專利名稱：具有局部選擇的表面致密的被燒結(jié)的嚙合式元件的制作方法
具有局部選擇的表面致密的被燒結(jié)的嚙合式元件
本發(fā)明涉及一種用于制造至少部分地被表面致密的金屬的嚙合式 元件的方法以及所屬的裝置，其中該嚙合式元件具有被致密的燒結(jié)材料。
燒結(jié)的嚙合式元件如例如以粉末冶金方式制造的齒輪在廣泛的領(lǐng) 域中使用。與例如用鋼制成的常規(guī)鍛造材料相比，燒結(jié)的材料一般具有 較小的密度。因此被燒結(jié)的工件的表面致密是人們所希望的。
本發(fā)明的任務(wù)是，能夠?qū)崿F(xiàn)具有燒結(jié)材料的金屬的嚙合式元件的強 度變化曲線的改進(jìn)。此外本發(fā)明的任務(wù)是，簡化由燒結(jié)材料制成的嚙合 齒的設(shè)計。
該任務(wù)通過按照權(quán)利要求1所述的用于制造至少部分地被表面致密
的金屬的嚙合式元件的方法，通過按照權(quán)利要求14所述的相應(yīng)的嚙合 式元件的毛坯，通過按照權(quán)利要求16所述的嚙合式元件，通過按照權(quán) 利要求26和權(quán)利要求27所述的用于制造相應(yīng)的嚙合式元件的裝置，通 過按照權(quán)利要求28所述的用于設(shè)計加工余量以實現(xiàn)相應(yīng)的嚙合式元件 的表面致密的方法以及通過按照權(quán)利要求35所述的計算機程序產(chǎn)品來 解決。有利的實施例和擴(kuò)展方案在各個從屬權(quán)利要求中給出。
式元件的方法中，該嚙合式元件具有被致;密的燒結(jié)材料，制造相對^嚙 合式元件的最終尺寸具有局部選擇的加工余量的嚙合式元件的毛坯和 借助于至少一個滾軋刀具將毛坯滾軋到最終尺寸，其中至少在嚙合式元 件的一個齒的至少一個齒面和/或一個齒根的區(qū)域中在一個表面上局部 變化地致密該嚙合式元件以產(chǎn)生 一個被致密的表層。
其中嚙合式元件例如是齒輪，齒條，凸輪，P-轉(zhuǎn)子，齒環(huán)，鏈齒 輪或類似物。被致密的燒結(jié)材料尤其采用粉末冶金方法制造。例如金屬 粉末在壓力下結(jié)合熱處理進(jìn)行燒結(jié)。此外例如金屬粉末與塑料結(jié)合地注 塑以及尤其是在壓力下優(yōu)選結(jié)合熱處理進(jìn)行燒結(jié)。為了燒結(jié)工件的成形 尤其使用燒結(jié)模具，該模具具有要制造的嚙合式元件的至少大致的最終 尺寸。作為毛坯優(yōu)選使用直接從燒結(jié)加工中產(chǎn)生的工件。但是在另一種 變型中，也可以附加地連4妄至少另一個表面加工步驟。毛坯此時具有加
工余量，其可以理解為與最終尺寸的差值，其中該差值優(yōu)選逐點地垂直 于表面進(jìn)行限定。
作為滾軋刀具例如使用配置有嚙合齒的滾子，其嚙合齒可以與嚙合 式元件的嚙合齒嚙合。這種滾軋刀具尤其是在壓力下在嚙合式元件的表 面上滾動。優(yōu)選地，尤其是同時使用兩個或更多個這種滾軋刀具。例如 要制造的齒輪可以布置在兩個滾軋刀具之間的中部。隨后通過兩個滾軋 刀具的進(jìn)給可以產(chǎn)生嚙合齒的燒結(jié)材料的表面致密。
一般地，這種制造
方法例如來自Takeya等的"燒結(jié)齒輪的表面滾軋"，SAE 1982世界大 會，技術(shù)論文820234。也從DE3325037, US4，059,879， EP0552272A1， EP1268102A1' US5,729,822, US5,711,187， US5,884，527, US5,754,937, US6,193，927， EP0600421A1， GB2,250,227中分別得到各種制造方法， 燒結(jié)材料，刀具，致密的過程和用于燒結(jié)的嚙合齒的裝置，它們同樣可 以與本發(fā)明適應(yīng)性地利用。相應(yīng)于本^^開的范圍參見上面的文獻(xiàn)。
例如也可以使用第一滾軋刀具在第一壓力下基本上進(jìn)行粗輪廓滾 軋和接著使用第二滾軋刀具在第二壓力下實現(xiàn)按照目標(biāo)要調(diào)節(jié)的表面 致密。
局部選擇的加工余量尤其是這樣地設(shè)定，使得至少在嚙合式元件的 一個齒的至少一個齒面和/或一個齒根的區(qū)域中在一個表面上的表層中 局部變化地致密該嚙合式元件。優(yōu)選在被致密的表層內(nèi)達(dá)到全密度，其 中全密度優(yōu)選相對于可以比較的粉末鍛造的齒的密度的來理解。例如由 燒結(jié)材料制成的毛坯在核心處具有的密度為至少6.8g/cm3，優(yōu)選至少 7.1g/cm3和尤其是至少7.3g/cm3。在被致密的表層中毛坯例如具有的密 度為至少7.7g/cm3，優(yōu)選至少7.8g/cm3,其對應(yīng)于相同材料的粉末鍛造 的毛坯的密度。此時特別有利地實現(xiàn)與負(fù)荷相適應(yīng)的強度變化曲線。此 外通過局部可變化的和與負(fù)荷相適應(yīng)的密度變化曲線優(yōu)選提供一種可 以承受高負(fù)荷的燒結(jié)的嚙合齒。與較小負(fù)荷的直接相鄰的區(qū)域相比，密 度變化曲線可以尤其是在承受較高負(fù)荷的區(qū)域中具有在較大的區(qū)域上 的較大的密度級。借助于優(yōu)化的加工余量的確定，這樣制造的嚙合齒也 可以在;f艮少的幾個加工步驟中經(jīng)濟(jì)地制造。
，接照一個實施例通過不同的加工余量沿著毛坯的齒面和/或齒4艮一 同產(chǎn)生各不同地被致密的表層。例如規(guī)定，被致密的表層的深度，分別 從垂直于表面方向看，在大約最大負(fù)荷的地方顯示密度的最大值。這可
以例如位于齒的一半高度上和分別朝著齒頂和齒根連續(xù)地減小到零。尤
其是為了避免點蝕例如規(guī)定，在基圓以下的20%和30%之間，尤其是在 23%和25%之間的區(qū)域中調(diào)節(jié)燒結(jié)材料中的特別高的致密。但是也可以 規(guī)定其它的變化曲線。尤其是在設(shè)計致密變化曲線時在嚙合式元件的按 照使用的應(yīng)用目的上考慮在嚙合式元件的齒面上的力的變化曲線。例如
下面的比較應(yīng)力變化曲線。這種方法也可以在其它嚙合齒中應(yīng)用。
