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Dokumentenidentifikation DE102006030458A1 03.01.2008
Titel Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Zahnrads
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70327 Stuttgart, DE
Erfinder Eberspächer, Christof, Dr.-Ing., 73730 Esslingen, DE;
Nejma, Rachid, Dipl.-Ing. (TH), 76474 Au, DE;
Schnitzer, Detlef, Dipl.-Ing., 73770 Denkendorf, DE
DE-Anmeldedatum 01.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006030458
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse C21D 7/04(2006.01)A, F, I, 20060701, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B24C 1/10(2006.01)A, L, I, 20060701, B, H, DE   B23P 15/14(2006.01)A, L, I, 20060701, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Zahnrads, wobei das Zahnrad auf eine Temperatur erwärmt und einem Strahlprozess mit einem Strahl von Festkörperteilchen ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß wird das Zahnrad auf eine erhöhte Temperatur erwärmt und beim Strahlprozess mindestens auf der erhöhten Temperatur gehalten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Zahnrads nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, Oberflächeneigenschaften von metallischen Werkstücken mittels Kugelstrahlen zu verändern. So beschreibt die DE 198 14 299 A1 ein Kugelstrahlverfahren an einem Pleuel. Dieses wird auf eine Anlasstemperatur erwärmt und im Abkühlvorgang kugelgestrahlt, wodurch sich eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit sowie der Schwingfestigkeit einstellt. Dies erlaubt eine Verwendung von Werkstücken wie Pleueln mit geringerem Querschnitt, aber gleicher mechanischer Festigkeit wie bei einem herkömmlichen Pleuel und dadurch eine Gewichtsersparnis von mehr als 30%.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Bearbeitung der Oberfläche eines Zahnrads, mit dem dessen Oberflächeneigenschaften verbessert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Zahnrads sieht vor, das Zahnrad zu erwärmen und einem Strahlprozess mit einem Strahl von Festkörperteilchen auszusetzen, wobei das Zahnrad auf eine erhöhte Temperatur (Ausgangstemperatur) erwärmt wird und während des Strahlprozess auf einer Temperatur gehalten wird, die mindestens der Ausgangstemperatur entspricht. Die Ausgangstemperatur liegt vorteilhaft in einem Bereich zwischen 200°C und 300°C. Durch dieses Warmstrahlen wird eine deutliche Erhöhung der Zahnfußfestigkeit und der Flankentragfähigkeit des Zahnrads erreicht. Zweckmäßigerweise wird das Zahnrad um seine Drehachse gedreht, während der Festkörperpartikelstrahl auf seine Zähne gerichtet ist. Die Zähne können sich am Umfang befinden oder auch auf der Scheibenfläche, wie etwa bei einem Kegelrad.

Solcherart behandelte Zahnräder sind besonders gut für den Einsatz in hoch belasteten Fahrzeuggetrieben geeignet. Durch den bei erhöhter Temperatur erfolgenden Strahlprozess werden hohe und über die Lebensdauer stabile Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Bereichen des Zahnrads erzeugt. Es kann vermieden werden, dass nach einer bestimmten Einsatzdauer durch eine lokale Überschreitung der Materialstreckgrenzen wegen der bei Zahnrädern auftretenden hohen Flächenpressung und Gleitgeschwindigkeit unmittelbar unter der Oberfläche Risse gebildet werden. Derartige Risse könnten sonst bis zur Zahnradoberfläche wachsen, und es könnten sich in Wechselwirkung mit den bei Zahnrädern eingesetzten Schmierstoffen Grübchen, auch Pitting genannt, bilden. Diese Grübchen sind einerseits für einen hohen Geräuschpegel verantwortlich und reduzieren den Komfort eines Getriebes mit herkömmlichen Zahnrädern. Andererseits wird der tragende Querschnitt des Zahnrads verringert mit der Gefahr eines frühzeitigen Versagens des Zahnrads und somit des Getriebes.

Bevorzugt kann der Strahlprozess isotherm durchgeführt werden. Es zeigt sich, dass unter Wechselbiegebeanspruchung die Dauerfestigkeit von Vergütungsstählen, wie sie bei Zahnrädern häufig eingesetzt werden, gegenüber ungestrahlten Vergleichsstücken um etwa 40% gesteigert werden kann. Weiterhin zeigt sich, dass die Druckeigenspannungen, die bei dem bei erhöhter Temperatur durchgeführten Strahlprozess aufgebaut werden, deutlich stabiler sind als bei Wechselbiegeproben, die bei Raumtemperatur oder nur während des Abkühlens gestrahlt wurden. Es wird durch die erhöhte Temperatur beim Strahlprozess insbesondere vermieden, dass sich Abkühleigenspannungen mit Zugeigenspannungen überlagern und zu einer Verschlechterung der Lebensdauer des Zahnrads führen. Besonders bevorzugt wird Kugelstrahlen als Strahlprozess eingesetzt. Dabei kann die kinetische Energie der Festkörperpartikeln im Strahl geeignet auf die Temperatur und das Material eingestellt werden, indem deren Partikelmasse und/oder deren Geschwindigkeit angepasst wird.

