WO2008107045A1 - Bearbeitung von werkstücken zur verbesserung der materialeigenschaften - Google Patents

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WO2008107045A1
WO2008107045A1 PCT/EP2008/000594 EP2008000594W WO2008107045A1 WO 2008107045 A1 WO2008107045 A1 WO 2008107045A1 EP 2008000594 W EP2008000594 W EP 2008000594W WO 2008107045 A1 WO2008107045 A1 WO 2008107045A1
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WO
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workpiece
toothing
gear
fibers
twisted
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PCT/EP2008/000594
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Hirschvogel
Hans-Willi Raedt
Original Assignee
Hirschvogel Umformtechnik Gmbh
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Publication date
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/14—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass gear parts, e.g. gear wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/02—Preliminary treatment of metal stock without particular shaping, e.g. salvaging segregated zones, forging or pressing in the rough
    • B21J1/025—Preliminary treatment of metal stock without particular shaping, e.g. salvaging segregated zones, forging or pressing in the rough affecting grain orientation
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/28—Making machine elements wheels; discs
    • B21K1/30—Making machine elements wheels; discs with gear-teeth
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23F—MAKING GEARS OR TOOTHED RACKS
    • B23F17/00—Special methods or machines for making gear teeth, not covered by the preceding groups

Definitions

  • the invention relates to a workpiece which is provided for producing a gear with oblique or curved teeth and has improved material properties and a corresponding gear and a method for producing this gear.
  • Gears can be made in principle in three ways; by primary forming, such as, for example, casting or sintering, by forming, such as. Forging, pressing, drawing, rolling or stamping or by machining.
  • gears are made of a metallic rod-shaped blank.
  • the blank By forming, such as. Extrusion or forging, the blank is first brought into the desired shape. By subsequent machining of the formed workpiece, a toothing is finally introduced into the workpiece.
  • Metal-based inclusions such as, for example, segregations, are present in the metallic rod-shaped blank, also as a result of production, as small, needle-shaped, axially extending fibers. These fibers have a length of eg up to about 100 micrometers and a diameter of eg up to approx. 2 microns.
  • a component such as a gear with a shank
  • the fibers extending in the axial direction emerge in particular on the tooth flanks of the gear and on shoulders of the gear head and / or the shaft on the surface of the component ,
  • the fibers emerging on the surface have a negative effect on the material properties of the component. The consequences are, for example, increased wear and fatigue.
  • Document EP 1 674 172 A1 discloses a method for improving the pressure resistance in a metallic component, more precisely an injection nozzle of an internal combustion engine.
  • the aim of the European invention is to control the fiber flow of the inclusions by means of plastic deformation by extrusion along the
  • helical gearing or curved gearing too Spiral serration, does not run along the axial direction of the component, but at a certain angle (helix angle, spiral angle) obliquely thereto.
  • the fibers come out at the teeth. This has, for example, an increased wear on the tooth flanks, a lower pitting resistance and an increased risk of tooth root damage such as tooth breakage result.
  • a workpiece for producing a gear with oblique or curved toothing is provided.
  • the workpiece is formed by a substantially rotationally symmetrical body made of metal or a metal alloy.
  • the workpiece is further twisted at least over part of its axial length.
  • the course of extending in the axial direction of the workpiece fibers is changed such that the fiber profile after machining is favorable to the subsequent outer geometry of the component to be produced.
  • the outer geometry is, for example, by a Gear toothing formed.
  • the fibers over the entire tooth width substantially parallel to the obliquely or helically extending teeth on the surface.
  • the fibers no longer, or not significantly, emerge from the machined surfaces after the machining. In this way, improved material properties, for example, due to higher wear and Pittingfestmaschine and a lower risk of Zahnfußbruches achieved.
  • the workpiece is rod-like.
  • a rod-like design workpiece is simple and evenly twisted over its length.
  • blanks for gear production by means of forming techniques, such as extrusion, usually as a rod before, whereby these workpieces can be processed with the same machines and in the same way to gears.
  • the use of additional or new machinery for gear production is eliminated.
  • the rod is twisted in a frontal area.
  • the workpiece has axially facing fiber inclusions. These fiber inclusions are helically aligned in the area of the twisting.
  • the fiber course of the material to the surface course, that is, for example, the teeth of a helical or curved toothed wheel.
  • the workpiece is twisted to different degrees over at least part of its axial length.
  • a second aspect of the invention relates to a toothed wheel which consists of metal or a metal alloy with production-related fiber inclusions.