特別有利的是將齒的第一齒面上的加工余量選擇得與齒的第二齒 面上的不同。此時在嚙合式元件的按照使用的應(yīng)用目的上考慮尤其是力 的傳遞方向。對于變速器中的齒輪，為此例如考慮，依據(jù)某個轉(zhuǎn)動方向， 沿著轉(zhuǎn)動方向而不是逆著轉(zhuǎn)動方向在齒面上出現(xiàn)其它的力。此外可以補 償由于滾軋刀具的轉(zhuǎn)動方向引起的不同的致密。優(yōu)選這樣選擇加工余量 使得在致密加工之后沿著第一齒面和第二齒面產(chǎn)生相同的致密變化曲 線。
例如為了避免在齒根或齒底區(qū)域中的應(yīng)力裂紋，也考慮在該區(qū)域中 設(shè)置局部被致密的表面層。特別合適的是，在齒根中選擇不對稱的加工 余量。例如左邊的齒根區(qū)域具有與右邊的齒根不同的另一個致密深度。 尤其是可以通過加工余量的相應(yīng)的變化分別在兩個齒之間提供表層的 深度的優(yōu)選連續(xù)的變化。
優(yōu)選地，在嚙合齒的實施例中，不同的、尤其是不對稱的加工余量 不僅針對于一個齒面，而且優(yōu)選針對于兩個相互相對的齒面進(jìn)行設(shè)置。 附加地，在齒根中設(shè)置不同的加工余量，其優(yōu)選是不對稱的。嚙合齒的 齒面和齒根也可以是各不對稱的。作為加工余量此時不僅僅是理解為供 使用的附加的材料。相反尺寸不足也同樣屬于加工余量。此時應(yīng)該理解 的是，在一個區(qū)域中設(shè)置的燒結(jié)材料少于相對于在一個加工步驟之后的 最終輪廓必須設(shè)置的燒結(jié)材料。求得的尺寸不足例如保證了在擠移燒結(jié) 材料時不形成不希望有的隆起。該尺寸不足因此是帶有嚙合齒的毛坯的 一個尤其是通過擠移燒結(jié)材料要填充的區(qū)域。
此外存在可能性，即在嚙合齒的齒上設(shè)置不同的嚙合角。因此齒的 一個齒面的嚙合角可與齒的另一個齒面的嚙合角相差至少15%。
在一個實施例中規(guī)定，在齒的第一齒面的表面下面至少20pm處產(chǎn) 生比在相同的高度上的齒的第二齒面上高2%，直到至少高15%的密度。優(yōu)選在齒的第一齒面上實現(xiàn)的密度至少大約對應(yīng)于為粉末鍛造的嚙 合式元件所實現(xiàn)的密度，相反第二齒面具有較小的密度。例如在一個齒
面上密度在7.2g/cm3和7.7g/cm3之間的范圍中進(jìn)行調(diào)節(jié)，而在第二齒面 的相應(yīng)的區(qū)域中密度在7.5g/cn^和7.82g/cn^之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。尤其是由 此又考慮了兩個齒面的例如與轉(zhuǎn)動方向相關(guān)的不同的負(fù)荷。優(yōu)選此時實 現(xiàn)符合要求的彈性和硬度變化曲線。進(jìn)一步優(yōu)選地，由此減小例如在變 速器中的噪音的增長。
此外規(guī)定在齒的第一齒面上的局部加工余量選擇得比在相同的高 度上的齒的第二齒面上的加工余量大至少10%。在一個第一變型中由此 例如實現(xiàn)，由于在致密加工時依據(jù)轉(zhuǎn)動方向施加不同的壓力而在第一齒 面和第二齒面上實現(xiàn)相同的致密變化曲線。在另一個變型中例如在第一 齒面和第二齒面上實現(xiàn)不同的致密變化曲線。此時尤其是可以按照目標(biāo) 調(diào)節(jié)不同的最大密度，它們的深度以及它們的相對于嚙合齒的高度所處 的位置。
特別合適的是，最大局部加工余量的數(shù)值為至少15pm,優(yōu)選至少 lOOium和特別優(yōu)選至少400pm。當(dāng)毛坯的密度在7.2g/cm3和7.5g/cm3之 間的范圍中時，優(yōu)選最大加工余量設(shè)置在20ium和150pm之間。當(dāng)毛坯 密度在6.7g/cm3和7.2g/cm3之間時，優(yōu)選使用在50pm和500jam之間的 最大加工余量。加工余量此時也可以在局部上是負(fù)的，其中例如考慮材 料的橫向分布。橫向分布可以通過由于滾軋過程產(chǎn)生的材料流動來實 現(xiàn)。尤其是可以設(shè)置至少在局部上負(fù)的加工余量，其局部地低于最終尺 寸。負(fù)的加工余量為優(yōu)選最大100pm。按照一個實施例，最大負(fù)的加工 余量小于50nm和尤其是小于20pm。尤其是最大負(fù)的加工余量在lOOfim 和20fxm之間的范圍中。
優(yōu)選地實現(xiàn)一種致密，其至少在嚙合齒的齒面的 一個區(qū)域中到達(dá)在 lmm和1.5mm之間的深度。相反在齒根中的致密可以較小。按照一個 實施例，齒面的致密的最大深度比所屬的齒根的區(qū)域中的致密的最大深 度至少大6倍。這能夠使得嚙合齒一方面具有足夠的強度，另一方面也 具有一定的可變形性。由此避免斷齒。
在方法的一個實施例中規(guī)定，毛坯和滾軋刀具相互在對方上滾動， 直到在由此制造的嚙合式元件和滾軋刀具之間產(chǎn)生最終形狀成形的運 動。這例如用于制造相互嚙合的齒輪。優(yōu)選地，在滾軋刀具的滾動過程
期間減小在滾軋刀具和毛坯之間的間距。相應(yīng)地，為此尤其是對滾軋壓 力進(jìn)行調(diào)節(jié)或適配。除了對力的控制的可能性以外還可以實施對機器的 行程的控制。此外存在可能性，即在制造嚙合齒時設(shè)置對力和行程的控 制的組合。此時也可以在制造的 一個階段上進(jìn)行純粹的行程控制和在制 造的另 一個階段上進(jìn)行純粹的力控制。它們也可以多次交替地進(jìn)行。
在另 一個實施例中規(guī)定，借助于在毛坯和滾軋刀具之間的滾軋運動 形成擺線形的和/或漸開線形的嚙合齒。
除了在齒輪意義下的嚙合式元件以外還可以制造其它嚙合式元 件。例如規(guī)定，制造凸輪作為嚙合式元件。尤其是可以制造一種凸輪， 如它被例如用于機械操作調(diào)節(jié)裝置，例如用于調(diào)節(jié)閥門或類似物。優(yōu)選 通過表層的局部變化的致密在凸輪的齒面上提供改進(jìn)的具有磨損性較 小的強度變化曲線。
表面硬化的另一種改進(jìn)可以尤其是這樣實現(xiàn)，即用于制造至少部分 地表面致密的金屬的嚙合式元件的方法包括熱的和/或化學(xué)的表面硬化 處理。
