformwerkzeuge üben Druckkräfte gegen diese Oberfläche des Werkstücks aus.
Die Umformwerkzeuge und/oder das Werkstück werden mit einem Drehantrieb angetrieben, so dass die Umformwerkzeuge mit gleicher Drehzahl gedreht werden. Es besteht die Möglichkeit, dass das Werkstück ohne Drehantrieb durch zunächst Reibschluss und nachfolgend durch Formschluss mit den Umformwerkzeugen entsprechend mit gedreht wird. Dabei sind die Umfangsgeschwindigkeiten von Werkstück und Umformwerkzeugen jeweils gleich groß.
Der Abstand der Rotationsachsen der Umformwerkzeuge bei Ausbildung einer Außen Verzahnung durch Umformung wird sukzessive verringert und bei Ausbildung einer Innenverzahnung durch Umformung wird er sukzessive vergrößert, bis die vorgegebene Form der Verzahnung durch plastische Umformung erreicht worden ist.
Mit dem Verfahren wird eine Verzahnung unmittelbar nach der Umformung oder einem Aufbringen einer Beschichtung, die nach erfolgter Umformung zumindest auf Oberflächenbereiche der ausgebildeten Verzahnung aufgebracht wird, ausgebildet, die eine Profilüberdeckung e a < 1,0 und einen Eingriffswinkel > 20° aufweist.
Vorteilhaft sollte bei der Verzahnung ein Kopfeingriffsverhältnis von 1:1 eingehalten sein. Dabei sollte das Kopfeingriffsverhältnis zumindest nahezu bei 1:1 gehalten sein. Geringfügige Abweichungen von diesem Verhältnis von maximal 5 % können ggf. zugelassen werden.
Die mit den Umformwerkzeugen gegen die Werkstückoberfläche aufgebrachte Druckkraft und die Vorschubgeschwindigkeit, mit der die Umformwerkzeuge in Richtung der umzuformenden Oberfläche des Werkstücks bewegt werden, sollte in Abhängigkeit des Werkstückwerkstoffs und der Außendurchmesser der Umformwerkzeuge gewählt werden.
Bei der Umformung können zwei Umformwerkzeuge in einem Winkelabstand von 180° und drei Umformwerkzeuge in einem Winkelabstand von 120° mit ihren Rotationsachsen zueinander angeordnet sein.
Die erfindungsgemäß hergestellten Verzahnungen sollten auch eine ganzzahlige Sprungüberdeckung aufweisen.
Die erfindungsgemäß hergestellten reibungsverlustarmen Verzahnungen sollten außerdem einen Zahnhöhenfaktor als Verhältnis von Zahnhöhe zu Modul von kleiner 2,5 aufweisen. Es ist eine Konzentration des Zahneingriffes um den Wälzkreisdurchmesser möglich, was zugleich Gleitgeschwindigkeit und somit Reibungsverluste verringert. Es kann eine Reduzierung der Reibungsverluste um fast zwei Drittel (60 %) gegenüber konventionellen Verzahnungen erreicht werden.
Das Verfahren basiert auf einem Verzahnungswalzen, bei dem die Form und Dimensionierung der Verzahnung spanlos durch reine plastische Umformung erhalten werden kann. Es ist keine Erwärmung des Werkstücks vorgesehen, so dass sich auch der Effekt der Kaltverfestigung bei Stählen als Werkstückwerkstoff nutzen lässt.
Das Verfahren kann auch als Profil-Querwalzen mit rotationssymmetrischen Werkzeugen bezeichnet werden. Bei dieser Variante des Profilwalzens dringen zwei außenverzahnte Umformwerkzeuge unter gleichsinniger Rotation in eine gegenläufig rotierende, rotationssymmetrische Werkstückoberfläche infolge einer Vorschubbewegung der Umformwerkzeuge bei gleichzeitiger Drehung der Umformwerkzeuge ein.
