TW201603925A - 蝸輪元件以及製造蝸輪元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種用來製造尤其用於同一方向旋轉的、緊密嚙合的雙軸擠出器的蝸輪元件(1)的方法，所述蝸輪元件包括蝸輪體(3)，所述蝸輪體具有軸向延伸的通穿孔(5)、用來插在支承軸上的內齒(7)以及用來提供擠出功能的外輪廓(9)。金屬的粉末材料(13)逐步地分層地在製造軸線(Z-Z)的方向上相疊地設置在結構平臺(11)上，其中雷射光束(19)根據三維模型的資料以特定的照射順序並且在特定的層位置上對蝸輪元件(1)的每層照射粉末材料(13)。因此部分粉末材料(13)完全重熔，並且與直接位於下方的層材料配合地結合，因此在這些層都變硬之後，根據三維模型產生了完全穩定的蝸輪體(3)。此外，本發明還涉及這樣製造的蝸輪元件。

Description

蝸輪元件以及製造蝸輪元件的方法
本發明涉及一種尤其用於同一方向旋轉的、緊密嚙合的雙軸擠出器的蝸輪元件的方法。此外，本發明還涉及一種蝸輪元件，其尤其用於同一方向旋轉的緊密嚙合的雙軸擠出器，所述蝸輪元件包括蝸輪體，所述蝸輪體具有軸向延伸的通穿孔、用來插在支承軸上的內齒以及用來提供擠出功能的外輪廓。
這種蝸輪元件例如作為雙軸擠出器的一部分應用在不同的工業領域，其中難點在於塑膠的加工。應用在雙軸擠出器中的蝸輪模組化地構成，並且由支承軸和單個的蝸輪元件構成。蝸輪元件的幾何形狀根據雙軸擠出器的方法技術的任務和功能來設計，並且在定義的配置中沿軸向並排安裝在支承軸上。這些蝸輪元件劃分為輸送元件、塑形元件、堵塞元件、混合元件和特種元件(Sonderelemente)這幾大類，它們尤其在適應於各功能的外部幾何形狀方面是不同的。
蝸輪元件迄今的製造方式與種類、大小和功能無關，通過用於外部幾何形狀的常規切削方法(如鋸、車削、銑、旋轉和磨)的組合來實現。為了安裝在支承軸上，蝸輪元件根據機器製造商和結構尺寸具有不同的內部輪廓或內齒，它們承擔著支承軸和蝸輪元件之間的力傳遞功能。 所述內齒在已知的蝸輪元件中通常借助成型的製造方法(例如鍵槽拉削、移空和/或腐蝕)制出。
利用鐵合金和非鐵合金作為已知蝸輪元件的材料，其中根據磨損負荷的方式尤其通過磨損和/或侵蝕來選擇材料。在此應用由熔融金屬和粉末金屬產生的材料。尤其應用實心鋼或HIP-複合鋼。在HIP-複合物中將鋼加工至HRC 66。它們設置有軟的圓柱形內核，但要實現較小的直徑這要非常高的成本，尤其在直徑小於30mm時不經濟。在直徑非常小的情況下(小於20mm)，在熱等靜壓(HIP)-複合體中在技術上不能再進行製造，因為尤其是軟的圓柱形內核可能太薄，不能通過內部輪廓實現足夠的力傳遞，並且借助如移空、衝擊等方法以超過1200N的推力不能為引入內部輪廓而加工高強度的緊密材料。這種材料由於剛性不足會折斷和破碎。
已知的蝸輪元件的典型製造工藝尤其包含的步驟是：鋸、HIP-核定心、粗切削、外形研磨、銑削、內齒的移空、硬化、回火、精磨、噴砂。
已知的蝸輪元件的缺點是，其製造工藝是費力且成本密集。此外，受傳統的切削方法和成型製造方法的制約，在應用特定的硬質合金時，很難或根本不能製造出蝸輪元件的較小直徑以及特定的內、外幾何形狀。
此外，通過應用硬質合金並且與迄今應用的製造方法相結合，在蝸輪元件內製造冷卻通道是非常費力的並且只能軸向平行地製造，因此不能均勻地冷卻外部輪廓。
本發明的目的是，避免上述缺點並且提供一種用來製造尤其直徑較小的蝸輪元件的方法，所述方法能夠簡單且成本低廉地實施，並且所述方法為蝸輪元件的內齒、外部輪廓和冷卻部的造型提供了更大的靈活性。