在一個第 一 變型中，作為熱的和/或化學(xué)的硬化處理例如使用滲物式 表面硬化。優(yōu)選地，此時除了提高硬度以外還實現(xiàn)了應(yīng)力的減小。在另 一個變型中例如使用碳氮共滲工藝。此外可以使用滲氮或滲氮碳硼工藝 以及滲硼工藝。尤其是在這些工藝中結(jié)合熱處理同樣實現(xiàn)應(yīng)力的減小。 通過調(diào)節(jié)存在的壓力同樣可以影響硬化。例如可以調(diào)節(jié)真空度，尤其是 在進(jìn)行滲物式表面硬化時。也還存在感應(yīng)硬化的可能性。
按照 一個實施例只是部分地實施硬化，例如只是在嚙合齒的區(qū)域中 進(jìn)行。
在一個優(yōu)選的變型中規(guī)定，用于制造至少部分地表面硬化的具有被 致密的燒結(jié)材料的金屬的嚙合式元件的方法包括步驟"冷態(tài)或熱態(tài)擠 壓，燒結(jié)，整體和表面致密滾軋以及滲物式表面硬化"。例如首先在一 個模具中進(jìn)行金屬粉末的冷態(tài)擠壓，該模具具有至少大約為要制造的嚙 合式元件的最終尺寸。在一個第二步驟中例如在熱作用下和在有或者沒 有壓力作用下進(jìn)行燒結(jié)加工。優(yōu)選之后接著借助于滾子進(jìn)行整體和表面 致密。如已經(jīng)在前面提及的，優(yōu)選同時借助于至少兩個滾軋刀具進(jìn)行實 體和表面致密滾軋。接著可以最后進(jìn)行硬化，尤其是滲物式表面硬化， 其可以使表面得到進(jìn) 一 步的硬化。
其它可能的方法步驟或方法過程以及對工件的詳細(xì)的說明在下面 通過舉例給出。但是該方法步驟也可以用其它的材料和達(dá)到的密度值實 施。可以使用的燒結(jié)材料可如下地一般在本發(fā)明的范圍內(nèi)利用，其中例
如給出的可以使用的材料有
-混合的粉末(admixed powders):例如鐵粉末與其它優(yōu)選基本元 素粉末混合。例如
Ancorsteel 1000+1.5 - 3.5重量％ Cu+0.6 - 1.1重量％石墨+0.5 — 1.2 重量％潤滑劑；
Ancorsteel 1000B+1.5 - 2.2重量％ Ni+0.4 - 0.9重量％石墨+0.6- 1.1 重量％潤滑劑；
-部分合金的粉末(partially alloyed,擴(kuò)散合金的粉末) 一種粉 末，其中一種或多種合金成分以冶金方式與基本元素粉末或預(yù)合金的粉 末結(jié)合。例如Distaloy AB， Distaloy 4600A, Distaloy AE, Distaloy 4800A;
-預(yù)合金的粉末(pre - alloyed powders): 兩個或更多元素構(gòu)成的 粉末，這些元素在粉末制造期間被合金處理，其中粉末顆粒被相同地分 布。例如Ancorsteel 4600V, Ancorsteel 2000， Ancorsteel 86， Ancorsteel 150HP;
-混合合金(hybrid alloy ):預(yù)合金的或部分合金的粉末與基本元 素的或鐵合金的添加物混合，以獲得希望的材料組合。例如
Ancorsteel 85P+1.5 - 2.5重量％ Ni+0.4 - 0.8重量％石墨+0.55 — 1.1
重量％潤滑劑；
DistaloyAE+1.5 - 2.5重量Q/。Ni+0.4 - 0.8重量％石墨+0.55 - 0.95潤
滑劑；
Ancorsteel 85HP+1.1 — 1.6重量％ TFeMn+0.35 — 0.65重量％石墨+0.6 -0.95潤滑劑。
1.工件具有在6.5和7.5g/cm3之間的核心密度。表面密度為大于 7.5g/cm3。最大密度在直到O.lmm的深度范圍上產(chǎn)生。
毛坯的原始材料是燒結(jié)金屬粉末，尤其是預(yù)合金的材料、部分合金
的材料或混合合金。
用預(yù)合金的材料進(jìn)行冷壓，在U0(TC和1150。C之間的溫度范圍中 燒結(jié)，表面致密加工，表面硬化和接著的磨削，以實現(xiàn)帶有嚙合齒的工
件的最終形狀。
用部分合金的金屬的燒結(jié)材料進(jìn)行在50'C和8(TC之間的范圍的擠 壓溫度下的熱壓，優(yōu)選在125(TC和128(TC之間的范圍中的高溫?zé)Y(jié)， 表面致密加工，接著的真空表面硬化和銜磨，以實現(xiàn)帶有嚙合齒的工件 的最終形狀。
用具有混合合金的燒結(jié)材料進(jìn)行熱壓，其中粉末和刀具優(yōu)選是加熱 的。優(yōu)選地它們在12(TC和150。C之間的范圍中被加熱。接著進(jìn)行燒結(jié) 步驟，例如高溫?zé)Y(jié)，表面致密加工和接著感應(yīng)石更度。后處理例如可以 取消。
2. 毛坯是粉末鍛造的。該毛坯至少部分地在齒面和/或齒才艮的區(qū)知戈 中被表面致密。工件的核心密度位于5.7g/cm3和7.7g/cm3之間。在區(qū)域 的表面密度為大于7.8g/cm3,其中優(yōu)選在該區(qū)域中所有在該表面上留下 的孔隙都被封閉。但是直到1.5mm的深度范圍上產(chǎn)生最大密度也是可能 的。
制造方法可以如下地進(jìn)行選擇粉末材料，冷壓粉末材料，優(yōu)選以 約112CrC的溫度燒結(jié)，接著優(yōu)選在約IOO(TC的溫度下鍛造，可能時去 除氧化層，尤其是通過滾軋進(jìn)行表面致密加工，表面硬化，尤其是滲物 式表面硬化，和可能時接著的部分磨削到最終輪廓。該方法可以全部地 或部分地在生產(chǎn)線上實施。
另一個實施例規(guī)定，在表面硬化時實施真空滲物式表面硬化，接著 進(jìn)行對嚙合齒的部分區(qū)域的珩磨步驟。
3. 尤其是為了制造轉(zhuǎn)子和油泵齒輪，由含鋁材料制成的毛坯在齒面
和/或齒根的區(qū)域中被表面致密。在表面致密加工時尤其是實現(xiàn)嚙合齒的 最終形狀。工件的核心密度為優(yōu)選在2.6g/cm3和2.8g/cm3之間。
例如燒結(jié)材料在例如4(TC和6VC之間的溫度下熱壓，接著例如在 大于400。C的溫度下，尤其是在420。C和44(TC之間的溫度范圍內(nèi)去蠟， 然后，例如在大于550。C的溫度范圍，尤其是在600。C和63(TC之間的溫 度范圍內(nèi)燒結(jié)，然后均質(zhì)化和冷卻到例如在48(TC和535。C之間的溫度， 其中接著尤其是通過滾子進(jìn)行表面致密加工。接著可以例如在uo。c和 185。C之間的溫度范圍中在6小時和24小時之間的時間長度上進(jìn)行完全硬化。
4. 毛坯優(yōu)選沿著齒面和齒根被致密，其中尤其是使用兩個滾軋刀
具，毛坯可以轉(zhuǎn)動地布置它們的中間。依據(jù)不同的材料，工件的核心密