Im Prozess fließt der Werkstoff des Werkstücks unter Druck in die Zahnlücken der Umformwerkzeuge. Die gewünschte Verzahnungskontur am Werkstück entsteht somit durch das Abwälzen des Werkstückes mit den Umformwerkzeugen. Der gesamte Walzprozess gliedert sich vorteilhaft in die drei Phasen Anwalzen, Eindringen und Kalibrieren. Beim Anwalzen sollte eine kleinere Werkzeugdrehzahl (10 U/min bis 20 U/min) als bei einem nachfolgenden Eindringen (20 U/min bis 40 U/min) und einem sich daran anschließenden Kalibrieren (20 U/min bis 40 U/min) eingehalten werden. Beim Anwalzen sollte auch eine kleinere Vorschubgeschwindigkeit (< 0,2 mm/s) der Umformwerkzeuge in Richtung Oberfläche des Werkstücks eingehalten werden, als zu Be- ginn der Eindringphase (< 0,3 mm/s). Mit steigender Eindringtiefe sollte auch die Vorschubgeschwindigkeit während der Eindringphase reduziert werden (< 0,05 mm/s), um die resultierenden Umformkräfte nicht zu stark ansteigen zu lassen. Beim Kalibrieren erfolgt keinerlei Vorschubbewegung der Umformwerkzeuge, sie werden nur noch weitergedreht.
Vorteilhaft sollte nach vorgebbaren Anzahlen an Umdrehungen des Werkstücks bzw. in Abhängigkeit der Umformwerkzeugeindringtiefe jeweils eine Drehrichtungsumkehr durchgeführt werden, um eine symmetrische Ausformung der einzelnen Zähne der Verzahnung zu erreichen.
Die jeweilige Anzahl der Umdrehungen sowie die Vorschubgeschwindigkeiten können entsprechend dem jeweiligen Werkstückwerkstoff und den Außendurchmessern der Umformwerkzeuge sowie der Verzahnungsgeometrie des Werkstücks angepasst werden.
Durch die Anwendung der Umformtechnologie als Verzahnungsherstellungsverfahren lassen sich unter Beachtung spezifischer Randbedingungen folgende Vorteile erreichen:
- kein Materialverlust bei umformender Fertigung
- kurze Prozesszeiten bis zum fertigen Werkstück
- pressblanke Verzahnungsoberflächen mit folgenden Oberflächenpa- ramtern: Ra < 0,4 pm, Rz < 1,0 pm, Rmr > 70%
- signifikante Senkung der Riefigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren mit geometrisch bestimmter oder unbestimmter Schneide
- Festigkeitszunahme gegenüber Zahnfußbruch
- verbesserte finale Bauteileigenschaften durch konturangepassten Fase rverl auf.
Die erfindungsgemäß erhaltene Zahngeometrie kommt dem Walzprozess entgegen und führt zu einer Verbesserung der Werkstückqualität. Im Ergebnis können die Verzahnungsqualitäten verbessert, die Schließfaltentiefe am Zahnkopf verringert und eine optimale Oberflächenstruktur für einen nachfolgenden Beschichtungsprozess geschaffen werden. Wie bereits angedeutet, können die Reibungsverluste zusätzlich mit einer Beschichtung reduziert werden, die zumindest auf Oberflächenbereiche der Verzahnung nach dem Umformen aufgebracht werden kann. Dabei sollten zumindest Oberflächenbereiche, die besonders auf Reibung beansprucht werden, so beschichtet werden.
Dabei sollte eine Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem und wasserstofffreien Kohlenstoff (ta-C) mit einem PVD-Verfahren mit einer Mindest- schichtdicke von 2 pm, bevorzugt mindestens 5 pm und besonders bevorzugt von mindestens 10 pm ausgebildet werden. Die Beschichtung mit ihren Abmaßen sollte bei der Umformung berücksichtigt werden, so dass die im Anspruch 1 genannten Parameter der Verzahnung auch mit der Beschichtung eingehalten werden.
Sowohl die Beanspruchbarkeit als auch die Reibung wird mit einer geeigneten Beschichtung verbessert. Aufgrund der hohen Belastungen im Zahnkontakt von Leistungsgetrieben sind die Anforderungen an Haftfestigkeit und Verschleißfestigkeit einer Beschichtung jedoch außerordentlich hoch. Mit diamantartigen Kohlenstoffschichten (Diamond-like carbon - DLC), insbesondere der Variante ta-C mit einer Mindest-Eindringhärte von 30 GPa können Verbesserungen erreicht werden.