此目的通過以下方式得以實現，即金屬的粉末材料逐步地分層地在製造軸線的方向上相疊地設置在結構平臺上，其中雷射光束根據三維模型的資料以特定的照射順序並且在特定的層位置上對蝸輪元件的每層照射粉末材料，因此部分粉末材料完全重熔並且與直接位於下方的層材料配合地結合，因此在這些層都變硬之後，根據三維模型產生了完全穩定的蝸輪體。通過這種方法，不需要為製造蝸輪元件而應用傳統的切削加工方法和成型製造方法。因此能夠以簡單的方式為內齒和蝸輪元件的外輪廓製造出新的幾何形狀。這一點尤其能夠製造出完全由硬質合金構成的蝸輪元件。這一點還能夠成本低廉地製造出直徑較小的蝸輪元件。
在這種方法中尤其有利的是，粉末材料的層的待照射的位置棋盤狀地劃分成小塊，其中所述雷射光束借助隨機的照射順序來照射層的不同小塊。這些待照射的層尤其劃分為徑向相對製造軸線環繞的照射區，其中照射區的照射順序是徑向地由內朝外。這一點能夠在製造過程中實現熱量的更好分佈，並且避免在製造時不受控制地加熱蝸輪元件。此外，這一點還在結構尤其小的情況下(例如在內齒的情況下)避免了熔化。此外，這還在製造過程中還減少了由熱量引起的蝸輪元件的結構延遲(Verzug)這一風險。
尤其在所述方法的實施例中，除了這些層中的蝸輪元件以外 還通過雷射光束產生支撐結構，因此待製造的蝸輪元件在製造過程中支撐在粉末材料中，尤其支撐在結構平臺上。在此有利的是，支撐結構與蝸輪元件的外輪廓和/或下端側相連，因此它們在熔化過程中將產生的熱量從蝸輪元件中匯出。
在本發明的有利的實施例中，所述粉末材料較佳地包括粉末狀的高強度的高速切削鋼，尤其具有較高的碳化物成份(鉻碳化物、釩碳化物、鎢碳化物)，或者是粉末狀的鈷-鉻或鎳-鉻-鉬硬質合金。這一點可使蝸輪元件具有尤其硬的且有抵抗能力的外輪廓。
此外本發明的目的是，提供一種尤其直徑較小的蝸輪元件，其能夠尤其簡單且成本低廉地製成，它具有更好的內齒、更好的冷卻部和更好的外輪廓。
此目的還通過以下方式得以實現，即根據上述根據本發明的方法製成蝸輪元件，其尤其用於同一方向旋轉的緊密嚙合的雙軸擠出器，所述蝸輪元件包括蝸輪體，所述蝸輪體具有軸向延伸的通穿孔、用來插在支承軸上的內齒以及用來提供擠出功能的外輪廓。
在尤其有利的實施例中，至少一個軸向延伸的位於內部的冷卻通道設置在蝸輪體中，所述冷卻通道尤其以相對外輪廓的表面或相對內齒的表面以均勻徑向間距進行延伸，並且跟隨著這些表面的走向。這一點能夠優化內齒和/或外輪廓的冷卻，從而尤其達到更好的使用壽命。
在另一實施例中，內齒構成為漸開線嚙合。所述內齒尤其這樣構成，即能夠在蝸輪體和支承軸之間實現大於/等於1200N/mm2的力傳遞。這一點能夠在內齒上實現更好的力分配，從而能夠傳遞更大的力和/或 應用更硬的材料。
本發明的其它有利的構造方案由下面的詳細說明、圖式和申請專利範圍得出。其中：圖1a為根據本發明的蝸輪元件的立體圖；圖1b為根據圖2的根據本發明的蝸輪元件的端側的俯視圖；圖2為根據本發明的用來製造蝸輪元件的方法的示意圖；圖3為根據本發明的蝸輪元件在與支撐結構呈90支佈局的剖面圖；圖4為根據本發明的蝸輪元件在與支撐結構呈45支佈局的剖面圖；圖5示出了對於材料1.3242的時間-溫度-轉換圖表。
對於以下的描述，需強調的是，本發明並不局限於這些實施例，也不局限於所述的特徵組合的所有特徵或多個特徵，而是每個實施例單個局部特徵都能夠與其它在上下文中描述的局部特徵分開，並且也能與其它實施例的任意特徵組合起來，成為根據本發明的重要內容。