  • the gear has an oblique or curved toothing.
  • the material of the toothed wheel is twisted in the region of the helical or curved toothing in such a way that the fiber inclusions are aligned substantially following the toothing.
  • a gear according to the second aspect of the invention has a fiber profile, which is aligned substantially following the surface course of the helical or toothing. Fibers therefore no longer occur or only to a negligible extent from the cutting machined surfaces out.
  • the gear accordingly has improved material properties due to higher wear and pitting resistance and a lower risk of tooth breakage on.
  • a third aspect of the invention relates to a method for producing a gear according to the invention.
  • a toothing is introduced into a substantially rotationally symmetrical workpiece consisting of metal or a metal alloy.
  • the method is characterized in that the workpiece is further subjected to a torsion treatment, such that production-related fiber inclusions in the material are aligned substantially following the toothing.
  • the orientation of the fibers is changed by means of the method according to the invention for producing a toothed wheel in such a way that the fiber profile has a property-improving effect on the material. This is the case with gears when the fibers are substantially aligned with the helical gearing.
  • the workpiece is subjected to the torsion treatment before the introduction of the toothing.
  • the workpiece is in front of the introduction of the teeth in rod form. It is thus easy to handle and flexibly twistable. In this way, the fiber flow can be easily aligned in the material as desired.
  • Fig. Ia shows a schematic view of a
  • Fig. Ib shows a schematic view of a partially twisted workpiece with Faserein Whyn.
  • 1c shows a schematic view of a workpiece with fiber inclusions twisted over its entire length.
  • Figure 2a shows a schematic view of a
  • FIG. 2b shows a schematic view of a
  • FIG. 1a shows a rotationally symmetrical body 1, also referred to below as a workpiece.
  • the workpiece 1 is preferably formed of metal or a metal alloy. This workpiece 1 preferably has the same cross-section over its entire length L. The workpiece 1 is thus preferably rod-shaped.
  • This shape has the advantage that rod-shaped workpieces are usually used as raw material in gear production by means of forming.
  • a rod-shaped workpiece is easy to handle and twistable. A use of additional machines and complex manufacturing or torsion process is thus eliminated.
  • the material of the workpiece 1 has production-related non-metallic inclusions 8.
  • the fiber inclusions 8 can be for example approximately up to approximately 100 micrometers in length and up to approximately 2 micrometers in diameter exhibit.
  • FIGS. 1 b and 1 c each show a workpiece 2, 3, like the workpiece 1, which are twisted counterclockwise T over a length LT.
  • the length LT may be both smaller than or equal to the total length L of the body 2, 3.
  • the fiber inclusions 8 are aligned in accordance with the torsion direction T.
  • Line 9 indicates the orientation of the fiber path.
  • the fiber inclusions are preferably aligned helically. Any other orientation to be created by torsion of the material is also conceivable.
  • the workpiece 2, 3 is thus so twisted that the fiber 9 of the trapped in the material of the workpiece 2, 3 fibers 8 is favorable to the subsequent outer geometry of the component to be produced; of the
  • Fiber orientation 9 is thus optimally aligned with the surface profile of the component.
  • the outer geometry is preferably formed by the toothing of a toothed wheel.
  • the surface course becomes accordingly formed for example by the teeth of a helical or arc-toothed gear.
  • Conveniently aligned in this case means that the fibers 8 over the entire tooth width are substantially parallel to the teeth or tooth flanks extending obliquely or helically on the surface of the workpiece 2, 3.
  • the length LT extends over the regions of the workpiece 2, 3, in which an oblique or curved toothing is to be introduced or in which due to the torsion further advantageous material properties due to specifically oriented fiber progressions 9 are desired.
  • the length LT preferably extends only in one end region of the rod-shaped part
  • the fiber flow 9 of the material can be optimally adapted to the surface profile, that is, for example, the course of teeth of a gear.
  • the fiber course 9 of the material is optimally adapt to the spiral angle. Negative influences by exiting fiber inclusions 8 are thus minimized and thus also the likelihood of increased wear, pitting and Zahnfußbruch.
  • FIGS. 2 a and 2 b show components 4, 5 according to the invention.
  • the component 4, also referred to below as a spur gear, is integrally formed from a gear head 6 s with helical toothing 40 and a shaft 7 s.
  • the component 5, also called conical screwing wheel in the following, is integrally formed from a toothed wheel head 6b with helical teeth 50 and a shaft 7b. It is also conceivable that one
  • Component is formed only of a gear. It is also conceivable that a component is designed in several parts and the parts are joined together in a further step.