Das ta-C hat auch den Vorteil, dass es bei deutlich niedrigeren Temperaturen, und damit auf Stahl abgeschieden werden kann, ohne dessen Werkstoffeigenschaften thermisch zu beeinflussen. Mit den Voraussetzungen einer superharten Kohlenstoffschicht, die durch geeignete Maßnahmen, insbesondere einer konturangepassten Haftschichttechnologie mit großer Dicke abgeschieden werden können, ist die Machbarkeit einer lebensdauerstabilen Zahnradbeschichtung für Fahrantriebe gegeben.
Weiterhin ist zu bemerken, dass es meist ausreichend ist, einen Verzahnungspartner, also Rad oder Gegenrad zu beschichten, um die Wirkungsgradsteigerung zu erreichen. Dabei werden im ungeschmierten Zustand an Luft Gleitreibungszahlen von 0,10 - 0,15 erreicht. Die Ausbildung der ta-C-Beschichtung kann mit einem beliebigen Gleichstrom- Vakuumbogenverfahren oder gepulsten Vakuumbogenverfahren durchgeführt werden.
Bei der Ausbildung der ta-C-Beschichtung kann besonders vorteilhaft ein Plasma mittels gepulst betriebener Laserstrahlung sequentiell gezündeter elektrischer Bogenentladungen unter Vakuumbedingungen genutzt werden, bei dem die elektrische Bogenentladung zwischen einer Anode und einer als Kathode aus Graphit betrieben wird. Aus diesem Plasma wird eine Schicht, die aus zumindest annähernd wasserstofffreiem, tetraedisch amorphem (ta-C), bestehend aus einer Mischung von sp2 und sp3 hybridisiertem Kohlenstoff gebildet, die auf einer Oberfläche der nach der Umformung erhaltenen Verzahnung abgeschieden wird.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft die ta-C-Beschichtung mit einem Vakuum bogen verfahren mit integrierter Plasmafilterung durchzuführen, wobei das Filter eine zumindest teilweise Abtrennung/Separation von aus der Graphitkathode emittierten Partikeln aus dem Plasma bewirkt und die entstehenden ta- C-Schichten daher weniger Defekte enthält.
Zur Verringerung der Eigenspannungen und zur Verbesserung der Belastbarkeit kann die Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) mit einem variierenden sp3-Anteil zwischen 20 % und 80 % ausgebildet werden, wobei der sp3-Anteil über die Schichtdicke kontinuierlich oder alternierend verändert ist.
Die Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) sollte mit einer Eindringhärte > 30 GPa ausgebildet werden.
Anstelle einer reinen ta-C-Schicht kann auch eine dotierte ta-C:X Schicht eingesetzt werden, wobei das Dotierungselement X aus einem oder mehreren der Elemente B, Si, W, Mo, Fe, Cu, N, Ti und Cr ausgewählt werden kann und mit einem Anteil von in Summe 0,1 at% bis 10 at% in der Schicht enthalten sein kann.
Nach dem Verzahnungswalzen im weichen Zustand kann ein weiterer Walzprozess das sogenannte Fein- bzw. Festwalzen erfolgen. Dabei sollte die Mikrogeometrie und ggf. die Härteverzüge in das Umformwerkzeug als ab- wälzkinematischer Negativ-Abdruck eingebracht worden sein. Alternativ kann nach einem Härten auch ein Glattwalzen erfolgen, um die für den Beschichtungsprozess notwendige Oberflächenstruktur zu realisieren. Für Einsatzbereiche, die nicht zum Hochleistungsbereich zählen, kann auf Einsatzhärten gänzlich verzichtet werden bzw. alternativ bspw. ein Nitrieren, bevorzugt Plasmanitrieren zum Einsatz kommen, das die vorteilhafte anisotrope Mate- rialeigenschaften aus dem Walzprozess konserviert.