圖1a和1b示出了根據本發明的蝸輪元件1的實施例。蝸輪元件1尤其構造得用於未示出的、同一方向旋轉的、緊密嚙合的雙軸擠出器。蝸輪元件1包括蝸輪體3，其具有軸向延伸的通穿孔5、用來插在支承軸上的內齒7以及用來提供擠出功能的外輪廓9。為了與這種雙軸擠出器一起使用，所述蝸輪元件1與其它蝸輪元件一起軸向地沿著蝸輪元件1的軸線X-X推到雙軸擠出器的未示出的支承軸上。
通穿孔5的內齒7有利地構成為漸開線嚙合(尤其根據2006 年的DIN 5480或備選地根據2005年的ISO 4156)。這可在支承軸上實現更高的力傳遞。所述內齒7尤其這樣構成，即能夠在蝸輪體3和支承軸之間實現大於/等於1200N/mm2的力傳遞。在利的是，內齒7的輪廓偏差尤其是±0.01mm。
蝸輪體3的外徑(尤其是外輪廓9的最大外徑)小於/等於58mm，較佳地小於/等於30mm。最小的外徑尤其是12mm。輪廓間距的最大偏差(即外輪廓9的表面至通穿孔5的內壁的間距)尤其是±0.05mm。
有利的是，蝸輪體3由單組分材料構成。所述單組分材料尤其是高強度的高速切削鋼，尤其具有較高的碳化物成份(鉻碳化物、釩碳化物、鎢碳化物)，或者是鈷-鉻或鎳-鉻-鉬硬質合金。蝸輪體3的表面硬度在HRC 40至HRC 70的範圍內，較佳地HRC 56至HRC 70(根據洛氏硬度檢測方法，HRC類)。因此在擠出工藝期間尤其實現了針對硬填充物和增強介質(如玻璃纖維、碳素纖維、滑石等)的更高耐磨性，並且實現針對水和酸(如HCL、HNO3、HSO3CL)的更高耐腐蝕性。
在根據本發明的蝸輪元件1的未示出的有利的實施例中，至少一個軸向延伸的位於內部的冷卻通道設置在蝸輪體3中，所述冷卻通道尤其以相對外輪廓9的表面或朝內齒7的表面的均勻徑向間距進行延伸，並且跟隨著這些表面的走向。冷卻的緊密性尤其在20℃至350℃的溫度範圍內。
外輪廓9有利地這樣構成，即外輪廓9的表面沿著軸向伸展處處或者說至少幾乎處處都相對平行設置的、具有相同外輪廓9的蝸輪元件1的表面具有同樣的間距。
本發明的蝸輪元件1根據圖2的本發明的方法以層式構造方法借助結構平臺(Bauplattform)11製成。在本方法中，金屬的粉末材料13逐步地分層地在製造軸線Z-Z的方向上相疊地設置。為此，粉末材料13通常借助刮板15或軋輥施加在結構平臺11的整個表面上。粉末材料13在每個步驟中都通過提升作為儲備容器的粉末平臺17來供應，並且借助刮板15輸送到結構平臺11上。
雷射器21的雷射光束19根據三維模型的資料以特定的照射順序並且在特定的層位置上對蝸輪元件1的每層照射粉末材料13。因此，部分粉末材料13完全熔化或重熔，並且與直接位於下方的層材料配合地結合。在此，由雷射光束19供應的能量被粉末材料13吸收，並且在整個表面還原的情況下引起微粒的局部受限的燒結或熔化。結構平臺11逐步地輕微下降，以在下一個步驟中產生下一層。在所有層都變硬之後，已根據三維模型產生了完全穩定的蝸輪體3。所述加工逐層地在豎直方向上進行，從而也可以產生背切(hinterschnitt)的輪廓。
在所述方法的較佳實施例中，粉末材料13的層的待照射的位置棋盤狀地劃分成小塊，其中所述雷射光束19借助隨機的照射順序來照射層的不同小塊。這些待照射的層尤其劃分為徑向相對製造軸線Z-Z環繞的照射區，其中照射區的照射順序是徑向地由內朝外。這能夠在製造過程中更好地控制蝸輪體3中的熱量發展。