度優(yōu)選在7.2g/cn^和7.5g/cir^之間，表面密度取決于材料地至少分部賴: 地大于7.8g/cm3。最大密度存在于尤其是直到lmm的深度范圍內(nèi)，必要 時也超出該范圍。
在制造步驟中，按照一個實施例建議，對預(yù)合金的材料冷壓，接著 尤其是在IIO(TC和115(TC之間的溫度范圍中燒結(jié)，進(jìn)行表面致密，實 施硬化和必要時部分地磨削該表面。
另一個實施例規(guī)定，尤其是在50°(3和卯。C之間的溫度范圍中對部 分合金的燒結(jié)材料熱壓，尤其是在〗24(TC和129(TC之間的溫度范圍中 實施高溫?zé)Y(jié)，進(jìn)行表面致密，進(jìn)行真空滲物式表面硬化和必要時接著 進(jìn)行辨磨。
另一個實施例規(guī)定，對混合合金進(jìn)行高溫?zé)釅?，其中粉末和擠壓刀 具優(yōu)選在12(TC和160。C之間的溫度范圍中被加熱。在燒結(jié)步驟之后進(jìn) 行表面致密，接著進(jìn)行硬化，優(yōu)選感應(yīng)硬化。
5. 此外存在可能性，即接著在預(yù)燒結(jié)之后進(jìn)行表面致密加工和然后 又設(shè)置再燒結(jié)作為在帶有嚙合齒的工件的制造中的方法步驟。預(yù)燒結(jié)可 以例如在650。C至95(TC之間的溫度范圍中進(jìn)行。再燒結(jié)可以例如在對
于該材料通常采用的燒結(jié)溫度中進(jìn)行，例如在1os(rc和iis(rc之間。
還存在高溫?zé)Y(jié)的可能性，例如在125(TC和1280。C之間的范圍中。之 后可以接著有選擇地進(jìn)4于石更化和/或再加工，例如銜磨或也可以磨削。
前述的擠壓可以冷態(tài)，中溫或高溫地進(jìn)行，其中在高溫狀態(tài)下優(yōu)選 擠壓刀具和粉末是#1加熱的。例如加熱擠壓在12(TC和160。C之間的溫 度范圍內(nèi)進(jìn)行。
6. —個擴(kuò)展方案規(guī)定，在再燒結(jié)步驟之后進(jìn)行燒結(jié)硬化?？蛇x擇地 可以接著進(jìn)行磨削或珩磨。
7. 另一個制造方法規(guī)定，在高于150'C尤其是高于50(TC的溫度下 對毛坯進(jìn)行致密加工。例如毛坯可以直接從燒結(jié)爐引導(dǎo)到機器中進(jìn)行表 面致密。此時毛坯可以具有例如高于600°C,尤其是也高于80(TC的溫 度。優(yōu)選地，該用于表面致密的一個或多個刀具被加熱到例如約15CTC 的溫度。按照另一個實施例，用于表面致密的刀具優(yōu)選通過在刀具內(nèi)部 分布的冷卻纟幾構(gòu)冷卻。
8. 另一個制造方法規(guī)定，在毛坯被至少部分地加熱時進(jìn)行表面致
密。尤其是加熱到可以簡化表面致密加工的溫度。優(yōu)選地為此使用感應(yīng) 加熱。接著進(jìn)行快速冷卻，以便形成馬氏體結(jié)構(gòu)。以這種方式例如可以 將一種修整工藝與表面致密組合起來。
本發(fā)明的另一個方案規(guī)定，可以用及其不同的方法實施表面致密。 一個實施例尤其規(guī)定，在一個第一區(qū)域中的表面致密用不同于在一個第 二區(qū)域中的方法進(jìn)行實施。作為方法此時可以采用噴射硬化，噴丸，借 助于球丸，借助于滾子或借助于其它可以旋轉(zhuǎn)的物體，借助于齒形構(gòu)造 的工具，尤其是滾軋刀具和類似物進(jìn)行的致密。這些方法也適用于分別 單獨地相互分開地進(jìn)行必需的表面致密。
例如齒根完全不用或者僅僅輕微地用也使齒面被致密的刀具進(jìn)行 致密。存在可能性，即表面在一個部段中被致密加工到這樣的程度，使 得只有表面上的孔隙被封閉。接著可以用另一個刀具或表面致密方法加 工齒根。尤其是可以由此達(dá)到與齒根相比沿著齒面的不同的表面致密。 例如可以因此調(diào)節(jié)出例如關(guān)于粗糙度的不同的表面質(zhì)量。而且最大表面 凹部由于采用各種不同的技術(shù)也可以是不同的。此外存在可能性，即例 如在表面噴射時帶有嚙合齒的整個工件獲得表面致密。以這種方式可以 加工尤其是包括含鋁的燒結(jié)材料或其它形成氧化物的燒結(jié)材料，因為通 過表面致密還可以附加地也去除氧化物層。
本發(fā)明此外涉及用于制造至少部分地表面硬化的金屬的嚙合式元 件的方法的毛坯，該嚙合式元件具有被致密的燒結(jié)材料，其中齒的第一 齒面和第二齒面具有相互不同的不對稱的加工余量。此外還規(guī)定，齒的 第一和第二齒根區(qū)域具有相互不同的，尤其是不對稱的加工余量。
本發(fā)明還涉及一種具有金屬的燒結(jié)材料的嚙合式元件，其中嚙合式 元件至少在嚙合式元件的齒的至少一個齒面的區(qū)域中具有局部地變化 的致密。優(yōu)選由此結(jié)合表面硬化可以實現(xiàn)對于許多應(yīng)用適用的粉末冶金 材料的彈性。特別優(yōu)選地，例如在變速器齒輪中，可以降低在力傳遞時
的噪音和同時提供很好的耐磨強度。
在一個第一變型中規(guī)定，嚙合式元件是直齒齒輪。
變型中規(guī)定,、嚙合:元件是斜齒齒輪。此外可以在另一種變型中規(guī)定錐 形齒輪。相應(yīng)于前面進(jìn)行的描述，有利的是，嚙合式元件的齒的相互相 對的齒面具有不對稱的致密。
此外有利的是，不對稱的致密位于齒根區(qū)域中。這種致密此時尤其 是與在按照使用的應(yīng)用中出現(xiàn)的力相適配。為了避免應(yīng)力裂縫，尤其規(guī) 定，被局部致密的表層的深度僅僅大到還保證齒的足夠的彈性或剛度的 程度。特別優(yōu)選地，被致密的表層的深度在齒根區(qū)域中小于在齒面上的 深度。
作為嚙合式元件的特殊形式，可以規(guī)定嚙合式元件是一種凸輪。前 面的描述可以對其相應(yīng)地應(yīng)用，其中例如凸輪的側(cè)面取代了齒的齒面。
對于嚙合式元件的材料可以規(guī)定各種成分。在一個第一變型中選擇 鐵材料作為燒結(jié)材料的主要成分和從碳，鉬，鎳，銅，錳，鉻和釩的組
中的至少一種合金成分。 一種鐵合金相對于參照物15CrNiMo6例如是 Fe-l.OCr-0.3V+0.2。另一種鐵合金相對于20MnCr5例如是Fe-1.5 Mo+0.2C。此外例如作為含鐵的合金相對于16MnCr5規(guī)定Fe-3.5Mo。 同樣地可以例如使用合金C0.2%Cr0.5%Mn0.5%Mo0.5%,其中剩余部分 包括鐵和雜質(zhì)。除此以外可以規(guī)定其它成分。