Beim umformenden Verzahnungswalzen werden zuerst Werkstück und Umformwerkzeuge zueinander positioniert bis die konturierte Oberfläche der Umformwerkzeuge mit der Oberfläche des Werkstücks, an der die Verzahnung ausgebildet wird, in berührenden Kontakt gelangt. Dann beginnt die Anwalzphase bei der die konturierten Oberflächen der Umformwerkzeuge in Richtung der Oberfläche des Werkstücks an der die Verzahnung ausgebildet werden soll, bewegt werden. Dazu wirken jeweils gleiche Druckkräfte in Richtung der umzuformenden Oberfläche des Werkstücks auf die Umformwerkzeuge. Dabei beginnt die gleichzeitige Drehung von Umformwerkzeugen und Werkstück mit jeweils dergleichen Drehzahl und Umfangsgeschwindigkeit.
Beispielsweise kann dabei eine Drehzahl im Bereich 40 U/min bis 50 U/min, bevorzugt von ca. 45 U/min und eine Vorschubgeschwindigkeit 0,005 mm/s bis 0,1 mm/s, bevorzugt 0,07 mm/s eingehalten werden. Nach 5 Umdrehungen (Überrollungen) des Werkstücks sollte eine Drehrichtungsumkehr durchgeführt werden.
Ebenfalls nach diesen ersten 5 Umdrehungen beginnt der Vorgang des Eindringens bei dem die Drehzahl des Werkstücks in den Bereich von 80 U/min bis 95 U/min und die Vorschubgeschwindigkeit in den Bereich 0,1 mm/s bis 0,2 mm/s, bevorzugt 0,07 mm/s erhöht werden kann, bis insgesamt 13 Umdrehungen des Werkstücks erfolgt sind. Nach insgesamt 9 Umdrehungen des Werkstücks erfolgt dann wieder eine Drehrichtungsumkehr.
Ab der insgesamt 13. Umdrehung des Werkstücks kann die Vorschubgeschwindigkeit um 0,04 mm/s verringert und die Drehrichtung wieder umgekehrt werden. Diese wird bis zur insgesamt 17. Umdrehung des Werkstücks beibehalten. Nach der 17. Umdrehung kann wieder eine erneute Drehrichtungsumkehr erfolgen. Die Drehrichtung wird dabei bis zur insgesamt 25. Umdrehung beibehalten und ab der 25. wieder umgekehrt. Dabei kann auch die Vorschubgeschwindigkeit um 0,02 mm/s reduziert werden.
Ab der 28. Umdrehung kann die Vorschubgeschwindigkeit auf 0 mm/s reduziert werden, so dass die Umformwerkzeuge nicht weiter in Richtung der Oberfläche des Werkstücks bewegt werden, aber bis zur insgesamt 34. Umdrehung des Werkstücks weiter gedreht und bei der 28. Umdrehung die Drehrichtung wieder umgekehrt werden kann.
Die Umformwerkzeuge können dabei beispielsweise mit einer Kraft von jeweils 250 kN bis 350 kN, insbesondere 300 kN oder einem Kraftäquivalent bei dem an der Oberfläche des Werkstücks an der die Verzahnung ausgebildet wird, ein Drehmoment im Bereich 1200 Nm bis 1750 Nm, insbesondere 1500 Nm mittels der Umformwerkzeuge wirkt.
Die hier genannten Parameter kann man bei einem Werkstoff aus Einsatz- und Vergütungsstahl im normalisierten oder weichgeglühten Zustand für ein Werkstück und bei Außendurchmessern von Zahnrädern bis zu 240 mm wählen.
So kann z.B. bei Werkstücken aus Einsatzstahl (z.B. 16MnCr5, 20MnCr5, 18CrNiMo7-6),oder Vergütungsstahl (z.B. C35, C45, 42CrMo4) vorgegangen werden.
Mit der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
• Gute Walzbarkeit durch geringe Zahnhöhe und damit verbunden eine sehr gute Verzahnungsqualität
• Das Verzahnungswalzen erhöht die Festigkeit und beeinflusst die Zahnsteifigkeit, was sich vorteilhaft auf die Drehwegabweichung auswirkt, die letztlich für die Getriebeakustik ausschlaggebend ist. Grund dafür sind Materialfließprozesse durch den Walzprozess. • Das Verzahnungswalzen erzeugt pressblanke und riefenfreie
Oberflächen, die sich besonders haftfest beschichten lassen.