此外，在根據本發明的方法的另一有利的實施例中，除了這些層中的蝸輪元件1以外，通過雷射光束19還熔化支撐結構23，因此待製造的蝸輪元件1在製造過程中支撐在粉末材料13中。有利的是，支撐結構 23與蝸輪元件1的外輪廓9和/或面向結構平臺11的端側相連，因此支撐結構23在熔化過程中將產生的熱量從蝸輪元件1中匯出。支撐結構23尤其首先在外輪廓9的第一部段中與結構平臺平行地徑向地從蝸輪體3延伸開來，隨後在第二部段中與製造軸線Z-Z平行地一直延伸至結構平臺11。支撐結構23尤其構成為蜂窩狀。在根據圖3的實施例中以一種方式製造出蝸輪體3，使得蝸輪元件1的軸線X-X與製造軸線Z-Z平行。在根據圖4的第二實施例中以一種方式製造出蝸輪體3，使得蝸輪元件1的軸線X-X與製造軸線Z-Z圍成45º的角度。根據所需的熱量排放情況，原則上還可考慮其它角度。因此，能夠在結構平臺11上實現良好的熱連接，並因此在熔化之後實現熱量的有效排放。這一點尤其在冷卻階段避免了由熱量引起的材料延遲。這一點尤其對於內齒來說是重要的，以確保良好的力傳遞。
所述粉末材料13較佳地包括粉末狀的高強度的高速切削鋼，尤其具有較高的碳化物成份(鉻碳化物、釩碳化物、鎢碳化物)，或者是粉末狀的鈷-鉻或鎳-鉻-鉬硬質合金。單個層的層厚尤其在20μm至100μm之間。
在根據本發明的方法的有利的實施方案中，雷射光束19的雷射能量和雷射接通時間這樣針對粉末材料13和層厚進行調節，即粉末材料13在重熔狀態下直接從蝸輪體3的製造工藝中硬化。所述硬化在此根據1994年10月的DIN 17022來進行。為此，為了粉末材料13的重熔這樣選擇這些雷射參數，即構件中產生的工藝熱量通過粉末床或支撐構造以對於所用的粉末材料13來說足夠的淬火速度從支撐結構23中排出。從各個所用的粉末材料13的時間-溫度-轉換圖表中得出所需的淬火速度。
圖5示出了，在持續冷卻時且奧氏體化溫度為1150℃且保持時間為10分鐘時對於材料1.3242的時間-溫度-轉換圖表作為實例。在此，這些雷射參數和支撐結構23根據本發明這樣相互匹配，即在蝸輪體3中實現表面的或者影響邊緣的或劇烈的硬度上升，直至達到HRC 40至HRC 70範圍內(尤其是HRC 56至HRC 70)的硬度。所述硬度上升在此只通過組織變換來進行，但不改變化學組分。因此，通過蝸輪元件1的額外的熱處理，節省了硬化的附加工藝步驟。
本發明並不局限於所示和所述的實施例，而是還包含所有在本發明意義中起相同作用的實施方式。在說明上應強調的是，這些實施例不是局限於所有特徵的組合，每個單一的特徵都能從其它特徵中分離開來，成為根據本發明的重要內容。此外，本發明迄今為此還未局限於在申請專利範圍第1項中定義的特徵組合，而是也可通過所有公開的單一特徵的特定特徵的各種任意的其它組合來定義。這意味著，實際上原則上能夠略去申請專利範圍第1項的每個單一特徵，或者通過至少一個在本申請的其它內容中公開的單一特徵來代替。

Claims (15)

  1. 一種用來製造尤其用於同一方向旋轉的、緊密嚙合的雙軸擠出器的蝸輪元件(1)的方法，所述蝸輪元件包括蝸輪體(3)，所述蝸輪體具有軸向延伸的通穿孔(5)、用來插在支承軸上的內齒(7)以及用來提供擠出功能的外輪廓(9)，其特徵在於，金屬的粉末材料(13)逐步地分層地在製造軸線(Z-Z)的方向上相疊地設置在結構平臺(11)上，其中雷射光束(19)根據三維模型的資料以特定的照射順序並且在特定的層位置上對蝸輪元件(1)的每層照射粉末材料(13)，因此部分粉末材料(13)完全重熔，並且與直接位於下方的層材料配合地結合，從而在所有層都變硬之後，根據三維模型產生了完全穩定的蝸輪體(3)。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其特徵在於，所述粉末材料(13)的層的待照射的位置棋盤狀地劃分成小塊，其中所述雷射光束(19)借助隨機的照射順序來照射層的不同小塊。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項所述的方法，其特徵在於，這些待照射的層劃分為徑向相對製造軸線(Z-Z)環繞的照射區，其中所述照射區的照射順序是徑向地由內朝外。