優(yōu)選地，為了減小嚙合式元件的重量，規(guī)定選擇鋁或鎂作為燒結(jié)材 料的主要成分。按照本發(fā)明的一個方面規(guī)定，由燒結(jié)材料制成的被表面 致密的嚙合齒具有至少80%的鋁以及至少銅和鎂作為其它燒結(jié)材料。一 個第一實施例規(guī)定，附加地還使用硅作為燒結(jié)材料。例如硅可以在從約 0.45%至約0.8%的范圍，優(yōu)選在0.6%和0.75%之間。但是石圭也可以位于 更大的范圍上，例如在13%和17%之間，尤其是在14.5%和".5。/。之間。 如果硅含量較高，那么燒結(jié)材料中的銅含量就減小。因此第一種混合物 例如可以具有4%至5%含量的銅，0.45%至約0.8%含量的硅，約0.35% 至0.7%含量的鎂和至少主要是鋁的剩余部分。附加地，優(yōu)選添加一種擠 壓輔助劑。它可以具有在0.8和1.8%之間的含量。為此例如可以使用蠟， 尤其是酰胺基蠟。第二種混合物例如可以具有2.2%至3%含量的銅，13% 至約17%含量的硅，約0.4%至0.9%含量的鎂和至少主要是鋁的剩余部 分。同樣可以例如如上面所述的一樣使用擠壓輔助劑。在表面致密之后 嚙合齒的至少一個區(qū)域具有例如大于2.5g/cm3優(yōu)選直到最大密度的密 度。這種制造的具有嚙合齒的工件優(yōu)選具有至少240N/mn^的抗拉強度 和至少90HB的硬度。如果硅的含量較高那么密度也可以尤其是大于 2.6g/cm3。
一個第二實施例規(guī)定，除了銅和鎂作為添加物和鋁以外附加地使用
至少鋅作為燒結(jié)材料。優(yōu)選地，銅的含量在1.2%和2.1%之間，尤其是 在1.5%和1.65%之間的范圍> 鎂在1.9%和3.1%之間，優(yōu)選在2.45%和 2.65%之間，鋅在4.7°/。和6.1%之間，尤其是在2.3°/。和5.55%之間。剩余 部分至少主要是鋁。如上述那樣，附加地此處也可以使用擠壓輔助劑。 由這種混合物制造的帶有嚙合齒的工件優(yōu)選在表面致密之后具有其中 密度從至少2.58g/cm3直到最大密度分布的至少一個嚙合齒區(qū)域。這樣 制造的帶有嚙合齒的工件優(yōu)選具有至少280N/mm2的抗拉強度和至少 120HB的硬度。
特別合適的是，嚙合式元件與另一個功能部件，尤其是一個軸或另 一個齒輪，燒結(jié)起來。尤其是由此便于保持在例如變速器中的更多個嚙 合式元件之間的精確的工作間距。
在另一個實施例中規(guī)定，嚙合式元件是一個泵的組成部件。例如涉 及與另一個漸開線齒輪嚙合的漸開線齒輪。
此外本發(fā)明涉及一種用于制造至少部分地被表面致密的嚙合式元 件尤其是用于實施上述方法的裝置，其具有與不同的加工余量適配的刀 具控制機構(gòu)。該裝置此時包括尤其是至少一個滾軋刀具，它可以優(yōu)選借 助于適配的刀具控制機構(gòu)優(yōu)選在適配的壓力和/或受控制的行程下以適 配的嚙合作用到毛坯上。該裝置尤其是包括帶齒形表面的滾軋刀具，該 齒形表面可以與嚙合式元件的嚙合齒嚙合并且在其上滾動。
此外本發(fā)明的主題是一種用于由至少在一個表面區(qū)域中由燒結(jié)材 料制成的毛坯制造至少部分地表面硬化的嚙合式元件的裝置，其中該裝 置包括刀具，該刀具借助于對毛坯的要致密的齒的滾軋運動具有對第一 齒面和第二齒面上的不同的加工余量的補償。滾軋刀具此時可以只在齒 的一個齒面上或者在兩個齒面上具有用于形狀成形所必需的輪廓，例如 一種漸開線嚙合齒。但是在另一種變型中也可以規(guī)定，分別在滾軋刀具 的嚙合齒的一個齒的第一齒面和第二齒面上設(shè)置不同的加工余量。這例 如可以是不同的漸開線嚙合齒。
此外本發(fā)明涉及一種用于設(shè)計加工余量以實現(xiàn)在滾軋過程中燒結(jié) 金屬的嚙合式元件的表面致密的方法，其中加工余量迭代地求得。在第 一步驟中，預(yù)先規(guī)定例如幾何形狀以及尤其是扭矩和/或壓力分布。在另 一個步驟中，限定例如滾軋刀具的設(shè)計。此外求得具有局部地限定的加 工余量的毛坯?？梢岳绺鶕?jù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行選擇。這種數(shù)據(jù)庫含有例如根
據(jù)各種參數(shù)求得的實驗密度變化曲線。此外可以進(jìn)行致密或滾軋過程的 模擬。為此結(jié)合模擬毛坯以及必要時滾軋刀具的彈性特性和塑性特性來 模擬例如滾軋過程的運動學(xué)。為了模擬毛坯的彈性或塑性特性，借助于 例如有限元法或有限體積法，采用與離散解法結(jié)合的連續(xù)力學(xué)模型。
在一個優(yōu)選實施例中規(guī)定，在考慮加工余量下迭代地求得滾軋刀具 的幾何形狀。例如可以求得滾軋刀具的漸開線嚙合齒的加工余量。相應(yīng) 地可以求得另一個非漸開線嚙合齒的加工余量。
在一個特別優(yōu)選的實施例中規(guī)定，在第一步驟中至少在齒的一個齒 面的區(qū)域中嚙合式元件的毛坯的局部地變化的、至少可以逐點地限定的 加工余量根據(jù)至少一個設(shè)計的預(yù)先規(guī)定自動地產(chǎn)生，在第二步驟中滾軋 刀具的幾何形狀自動地產(chǎn)生，在第三步驟中對滾軋加工和嚙合式元件的 至少 一個表層的此時產(chǎn)生的局部的致密變化曲線進(jìn)行模擬和在第四步 驟中將產(chǎn)生的致密變化曲線的自動的評價與預(yù)先規(guī)定進(jìn)行比較以及必 要時該方法自第一步驟起在應(yīng)用至少一種變化下為了優(yōu)化而重復(fù)地進(jìn) 行，直到滿足中斷標(biāo)準(zhǔn)為止。該變化此時例如借助于優(yōu)化方法實現(xiàn)。中 斷標(biāo)準(zhǔn)例如是在希望的密度變化曲線和在模擬中實現(xiàn)的密度變化曲線
、 特別:適的是，設(shè)計的預(yù)l規(guī)定:材料i度，幾何形狀，'、扭矩和壓
力分布的組中選擇。扭矩此時應(yīng)該理解為在嚙合式元件的按照使用的應(yīng) 用目的下出現(xiàn)的扭矩。