• Die mit der Erfindung erhaltene Verzahnung vermindert die
Kontur-bedingten Probleme bei der Zahnradbeschichtung im PVD-Plasmaprozess und ermöglicht sehr haftfeste und harte ta-C-Beschichtungen auch im Bereich nahe am Zahnfußie Möglichkeit zum Trockenlaufeinsatz bei fast identischem Wirkungsgrad und Laufleistung im Vergleich zu herkömmlichen ölgeschmierten Getrieben. Möchte man diesen Wirkungsgrad weiter ver- bessern, so kann dies idealerweise mit Wasser als Schmiermittel geschehen. Aufgrund der tribochemischen Wechselwirkung auf der polaren ta-C-Oberfläche hat Wasser vergleichbar gute Schmiereigenschaften wie Öl, so dass gänzlich auf Öl als Schmierstoff verzichtet werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Verzahnung an rotationssymmetrischen Oberflächen metallischer Antriebselemente, bei dem ein drehbar gelagertes metallisches Werkstück mit mindestens zwei in einem gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten und drehbar gelagerten jeweils gleichen Umformwerkzeugen mit der Oberfläche des Werkstücks, an der eine Verzahnung ausgebildet werden soll, mit ihren die Form der Verzahnung vorgebenden äußeren Oberflächen in berührenden Kontakt gebracht werden und die Umformwerkzeuge Druckkräfte gegen die Oberfläche, an der die Verzahnung ausgebildet wird, ausüben, wobei die Umformwerkzeuge und/oder das Werkstück mit einem Drehantrieb angetrieben werden und dabei die Umformwerkzeuge mit gleicher Drehzahl gedreht werden, wobei der Abstand der Rotationsachsen der Umformwerkzeuge bei Ausbildung einer Außenverzahnung durch Umformung sukzessive verringert und bei Ausbildung einer Innenverzahnung durch Umformung sukzessive vergrößert wird, bis die vorgegebene Form der Verzahnung durch plastische Umformung erreicht worden ist und dabei die Verzahnung unmittelbar nach der Umformung oder einem Aufbringen einer Beschichtung, die nach erfolgter Umformung zumindest auf Oberflächenbereiche der ausgebildeten Verzahnung aufgebracht wird, eine Profilüberdeckung e a < 1,0 und einen Eingriffswinkel > 20° aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche im Bereich der Verzahnung mit einem Mitten rau wert Ra < 0,4 pm, einer gemittelten Rautiefe Rz < 1,0 pm und einem Materialanteil Rmr > 70 % ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung eine Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) mit einem PVD-Verfahren mit einer Mindestschichtdicke von 2 pm ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verzahnung eine ganzzahlige Profilüberdeckung eingehalten wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopfeingriffsverhältnis von 1:1 ausgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung in drei Stufen mit einem Anwalzen, bei dem eine kleinere Drehzahl als bei einem nachfolgenden Eindringen und einem sich daran anschließenden Kalibrieren eingehalten wird, durchgeführt wird, und beim Anwalzen eine kleinere Vorschubbewegungsgeschwindigkeit eingehalten wird, als beim Eindringen, mit dem die letztendliche Formgebung der Verzahnung, die durch Umformung erfolgt, erreicht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach vorgebbaren Anzahlen an Umdrehungen des Werkstücks mindestens eine Drehrichtungsumkehr durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) mit einer Eindringhärte > 30 GPa ausgebildet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) mit einem variierenden sp3-Anteil zwischen 20 % und 80 % ausgebildet wird, wobei der sp3- Anetil über die Schichtdicke kontinuierlich oder alternierend verändert ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) mit mindestens einem chemischen Element, das ausgewählt ist aus B, Si, W, Mo, Fe, Cu, N, Ti und Cr dotiert wird, wobei ein Anteil des mindestens einen chemischen Elements zwischen 0,1 at% und 10 at% eingehalten wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) mit einem Vakuumlichtbogenverfahren, insbesondere einem gepulst betriebenen Vakuumlichtbogenverfahren ausgebildet wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausbildung der Schicht aus tetraedisch koordiniertem amorphem wasserstofffreiem Kohlenstoff (ta-C) aus der einer Kathode emittierte und in einem Plasma mitgeführte Partikel mit einem Plasmafilter separiert werden.
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