  • the dot-dashed line 9s in Figure 2a indicates the orientation of the fiber flow of the fibers 8 in the gear head 6s. It can be seen that at least the region in which the gear 6s is formed is twisted such that the fibers 8 parallel to the teeth of the
  • Helical teeth 40 run.
  • the dot-dashed line 9b in FIG. 2b shows the orientation of the fiber path of the fibers 8 in FIG Gear head 6b on. It can also be seen here that at least the region in which the gear head 6b is formed is twisted in such a way that the fibers 8 run parallel to the teeth of the curved toothing 50. Since, as FIG. 2b clearly shows, the teeth of the curved toothing 50 have a continuously changed spiral angle over their tooth width, the material of the gear wheel head 6b is twisted to different degrees so that the fibers 8 are aligned parallel to the teeth over the entire tooth width according to the helix angle are.
  • the rod-shaped workpiece 1 is twisted according to the external geometry to be produced in a dedicated machine.
  • the workpiece 1 can be twisted over its entire length L or only part of its axial length LT.
  • the workpiece 1 can be twisted differently over the length L or LT, so that the fibers 8 are also aligned differently over the length L or LT of the workpiece 1.
  • the workpiece 1 can be twisted clockwise and / or counterclockwise T.
  • the machines used are known and are used today, for example, for twisting crankshafts; So a method for pure geometry generation and not for property improvement.
  • the production-related fiber inclusions 8 in the material of the workpiece 2, 3 are thus aligned such that they are aligned following the machining of the teeth 40 and 50, respectively.
  • the diameter of the shaft 7b, 7s are formed accordingly. Furthermore, the upsetting of a gear head, for example for Hypoidvertechnikept 50, possible.
  • the toothing 40, 50 is introduced into the component 4, 5. This happens, for example, by means of Formschneidoder Wälz compiler. Since the fiber inclusions 8 are aligned substantially following the toothing 40, 50 to be produced, no fibers 8 or only a small amount emerge from the toothing 40, 50 after the machining. The wear resistance and pitting resistance are thereby increased and the risk of tooth root breakage is reduced.
  • the invention is not limited to the stated restrictions. In order to save working steps, it is possible, for example as an alternative to the machining production method, to insert the toothing 40, 50 during the forming directly into the component 4, 5. Furthermore, it is possible that
  • the invention is not limited to front and Kegelschraubrate further. Rather, the invention is not limited to gears. All components in which an improvement in material properties is caused by helical or otherwise torsion-oriented fiber inclusions are covered by the invention.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkstück (1) zur Herstellung eines Zahnrades mit Schräg- oder Bögenverzahnung. Das Werkstück ist durch einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Körper aus Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Das Werkstück ist ferner zumindest über einen Teil (LT) seiner axialen Länge (L) hinweg tordiert. Durch die Torsion des Werkstücks wird der Verlauf der sich in Axialrichtung des Werkstücks erstreckenden Fasern (8) derart geändert, dass der Faserverlauf (9) nach der Bearbeitung günstig zur späteren Außengeometrie, bspw. einer Zahnradverzahnung, des herzustellenden Bauteils liegt. Dadurch treten nach der spanenden Bearbeitung die Fasern nicht mehr oder nicht wesentlich aus den spanend bearbeiteten Flächen heraus, wodurch verbesserte Materialeigenschaften wie bspw. höhere Verschleiß- und Pittingfestigkeit sowie eine geringere Gefahr von Zahnfußbruch erzielt werden. Die Erfindung betrifft zudem ein erfindungsgemäßes Zahnrad sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Zahnrades.

Description

Bearbeitung von Werkstücken zur Verbesserung der Materialeigenschaften
Die Erfindung betrifft ein Werkstück welches zur Herstellung eines Zahnrades mit Schräg- oder Bogenverzahnung vorgesehen ist und verbesserte Materialeigenschaften aufweist sowie ein entsprechendes Zahnrad und ein Verfahren zur Herstellung dieses Zahnrades.
Zahnräder können prinzipiell auf drei Arten hergestellt werden; durch Urformen, wie bspw. Gießen oder Sintern, durch Umformen, wie bspw. Schmieden, Pressen, Ziehen, Walzen oder Stanzen oder durch spanende Bearbeitung.
Urformende Verfahren werden häufig für weniger stark belastete Zahnräder eingesetzt. Einer kostengünstigen Herstellung steht allerdings eine nicht so große Formgenauigkeit entgegen.