尤其是為了避免材料裂縫，合適的是，對至少在致密的區(qū)域中的材 料應(yīng)力進(jìn)行模擬和尤其是用于評價。由此優(yōu)選地避免，表面雖然被足夠 地硬化，但是由于應(yīng)力的作用而易脆和易于產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。
此外有利的是使用在儲存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)用于變化。尤其是此時 可以例如借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用優(yōu)化和數(shù)據(jù)分析的方法。此外例如為了優(yōu) 化借助于遺傳學(xué)算法使用在數(shù)據(jù)庫中儲存的特征。
在另一個實施例中，步驟中的至少一個步驟可以通過一個預(yù)先規(guī)定 進(jìn)行替代。優(yōu)選地，滾軋刀具幾何形狀被固定地預(yù)先規(guī)定。由此例如考 慮這樣的事實，即修改滾軋刀具的費用比例如毛坯要大得多。另一個實 施例規(guī)定反向的操作過程。優(yōu)選地，從最終形狀出發(fā)，計算毛坯或用于
;后本發(fā)明的主題是具有儲存在計算機可讀的介質(zhì)上的程序編碼
機構(gòu)的計算機程序產(chǎn)品，用于當(dāng)在計算機上應(yīng)用該程序時實施至少 一個 上述的方法。計算機可讀的介質(zhì)例如是磁性的，光磁的或光學(xué)的存儲介 質(zhì)。此外例如使用存儲芯片。除此以外計算機可讀的介質(zhì)也可以借助于 遠(yuǎn)距離存儲，例如借助于計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。
計算機程序可以例如存儲在用于表面致密的機器中。也可以與用于 表面致密的機器分開地進(jìn)行計算。但是機器具有控制機構(gòu)，尤其是行程 和/或力引導(dǎo)的控制機構(gòu)，其中可以輸入坐標(biāo)和運動變化曲線，用于對毛 坯進(jìn)^f于致密加工。
按照本發(fā)明的另一個方面，設(shè)置壓模，用它可以擠壓由燒結(jié)材料制 成的毛坯，其隨后被表面致密加工到最終形狀。該壓模是迭代地計算 的。優(yōu)選地，此時同樣以帶有嚙合齒的工件的最終輪廓的數(shù)據(jù)為依據(jù)。
也可以設(shè)置滾軋檢驗臺，其提供這樣的可能性，即可以對非常不同 的表面致密進(jìn)行試驗性的滾軋。由此尤其是也可以求得這樣的數(shù)據(jù)，其 可以被評估地使用到計算方法中。例如為此可以由多個測量值形成適合 的特征值。由此例如可以實現(xiàn)用于毛坯，刀具或擠壓刀具的迭代計算的 起始值。滾軋檢驗臺也可以對被表面致密的具有嚙合齒的工件進(jìn)行自動 化測量。以下建議了一些其它的構(gòu)思，它們與到目前為止建議的方面進(jìn) 行組合，^旦是也可以與它們獨立地實施。
按照本發(fā)明的另 一個構(gòu)思，該構(gòu)思可以與本公開中的其它特征獨立 地和結(jié)合地使用，設(shè)置一種用于制造由被致密的燒結(jié)材料制成的嚙合齒 的方法，其中被預(yù)致密的齒坯至少在一個區(qū)域中借助于迭代地求得的數(shù)
據(jù)至少在它的表面上的0.05mm處被致密到它的最終形狀，和至少在一 個至少fH廠4， Fo^7和Ff^7的范圍中實現(xiàn)最終形狀的質(zhì)量。其中fHcx是
指相對于嚙合齒的偏差，F(xiàn)a是指總的偏差和Ffo是指齒面的輪廓形狀偏
差。給出的值對應(yīng)于涉及偏差的DIN等級。
按照一個擴(kuò)展方案規(guī)定，迭代計算考慮涉及在齒形的表面致密加工 中的材料性能的參數(shù)。 一個實施例規(guī)定，用于確定毛坯的迭代計算從輸 入的數(shù)據(jù)出發(fā)，該數(shù)據(jù)來自于最終形狀的預(yù)先規(guī)定。優(yōu)選地使用至少一 個滾軋刀具，它具有與以后制造的最終形狀相同的質(zhì)量。通過在表面致 密時迭代的確定和由此非常精確的加工，使得能夠?qū)⒌毒叩馁|(zhì)量傳遞到 毛坯上成為可能。尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的表面致密，使得嚙合齒在 表面致密加工之后不需要進(jìn)行其它的材料減少的再加工步驟就具有最
終形狀的質(zhì)量。例如制造出核心密度為至少7.4g/cn^的帶有嚙合齒的工 件，其具有的表面密度至少在齒面的一個區(qū)域中是最大的，其中最大表 面密度在該區(qū)域中延伸至少0.02pm的深度。
按照本發(fā)明的另 一 個構(gòu)思，該構(gòu)思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結(jié)合地使用，設(shè)置一種用于制造由被致密的燒結(jié)材料制成的嚙 合齒的方法，其中被預(yù)致密的齒坯在至少 一個區(qū)域中借助于迭代地求得 的數(shù)據(jù)被致密到它的最終形狀，和在該區(qū)域中的粗庫造度相對于毛坯改善 了至少400%,其中表面硬度被調(diào)節(jié)到至少130HB。優(yōu)選調(diào)節(jié)到至少具 有7.3g/cn^的密度的最終形狀的核心密度和形成具有從表面到最終形狀 的中心方向上凸形的變化曲線的表面硬度。
由被預(yù)致密的材料制成的嚙合齒在一個第 一被表面致密的區(qū)域中 具有的粗糙度比在一個被很少或者完全沒有被表面致密的第二區(qū)域中 的粗糙度小至少400%。粗糙度Rz例如在第一區(qū)域為小于lpm。另一個 實施例規(guī)定，在最終形狀的表面上的表面硬度具有至少700HV
,而 在表面的0.4mm的深度下至少具有500HV
的硬度。另一個實施例在 齒面的表面上和在齒根中具有至少700HV
的表面硬度，其中至少 500HV
的硬度處于齒根中的表面的0.6mm的深度上和至少 500HV
的硬度處于齒面上的表面的0.8mm的深度上。通過制造表面 致密使得能夠相應(yīng)于希望的預(yù)先規(guī)定按照目標(biāo)地調(diào)節(jié)出精確的致密以 及硬化成為可能。