  4. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項所述的方法，其特徵在於，所述粉末材料(13)包括粉末狀的高強度的高速切削鋼或粉末狀的鈷-鉻或鎳-鉻-鉬硬質合金。
  5. 根據申請專利範圍第1至4項中任一項所述的方法，其特徵在於，單個層的層厚在20μm至100μm之間。
  6. 根據申請專利範圍第1至5項中任一項所述的方法，其特徵在於， 除了這些層中的蝸輪元件(1)以外，還通過雷射光束(19)產生了支撐結構(23)，因此待製造的蝸輪元件(1)在製造過程中支撐在粉末材料(13)中。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的方法，其特徵在於，所述支撐結構(23)與蝸輪元件(1)的外輪廓(9)和/或面向結構平臺(11)的端側相連，因此在熔化過程中將產生的熱量從蝸輪元件(1)中匯出。
  8. 根據申請專利範圍第1至7項中任一項所述的方法，其特徵在於，用於雷射重熔的工藝溫度和支撐結構(23)這樣設計，即在重熔時產生的熱量對於所用的粉末材料(13)來說足夠快地排出，並且硬度在表面上或者劇烈地上升，直至達到HRC 40至HRC 70範圍內，尤其是HRC 56至HRC 70範圍內的硬度。
  9. 一種根據申請專利範圍第1至8項中任一項所述方法所製造的蝸輪元件(1)，其尤其用於同一方向旋轉的、緊密嚙合的雙軸擠出器，所述蝸輪元件包括蝸輪體(3)，所述蝸輪體具有軸向延伸的通穿孔(5)、用來插在支承軸上的內齒(7)以及用來提供擠出功能的外輪廓(9)。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的蝸輪元件(1)，其特徵在於，至少一個軸向延伸的位於內部的冷卻通道設置在蝸輪體(3)中，所述冷卻通道以相對外輪廓(9)的表面或相對內齒(7)的表面的均勻徑向間距進行延伸，並且跟隨著這些表面的走向。
  11. 根據申請專利範圍第9或10項所述的蝸輪元件(1)，其特徵在於，所述內齒(7)構成為漸開線嚙合。
  12. 根據申請專利範圍第9至11項中任一項所述的蝸輪元件(1)，其特徵在於， 所述外輪廓(9)這樣構成，即外輪廓(9)的表面沿著軸向伸展相對於平行設置的、具有相同外輪廓(9)的蝸輪元件(1)的表面處處都具有同樣的間距。
  13. 根據申請專利範圍第1至12項中任一項所述的蝸輪元件(1)，其特徵在於，所述內齒(7)這樣構成，即能夠在蝸輪體(3)和支承軸之間實現大於/等於1200N/mm2的力傳遞。
  14. 根據申請專利範圍第1至13項中任一項所述的蝸輪元件(1)，其特徵在於，所述蝸輪體(3)的外徑小於/等於58mm，較佳地小於/等於30mm。
  15. 根據申請專利範圍第1至14項中任一項所述的蝸輪元件(1)，其特徵在於，所述蝸輪體(3)的表面硬度在HRC 40至HRC 70的範圍內，較佳地在HRC 56至HRC 70的範圍內。
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