Bei hochbelasteten Zahnrädern kommen meist spanende Verfahren zum Einsatz. Mit diesen Verfahren lassen sich in der Regel höhere Genauigkeiten erzielen als mit urformenden oder umformenden Verfahren.
Häufig werden Zahnräder aus einem metallischen, stangenförmigen Rohling hergestellt. Durch Umformen, wie bspw. Fließpressen oder Schmieden, wird der Rohling zunächst in die gewünschte Form gebracht. Durch anschließende spanende Bearbeitung des umgeformten Werkstücks wird schließlich eine Verzahnung in das Werkstück eingebracht . Im Metall herstellungsbedingt vorhandenen Einschlüsse, wie bspw. Seigerungen, liegen im metallischen, stangenförmigen Rohling, ebenfalls herstellungsbedingt, als kleine, nadeiförmige, sich in Axialrichtung erstreckende Fasern vor. Diese Fasern haben eine Länge von z.B. bis zu ca. 100 Mikrometern und einen Durchmesser von z.B. bis zu ca . 2 Mikrometern.
Wird ein Bauteil, wie bspw. Zahnrad mit Schaft, direkt durch spanende Bearbeitungsverfahren aus dem Rohling gefertigt, so treten die sich in Axialrichtung erstreckenden Fasern insbesondere an den Zahnflanken des Zahnrades und an Absätzen des Zahnradkopfes und/oder des Schafts an der Oberfläche des Bauteils heraus. Die an der Oberfläche austretenden Fasern wirken sich negativ auf die Materialeigenschaften des Bauteils aus. Die Folgen sind beispielsweise ein erhöhter Verschleiß und Ermüdungserscheinungen .
Aus der Druckschrift EP 1 674 172 Al ist ein Verfahren zur Verbesserung des Druckwiderstandes in einem metallischen Bauteil, genauer einer Einspritzdüse eines Verbrennungsmotors, bekannt. Das Ziel der europäischen Erfindung ist es, den Faserverlauf der Einschlüsse mittels plastischer Verformung durch Fließpressen entlang der
Bauteil -Außengeometrie auszurichten; und somit auch entlang des in einem weiteren Schritt im Bauteil ausgebildeten Einspritzkanals.
Es hat sich herausgestellt, dass das oben genannte
Verfahren insbesondere bei der Fertigung von schrägverzahnten oder bogenverzahnten Zahnrädern keine Verbesserung der Materialeigenschaften hervorruft . Die Schrägverzahnung bzw. Bogenverzahnung, auch SpiralVerzahnung genannt, verläuft nicht entlang der Axialrichtung des Bauteils, sondern unter einem gewissen Winkel (Schrägungswinkel , Spiralwinkel) schräg dazu. Infolgedessen treten besonders bei schräg- bzw. bogenverzahnten Zahnrädern die Fasern an der Verzahnung heraus. Dies hat bspw. einen erhöhten Verschleiß an den Zahnflanken, eine geringere Pittingfestigkeit sowie eine erhöhte Gefahr von Zahnfußschäden wie Zahnbruch zur Folge.
Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung auf einfache Weise ein Werkstück zur Herstellung eines Zahnrades mit Schräg- oder Bogenverzahnung derart zu bearbeiten, dass eine Verbesserung der Materialeigenschaften am fertigen Bauteil erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Werkstück zur Herstellung eines Zahnrades mit Schräg- oder Bogenverzahnung vorgesehen. Das Werkstück ist durch einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Körper aus Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Das Werkstück ist ferner zumindest über einen Teil seiner axialen Länge hinweg tordiert .
Durch die Torsion des Werkstücks, bspw. des Rohlings zur Zahnradherstellung, wird der Verlauf der sich in Axialrichtung des Werkstücks erstreckenden Fasern derart geändert, dass der Faserverlauf nach der Bearbeitung günstig zur späteren Außengeometrie des herzustellenden Bauteils liegt. Die Außengeometrie ist bspw. durch eine Zahnradverzahnung gebildet. Vorteilhafterweise liegen dann bei einer abschließenden spanenden Bearbeitung des Bauteils, bspw. durch Formschneid- oder Wälzverfahren, die Fasern über die gesamte Zahnbreite im Wesentlichen parallel zu den sich auf der Oberfläche schräg bzw. helikal erstreckenden Zähnen. Durch die Neuausrichtung des Faserverlaufs treten nach der spanenden Bearbeitung die Fasern somit nicht mehr oder nicht wesentlich aus den spanend bearbeiteten Flächen heraus. Auf diese Weise werden verbesserte Materialeigenschaften bspw. aufgrund höherer Verschleiß- und Pittingfestigkeit sowie einer geringeren Gefahr eines Zahnfußbruches erzielt.