按照本發(fā)明的另 一 個構(gòu)思，該構(gòu)思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結(jié)合地使用，提出 一種用于設(shè)計由燒結(jié)材料制成的嚙合齒的毛 坯的計算方法，其中計算方法中應(yīng)用了由嚙合齒的預(yù)先規(guī)定的最終形狀 求得的數(shù)據(jù)，依據(jù)最終形狀的至少一個使用條件求得嚙合齒的一個或更 多個負(fù)荷參數(shù)，計算毛坯的局部的加工余量，該毛坯與毛坯在表面的期 望的致密相關(guān)聯(lián)，其中在表面下面的燒結(jié)材料的負(fù)荷被一同輸入到計算 中。
優(yōu)選地，在計算時該計算附加地以刀具在要制造的工件中的擠入為 基礎(chǔ)，其中尤其是在擠入時和擠入之后可以考慮燒結(jié)材料的特性。例如 該計算方法規(guī)定，考慮要致密的燒結(jié)材料的彈性變形。該計算方法也可 以規(guī)定，考慮在表面上要致密的燒結(jié)材料的彈性-塑性變形。優(yōu)選將例 如在工件作為傳力齒輪使用時在表面下面的最大負(fù)荷的深度應(yīng)用到計
算方法中。計算方法此外可以將在燒結(jié)時燒結(jié)材料的收縮輸入到計算 中。也可以將憑經(jīng)驗求得的數(shù)據(jù)同樣輸入到計算中。
按照本發(fā)明的另 一 個構(gòu)思，該構(gòu)思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結(jié)合地使用，提出一種用于設(shè)計對尤其是由被致密的燒結(jié)材料 制成的嚙合齒的毛坯進(jìn)行表面致密的刀具的計算方法，以制造出預(yù)先規(guī) 定的齒幾何形狀，其中為了計算機床運動學(xué)，在考慮用于成形出要制造 的刀具的工件和至少一個刀具成形裝置的相互關(guān)聯(lián)的機器軸、它們的耦 聯(lián)的系統(tǒng)坐標(biāo)和它們的相對運動的條件下，迭代地一 同輸入由預(yù)先規(guī)定 的、要制造的齒幾何形狀求得的數(shù)據(jù)。由此現(xiàn)在存在這樣的可能性，即 不用通過工件成形裝置的重復(fù)的試驗、測量結(jié)果和配合最后找到最終的
形狀，而是借助于迭代計算進(jìn)行實施。這大大地節(jié)省了時間并且可以考 慮非常不同的影響參數(shù)。尤其是也可以模擬設(shè)計，從而例如可以檢查要
制造的刀具的對在模擬中設(shè)計的毛坯的作用方式。
按照 一 個實施例，在要制造的工件和在嚙合齒的齒尖和齒根之間的 刀具成形裝置之間的接觸條件應(yīng)用到計算方法中。優(yōu)選此時也在嚙合齒 的齒根的區(qū)域中將表面上的最大應(yīng)力 一起輸入計算中。此外存在可能 性，即在嚙合齒的齒面的區(qū)域中將在表面下面的最大應(yīng)力一起輸入計算 中。該方法尤其適用于燒結(jié)材料，但是也可以用于鋼工件或由其它材料 制成的工件。
按照本發(fā)明的另 一 個構(gòu)思，該構(gòu)思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結(jié)合地使用，提出 一種具有擠壓幾何形狀的用于制造由燒結(jié)材 料制成的嚙合齒的毛坯的擠壓成形刀具，其中擠壓幾何形狀具有與嚙合 齒的表面致密加工相適配的具有至少一個隆起的變化曲線，該隆起至少 在毛坯的嚙合齒的區(qū)域產(chǎn)生 一個凹部，該凹部可以用燒結(jié)材料在表面致 密加工時填充。
優(yōu)選地，在毛坯的一個端部上的隆起在嚙合齒的齒的齒頂?shù)膮^(qū)域中 產(chǎn)生 一個凹部。例如通過迭代計算可以確定隆起的高度或凹部的深度以 及其它尺寸。另一個實施例不是設(shè)置單側(cè)隆起，而是設(shè)置雙側(cè)隆起，以 便在齒的兩個端部各產(chǎn)生一個凹部。按照一個擴(kuò)展方案，隆起布置在幾 何形狀的一個區(qū)域中，該區(qū)J:或在毛坯的齒頂上產(chǎn)生一個凹部，其中該隆 起具有這樣的尺寸，使得成形凹部至少部分地減小了由于通過表面致密 加工將毛坯加工到最終形狀時齒頂產(chǎn)生的擴(kuò)展。以這種方式可以例如計
算和尤其是制造具有在嚙合齒的端部上的至少一個凹部的毛坯，以便在 表面致密加工嚙合齒的工作面時補償材料堆積。以這種方式也可以計算 和尤其是制造具有嚙合齒的齒頂上的至少一個凹部的毛坯，以在表面致 密加工至少嚙合齒的齒面時至少減小齒頂在高度上的擴(kuò)展。用于確定毛 坯或擠壓成形刀具的幾何形狀的計算方法優(yōu)選規(guī)定，從毛坯的最終形狀 的數(shù)據(jù)出發(fā)確定幾何形狀和計算至少一個凹部或隆起，其至少部分地補 償在表面致密加工時的材料移動。
按照本發(fā)明的另 一個構(gòu)思，該構(gòu)思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結(jié)合地使用，提出一種用于嚙合齒的表面致密的方法，其中為 了表面致密加工毛坯的表面，迭代地計算成形刀具的要重復(fù)的致密運動 的次數(shù)。優(yōu)選迭代地計算滾壓，直到達(dá)到預(yù)先確定的表面密度。 一種擴(kuò) 展方案規(guī)定，迭代地計算成形刀具的進(jìn)給。按照一個實施例，對毛坯進(jìn)
行小于20次的滾壓以實現(xiàn)表面致密加工的最終形狀的預(yù)先規(guī)定的幾何 形狀。優(yōu)選進(jìn)行小于10次滾壓。尤其是對毛坯進(jìn)行小于6次的滾壓， 直到達(dá)到表面致密加工的最終形狀的預(yù)先規(guī)定的幾何形狀。此時要考慮 在達(dá)到之后表面致密的結(jié)束還沒有發(fā)生。相反刀具在表面上接著還要多 次地，尤其是小于25次，優(yōu)選小于15次地移動。由此保證表面形狀的 精確性。
按照本發(fā)明的另 一個構(gòu)思，該構(gòu)思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結(jié)合地使用，提出一種方法，在該方法中，為了將毛坯致密加 工到表面致密加工的最終形狀在由燒結(jié)材料制成的嚙合齒上實施反轉(zhuǎn) 的滾動。優(yōu)選地，在反向之前通過成形刀具使毛坯短暫地卸栽。已經(jīng)證 明，通過該反向，這意味著，通過運動的反向可以形成較小的致密。此 外，通過在進(jìn)行運動反向之前減小刀具作用在工件上的壓力，達(dá)到進(jìn)一 步減少制造中的問題。此時刀具可以保持與工件接觸。但是也可以短時 間地與表面脫開。