Vorteilhaft kann während des Strahlprozesses dem Zahnrad zusätzliche thermische Energie zugeführt werden. Diese thermische Energie kann über Anblasen des Zahnrads mit Heißgas zugeführt werden, wobei bevorzugt die Festkörperpartikel mit dem Heißgas zugeführt werden. Ein Abkühlen während des Strahlprozesses kann verhindert werden. Diese Variante ermöglicht eine besonders unaufwändige Prozessführung.

Zusätzlich oder alternativ kann die thermische Energie über eine Induktiv- oder eine Strahlungsheizung zugeführt werden. Das Zahnrad befindet sich dabei im Ofenraum und wird allseitig mit Wärmestrahlung beaufschlagt. Hier bietet sich die Möglichkeit, gezielte Temperaturrampen zum Erwärmen und beim Abkühlen nach dem Strahlprozess anzuwenden. Ebenso ist denkbar, das Zahnrad beim Strahlprozess ausgehend von einer ersten erhöhten Temperatur sogar weiter aufzuheizen. Gegebenenfalls kann das Zahnrad dazu einer geeigneten Temperaturrampe ausgesetzt werden.

Zweckmäßigerweise kann die Temperatur beim Strahlprozess so eingestellt werden, dass unter Einwirkung des Strahlguts im Strahl ein Plastifizieren der dem Strahl ausgesetzten Oberfläche einsetzt. Dadurch können die gewünschten Lebensdauer erhöhenden Druckeigenspannungen erzeugt werden.

Das Zahnrad kann nach dem Strahlprozess mit einer vorgegebenen Temperaturrampe abgekühlt werden. Denkbar ist auch, dass das Zahnrad nach dem Strahlprozess abgeschreckt wird. Der Fachmann wird das geeignete Abkühlverfahren an den vorhandenen Werkstoff und/oder die Temperatur beim Strahlprozess geeignet anpassen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.

Ein Stapel von Zahnrädern, die in Richtung ihrer Drehachse auf einer Welle gestapelt sind, wird in einem Ofen auf eine geeignete Temperatur, beispielsweise etwa 250°C, erhitzt. Der Stapel wird dann einem Strahl mit kugelförmigen Festkörperpartikeln als Strahlgut ausgesetzt, der mit heißer Strahlluft auf deren beispielsweise am Umfang angeordnete Verzahnung gerichtet ist. Die Strahlluft weist dieselbe Temperatur auf wie die Ofentemperatur. Die Strahlbehandlung sollte insgesamt so schnell wie möglich durchgeführt werden, um Anlasseffekte zu vermeiden.

Während des Strahlens drehen die Zahnräder langsam um ihre Drehachse, so dass deren Umfang gleichmäßig kugelgestrahlt wird. Strahlparameter, Drehgeschwindigkeit und Zahl der Umdrehungen werden zweckmäßigerweise so eingestellt, dass eine ausreichend kurze Taktzeit erreicht wird, wie sie für eine Großserienproduktion, vorzugsweise in der Fahrzeugfertigung, notwendig ist.

Nach dem Strahlprozess werden die Zahnräder kontrolliert abgekühlt, indem sie beispielsweise mit auf Raumtemperatur befindlicher Strahlluft, allerdings ohne Strahlgut, angeblasen werden, bis sie auf eine ausreichend niedrige Temperatur abgekühlt sind und aus der Anlage herausgenommen werden können.

Alternativ zur Erwärmung in einem (Durchlauf-)Ofen können die Zahnräder auch induktiv erwärmt werden, da für das Strahlen bei erhöhter Temperatur lediglich die Oberfläche der Zahnräder bis in eine geringe Tiefe hinein erwärmt zu werden braucht.


Anspruch[de]
Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Zahnrads, wobei das Zahnrad erwärmt und einem Strahlprozess mit einem Strahl von Festkörperteilchen ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad auf eine erhöhte Ausgangstemperatur erwärmt wird und während des Strahlprozesses auf einer Temperatur gehalten wird, die mindestens der Ausgangstemperatur entspricht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlprozesses isotherm durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Strahlprozesses dem Zahnrad zusätzliche thermische Energie zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie über Anblasen des Zahnrads mit Heißgas zugeführt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperpartikel mit dem Heißgas zugeführt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie über einen Ofen zugeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie induktiv zugeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur beim Strahlprozess so eingestellt wird, dass unter Einwirkung des Strahls ein Plastifizieren der dem Strahl ausgesetzten Oberfläche einsetzt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad nach dem Strahlprozess mit einer vorgegebenen Temperaturrampe abgekühlt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad nach dem Strahlprozess abgeschreckt wird.






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