Vorteilhafterweise ist das Werkstück stangenartig ausgebildet.
Ein stangenartig ausgebildetes Werkstück ist einfach und über seine Länge gleichmäßig tordierbar. Außerdem liegen Rohlinge zur Zahnradherstellung mittels Umformtechniken, wie bspw. Fließpressen, üblicherweise als Stange vor, wodurch diese Werkstücke mit denselben Maschinen und auf dieselbe Weise zu Zahnrädern weiterverarbeitet werden können. Der Einsatz zusätzlicher oder neuer Maschinen zur Zahnradherstellung entfällt.
Vorteilhafterweise ist die Stange in einem Stirnbereich tordiert .
Dies ist bspw. bei der Herstellung eines Zahnrades mit einteilig ausgeformten Schaft vorteilhaft. Bei einem Zahnrad mit Schaft werden demnach nur die Bereiche tordiert, in denen die Verzahnung entstehen soll. Sowohl der Schaft als auch das mit dem Schaft einteilig ausgebildete Zahnrad weisen somit optimale Materialeigenschaften durch einen gezielt ausgerichteten Faserverlauf auf .
Vorteilhafterweise weist das Werkstück in Axialrichtung weisende Fasereinschlüsse auf . Diese Fasereinschlüsse sind im Bereich der Tordierung helikal ausgerichtet.
Auf diese Weise ist es möglich, den Faserverlauf des Materials optimal an den Oberflächenverlauf, also beispielsweise der Zähne eines schräg- oder bogenverzahnten Zahnrades, anzupassen.
Vorteilhafterweise ist das Werkstück wenigstens über einen Teil seiner axialen Länge hinweg unterschiedlich stark tordiert ist.
Auf diese Weise ist es möglich, den Faserverlauf des Materials, insbesondere bei Bogenverzahnungen mit über die Zahnbreite verändertem Spiralwinkel, optimal an den Spiralwinkel anzupassen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Zahnrad, welches aus Metall oder einer Metalllegierung mit herstellungsbedingten Fasereinschlüssen besteht. Das Zahnrad weist eine Schräg- oder Bogenverzahnung auf. Das Material des Zahnrades ist im Bereich der Schräg- oder Bogenverzahnung derart tordiert, dass die Fasereinschlüsse im Wesentlichen der Verzahnung folgend ausgerichtet sind.
Ein Zahnrad gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist einen Faserverlauf auf, der im Wesentlichen dem Oberflächenverlauf der Schräg- bzw. Bogenverzahnung folgend ausgerichtet ist. Fasern treten daher nicht mehr oder nur in einem unerheblichen Umfang aus den spanend bearbeiteten Flächen heraus. Das Zahnrad weist demgemäß verbesserte Materialeigenschaften aufgrund höherer Verschleiß- und Pittingfestigkeit sowie einer geringeren Gefahr eines Zahnfußbruches auf.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zahnrades. Dabei wird in ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Werkstück bestehend aus Metall oder einer Metalllegierung eine Verzahnung eingebracht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ferner einer Torsionsbehandlung unterzogen wird, derart, dass herstellungsbedingte Fasereinschlüsse in dem Material im Wesentlichen der Verzahnung folgend ausgerichtet sind.
Durch den zusätzlichen Schritt der Werkstückstorsion wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Zahnrades die Ausrichtung der Fasern derart geändert, dass sich der Faserverlauf eigenschaftsverbessernd auf das Material auswirkt. Dies ist bei Zahnrädern dann der Fall, wenn die Fasern im Wesentlichen der Schräg- bzw. Bogenverzahnung folgend ausgerichtet sind.
Vorteilhafterweise wird das Werkstück vor dem Einbringen der Verzahnung der Torsionsbehandlung unterzogen.
Das Werkstück liegt vor dem Einbringen der Verzahnung in Stangenform vor. Es ist somit einfach zu handhaben und flexibel tordierbar. Auf diese Weise lässt sich der Faserverlauf auf einfache Weise beliebig im Material ausrichten. Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren der begleitenden Zeichnungen erläutert werden.
Fig. Ia zeigt eine schematische Ansicht eines
Werkstücks mit Fasereinschlüssen.
Fig. Ib zeigt eine schematische Ansicht eines teilweise tordierten Werkstücks mit Fasereinschlüssen.
Fig. Ic zeigt eine schematische Ansicht eines über seine gesamte Länge tordierten Werkstücks mit Fasereinschlüssen.
Figur 2a zeigt eine schematische Ansicht eines
Bauteils mit Schaft und schrägverzahntem
Stirnrad.
Figur 2b zeigt eine schematische Ansicht eines
Bauteils mit Schaft und bogenverzahntem KegeIschraubrad .
Figur Ia zeigt einen rotationssymmetrischen Körper 1, im folgenden auch Werkstück genannt. Das Werkstück 1 ist vorzugsweise aus Metall oder einer Metalllegierung gebildet . Dieses Werkstück 1 hat vorzugsweise über seine gesamte Länge L denselben Querschnitt . Das Werkstück 1 ist somit vorzugsweise stangenförmig ausgebildet.
Diese Form hat den Vorteil, dass stangenförmige Werkstücke üblicherweise als Rohmaterial bei der Zahnradherstellung mittels Umformung eingesetzt werden. Zudem ist ein stangenförmig ausgebildetes Werkstück einfach handhabbar und tordierbar. Ein Einsatz von zusätzlichen Maschinen und aufwendigen Herstellungs- bzw. Torsionsverfahren entfällt somit .
Das Material des Werkstücks 1 weist herstellungsbedingt nichtmetallische Einschlüsse 8 auf. Diese Einschlüsse 8, im folgenden auch Fasern oder Fasereinschlüsse genannt, erstrecken sich faserartig bzw. nadeiförmig in Axialrichtung des Werkstücks 1. Die Fasereinschlüsse 8 können beispielsweise in etwa eine Länge von bis zu ca. 100 Mikrometern und einen Durchmesser von bis zu ca. 2 Mikrometern aufweisen.
Figuren Ib und Ic zeigen jeweils ein Werkstück 2, 3, wie das Werkstück 1, welche über eine Länge LT linksdrehend T tordiert sind. Die Länge LT kann sowohl kleiner als auch gleich der Gesamtlänge L des Körpers 2, 3 sein.
In dem tordierten Bereich des Werkstücks 2, 3 sind die Fasereinschlüsse 8 entsprechend der Torsionsrichtung T ausgerichtet . Die Linie 9 bezeichnet die Ausrichtung des Faserverlaufs . Die Fasereinschlüsse sind dabei vorzugsweise helikal ausgerichtet. Auch jede andere durch Torsion des Materials zu erzeugende Ausrichtung ist denkbar .
Vorzugsweise wird das Werkstück 2, 3 also derart tordiert, dass der Faserverlauf 9 der im Material des Werkstücks 2, 3 eingeschlossenen Fasern 8 günstig zur späteren Außengeometrie des herzustellenden Bauteils liegt; der
Faserverlauf 9 also optimal an dem Oberflächenverlauf des Bauteils ausgerichtet ist. Die Außengeometrie wird vorzugsweise durch die Verzahnung eines Zahnrades gebildet. Der Oberflächenverlauf wird demnach beispielsweise durch die Zähne eines schräg- oder bogenverzahnten Zahnrades gebildet. Günstig ausgerichtet heißt in diesem Fall, dass die Fasern 8 über die gesamte Zahnbreite im Wesentlichen parallel zu den sich auf der Oberfläche des Werkstücks 2, 3 schräg bzw. helikal erstreckenden Zähnen bzw. deren Zahnflanken liegen.
Durch die Neuausrichtung des Faserverlaufs 9 treten nach einer spanenden Bearbeitung zur Herstellung einer Verzahnung die Fasern 8 somit nicht mehr oder nicht wesentlich aus den spanend bearbeiteten Flächen heraus. Auf diese Weise werden verbesserte Materialeigenschaften aufgrund höherer Verschleiß- und Pittingfestigkeit sowie einer geringeren Gefahr eines Zahnfußbruches erzielt.
Vorzugsweise erstreckt sich die Länge LT über die Bereiche des Werkstücks 2, 3, in denen eine Schräg- oder Bogenverzahnung eingebracht werden soll bzw. in denen aufgrund der Torsion weitere vorteilhafte Materialeigenschaften aufgrund von gezielt ausgerichteten Faserverläufen 9 erwünscht sind.
Weist das fertige Bauteil beispielsweise neben einem Zahnrad noch einen Schaft auf, erstreckt sich die Länge LT vorzugsweise nur in einem Stirnbereich des stangenförmigen
Werkstücks 2.
Es werden somit nur die Bereiche tordiert , in denen die Verzahnung entstehen soll . Im Falle des Zahnrades mit Schaft weisen daher sowohl der Schaft als auch das mit dem
Schaft einteilig ausgebildete Zahnrad optimale Materialeigenschaften durch einen gezielt ausgerichteten Faserverlauf 9 auf . Es ist auch denkbar, das Werkstück 2, 3 wenigstens über einen Teil LT seiner Länge L unterschiedlich stark zu tordieren. Somit kann der Faserverlauf 9 des Materials optimal an den Oberflächenverlauf, also beispielsweise den Verlauf von Zähnen eines Zahnrades, angepasst werden. Insbesondere bei Bogenverzahnungen mit über die Zahnbreite verändertem Spiralwinkel ist es auf diese Weise möglich, den Faserverlauf 9 des Materials optimal an den Spiralwinkel anzupassen. Negative Einflüsse durch austretende Fasereinschlüsse 8 werden somit minimiert und damit auch die Wahrscheinlichkeit von erhöhtem Verschleiß, Pittingbildung und Zahnfußbruch.
Figuren 2a und 2b zeigen erfindungsgemäße Bauteile 4, 5. Das Bauteil 4, im folgenden auch Stirnrad genannt, ist einteilig ausgebildet aus einem Zahnradkopf 6s mit Schrägverzahnung 40 sowie einem Schaft 7s. Das Bauteil 5, im folgenden auch Kegelschraubrad genannt, ist einteilig ausgebildet aus einem Zahnradkopf 6b mit Schrägverzahnung 50 sowie einem Schaft 7b. Es ist auch denkbar, dass ein
Bauteil lediglich aus einem Zahnrad gebildet ist. Ebenfalls denkbar ist, dass ein Bauteil mehrteilig ausgebildet ist und die Teile in einem weiteren Schritt zusammengefügt werden.
Die punktgestrichene Linie 9s in Figur 2a zeigt die Ausrichtung des Faserverlaufs der Fasern 8 im Zahnradkopf 6s an. Es ist zu erkennen, dass wenigstens der Bereich, in dem das Zahnrad 6s ausgebildet ist, derart tordiert ist, dass die Fasern 8 parallel zu den Zähnen der
Schrägverzahnung 40 verlaufen.
Die punktgestrichene Linie 9b in Figur 2b hingegen zeigt die Ausrichtung des Faserverlaufs der Fasern 8 im Zahnradkopf 6b an. Es ist auch hier zu erkennen, dass wenigstens der Bereich, in dem der Zahnradkopf 6b ausgebildet ist, derart tordiert ist, dass die Fasern 8 parallel zu den Zähnen der Bogenverzahnung 50 verlaufen. Da, wie Figur 2b deutlich zeigt, die Zähne der Bogenverzahnung 50 über Ihre Zahnbreite einen kontinuierlich veränderten Spiralwinkel aufweisen, ist auch das Material des Zahnradekopfes 6b unterschiedlich stark tordiert, so dass die Fasern 8 entsprechend des Spiralwinkels über die gesamte Zahnbreite parallel zu den Zähnen ausgerichtet sind.
Im folgenden soll das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zahnrades, beispielsweise der Zahnräder bzw. Bauteile 4 oder 5, beschrieben werden.
Das stangenförmige Werkstück 1 wird entsprechend der herzustellenden Außengeometrie in einer dafür vorgesehen Maschine tordiert . Das Werkstück 1 kann dabei über seine gesamte Länge L oder nur einen Teil LT seiner axialen Länge L tordiert werden. Ebenso kann das Werkstück 1 über die Länge L bzw. LT unterschiedlich stark tordiert werden, so dass auch die Fasern 8 über die Länge L bzw. LT des Werkstücks 1 unterschiedlich ausgerichtet sind. Je nach gewünschter Ausrichtung der Fasern 8 kann das Werkstück 1 dabei rechtsdrehend und/oder linksdrehend T tordiert werden .
Die eingesetzten Maschinen sind bekannt und werden heutzutage bspw. zum Twisten von Kurbelwellen eingesetzt; also einem Verfahren zur reinen Geometrieerzeugung und nicht zur Eigenschaftsverbesserung. Nach der Torsionsbehandlung sind die herstellungsbedingten Fasereinschlüsse 8 in dem Material des Werkstück 2, 3 also derart ausgerichtet, dass sie nach der Bearbeitung der Verzahnung 40 bzw. 50 folgend ausgerichtet sind.
Nach der Torsionsbehandlung sind weitere Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils 4, 5 möglich.
So kann beispielsweise mittels Fließpressen der Durchmesser des Schaftes 7b, 7s entsprechend ausgebildet werden. Des Weiteren ist das Aufstauchen eines Zahnradkopfes, beispielsweise für Hypoidverzahnungen 50, möglich.
Bei einer abschließenden spanenden Bearbeitung des Bauteils 4, 5 wird die Verzahnung 40, 50 in das Bauteil 4, 5 eingebracht. Dies geschieht bspw. mittels Formschneidoder Wälzverfahren. Da die Fasereinschlüsse 8 im Wesentlichen der herzustellenden Verzahnung 40, 50 folgend ausgerichtet sind, treten nach der spanenden Bearbeitung keine Fasern 8 oder nur in geringem Umfang aus der Verzahnung 40, 50 heraus. Die Verschleißfestigkeit und Pittingfestigkeit werden dadurch erhöht und das Risiko eines Zahnfußbruches vermindert.
Die Erfindung ist nicht auf die genannten Einschränkungen beschränkt. Zur Einsparung von Arbeitsschritten ist es alternativ zu den spanenden Fertigungsverfahren bspw. möglich, die Verzahnung 40, 50 bei der Umformung direkt in das Bauteil 4, 5 einzubringen. Ferner ist es möglich, das
Werkstück 1 auch während des Umformvorganges bzw. der
Verzahnungsherstellung einer Torsionsbehandlung zu unterziehen . Die Erfindung ist des Weiteren nicht auf Stirn- und Kegelschraubräder beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung gar nicht auf Zahnräder beschränkt. Alle Bauteile, bei denen eine Verbesserung der Materialeigenschaften durch helikal oder anderweitig durch Torsion ausgerichtete Fasereinschlüsse hervorgerufen werden, sind durch die Erfindung abgedeckt .
Bezugszeichenliste
(1) Werkstück bzw. rotationssymmetrischer Körper
(2) Werkstück, im Stirnbereich tordiert
(3) Werkstück, über gesamte Länge tordiert
(4) Stirnrad
(5) Kegelschraubrad (6b) bogenverzahnter Zahnradkopf
(6s) schrägverzahnter Zahnradkopf
(7b) Schaft von Bauteil mit bogenverzahntem Zahnrad
(7s) Schaft von Bauteil mit schrägverzahntem Zahnrad
(8) Fasereinschlüsse (9) Ausrichtung der Fasereinschlüsse
(9s) Ausrichtung der Fasereinschlüsse bei Schrägverzahnung
(9b) Ausrichtung der Fasereinschlüsse bei Bogenverzahnung
(40) Schrägverzahnung
(50) Bogenverzahnung (L) Länge des Werkstücks
(LT) Länge des tordierten Bereichs des Werkstücks
(T) Torsionsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Werkstück, welches zur Herstellung eines Zahnrades (4, 5) mit Schrägverzahnung (40) oder Bogenverzahnung (50) vorgesehen ist und durch einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Körper aus Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2, 3) zumindest über einen Teil (LT) seiner axialen Länge (L) hinweg tordiert ist.
2. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2, 3) stangenartig ausgebildet ist.
3. Werkstück nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) in einem Stirnbereich tordiert ist.
4. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses in Axialrichtung weisende Fasereinschlüsse (8) aufweist, welche im Bereich der Tordierung helikal ausgerichtet sind.
5. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens über den Teil (LT) seiner axialen Länge (L) hinweg unterschiedlich stark tordiert ist.
6. Zahnrad (4, 5), welches aus Metall oder einer Metalllegierung mit herstellungsbedingten Fasereinschlüssen (8) besteht und eine Schrägverzahnung (40) oder Bogenverzahnung (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material im Bereich der Schrägverzahnung (40) oder Bogenverzahnung (50) derart tordiert ist, dass die Fasereinschlüsse (8) im Wesentlichen der Verzahnung (40, 50) folgend ausgerichtet sind.
7. Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades (4, 5) gemäß Anspruch 6 , wobei in ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Werkstück (2, 3) bestehend aus Metall oder einer
Metalllegierung eine Verzahnung (40, 50) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2, 3) einer Torsionsbehandlung unterzogen wird, derart, dass herstellungsbedingte
Fasereinschlüsse (8) in dem Material im Wesentlichen der Verzahnung (40, 50) folgend ausgerichtet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2, 3) vor dem Einbringen der Verzahnung (40, 50) der Torsionsbehandlung unterzogen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2, 3) während dem Einbringen der Verzahnung (40, 50) der Torsionsbehandlung unterzogen wird.
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