按照本發(fā)明的另 一個構(gòu)思，其可以與本公開中的其它特征相獨立地 和相結(jié)合地使用，提出了 一種具有至少 一個由燒結(jié)材料制成的嚙合齒的 工件的表面致密，其中工件的第一表面用與工件的第二表面不同的方法 致密。工件的第一嚙合齒優(yōu)選具有與工件的第二嚙合齒不同的致密。一 個擴(kuò)展方案規(guī)定，對工件的內(nèi)嚙合齒實施與工件的外嚙合齒不同的表面 致密。也存在可能性，即外嚙合齒借助于一種滾軋方法被表面致密，而
第二表面是孔，其用另一種方法被表面致密。優(yōu)選地，工件中的孔在表 面致密加工之后獲得被硬化的表面和接著使之達(dá)到最終形狀。這可以將 該孔用于軸或輪軸。精確度可以通過在嚙合齒硬化之后進(jìn)行表面致密實 現(xiàn)改進(jìn)。
按照本發(fā)明的另 一個構(gòu)思，其可以與本公開中的其它特征相獨立地 和相結(jié)合地使用，提出了一種具有至少一個第一嚙合齒和至少一個第二 嚙合齒的軸，其中由燒結(jié)材料制成的第 一嚙合齒被滾軋和被表面致密。 以下給出涉及軸或嚙合齒的特征。此時尤其是有關(guān)嚙合齒、材料、制造 步驟等等的其它公開內(nèi)容也可以用于其它實施例。
按照一個實施例，該軸具有第二嚙合齒，其按照一種與第一嚙合齒 不同的方法制造。這能夠?qū)崿F(xiàn)多種組合，其為每種負(fù)荷情況規(guī)定了各種 材料的解決方案。按照另一個實施例，第二嚙合齒與第一嚙合齒一起形 成一個工件。例如兩個嚙合齒可以一起在一個擠壓機器中制造。優(yōu)選
地，迭代地計算和相應(yīng)地制造第一嚙合齒和第二嚙合齒。按照一個實施 例，該制造可以相繼地進(jìn)行，但是按照另一個實施例也可以同時進(jìn)行。 這尤其也適用于其它的加工步驟如例如表面致密。
一個擴(kuò)展方案規(guī)定，第二嚙合齒具有被硬化的沒有表面致密的表 面。對于一些負(fù)荷情況，通過燒結(jié)實現(xiàn)的密度或使用的材料所具有的強 度是足夠的。這適用于例如泵的應(yīng)用。
此外已經(jīng)證明是有利的是，至少第一嚙合齒至少在一個齒上在該齒 的相同的高度上分別具有不同的齒面導(dǎo)程。這在軸的主轉(zhuǎn)動方向和尤其 是僅僅一個轉(zhuǎn)動方向是預(yù)先規(guī)定的應(yīng)用中是有利的。由此可以低磨損和 低噪音地設(shè)計不同的齒面導(dǎo)程。
另一個實施例規(guī)定，第二嚙合齒是鍛造的。它可以附加地被表面致 密。該嚙合齒例如可以比第 一嚙合齒承受更大的力傳遞。
優(yōu)選地，第二嚙合齒由一種不同于第一嚙合齒的材料制成。例如第 二嚙合齒由鋼制成。但是第二嚙合齒也可以用不同于第一嚙合齒的其它 燒結(jié)材料制成。附加地，軸同樣可以用燒結(jié)材料制成。它例如可以具有 與第一嚙合齒相同的材料。軸也可以至少與第一嚙合齒一起形成，亦即 由粉末材料擠壓而成，優(yōu)選在一個公共的擠壓模具中。
一種用于制造上述軸的示例性的方法也可以規(guī)定，在軸和第一嚙合 齒相互連接起來之前，至少第一嚙合齒獲得表面致密和用于容納該軸的
孔被表面致密，硬化并且接著進(jìn)行對磨。為此優(yōu)選從帶有第一嚙合齒的 軸的最終形狀出發(fā)進(jìn)行第 一嚙合齒的毛坯的迭代計算。
這種軸在汽車技術(shù)中和在變速器制造中以及在家用設(shè)備中得到優(yōu) 選的應(yīng)用。
按照本發(fā)明的另 一 個構(gòu)思，其可以與本公開中的其它特征相獨立地 和相結(jié)合地使用，利用了一種用于制造由燒結(jié)材料制成的嚙合齒的毛 坯，其中該毛坯具有負(fù)的加工余量。優(yōu)選該負(fù)的加工余量至少布置在嚙 合齒的齒的一個齒面上。負(fù)的加工余量尤其是可以不對稱地沿著齒面分 布。
一個擴(kuò)展方案規(guī)定，在齒的每個齒面上設(shè)置負(fù)的加工余量。例如齒 在相同的高度上具有在第一齒面上的第一負(fù)的加工余量和具有在第二 齒面上的第二負(fù)的加工余量，其中第一齒面和第二齒面相互不對稱地分布。
負(fù)的加工余量優(yōu)選設(shè)置在齒的齒頂區(qū)域和齒的齒面上的加工余量 之間。附加地或備選地，負(fù)的加工余量可以布置在齒根的角部區(qū)域中。 此外存在可能性，即一個齒的齒面的齒面導(dǎo)程是不同的。
除了外嚙合齒或其它的嚙合齒類型以外，也對內(nèi)嚙合齒這樣的嚙合 齒實施表面致密。由毛坯最后產(chǎn)生被表面致密的齒輪。
一個擴(kuò)展方案規(guī)定一種用于制造由燒結(jié)材料制成的嚙合齒的方 法，其中毛坯配置至少一種借助于迭代計算求得的負(fù)的加工余量，其在 嚙合齒進(jìn)行表面致密時至少部分地通過燒結(jié)材料的擠移而被填充。優(yōu)選 地，與負(fù)加工余量相鄰的加工余量材料被擠入負(fù)的加工余量中。毛坯可 以被表面致密加工到要求的最終形狀，其中可選擇地進(jìn)行硬化和/或表面 精加工。這可以事先進(jìn)行或者在表面致密加工之后進(jìn)行。作為精加工可 以考慮珩磨以及磨削。
優(yōu)選通過迭代計算實現(xiàn)負(fù)加工余量的形狀，其中求得在毛坯上的表 面致密的模擬，是否相鄰的加工余量在它的形狀上是這樣設(shè)計的，即負(fù)
的加工余量可以在追求的最終輪廓方向上被整平(geglattet)。為此提 供了用于對嚙合齒的表面致密進(jìn)行計算和/或?qū)嵤┑臋C器，其中可以輸入 計算的運動學(xué)，借助于它通過表面致密，嚙合齒的齒面上的負(fù)的加工余 量可以整平到追求的最終輪廓。
按照本發(fā)明的另 一個構(gòu)思，其可以與本7>開中的其它特征相獨立地和相結(jié)合地使用，建議了一種用于在嚙合齒上制造表面致密的方法，其 中至少兩個毛坯在一個裝置中同時獲得表面致密。
按照一個實施例，毛坯布置在平行布置的軸上并且同時與至少一個 用于表面致密的刀具嚙合。
按照 一個第二實施例，至少兩個毛坯布置在 一個公共軸上并且共同 地與至少一個用于表面致密的刀具嚙合。
此外建議了一種用于在嚙合齒上制造表面致密的裝置，其中至少兩 個毛坯為了表面致密可以保持在該裝置中并且可以同時加工。
例如規(guī)定，設(shè)置至少一個軸的運動，在該運動中兩個毛坯與用于表 面致密的刀具嚙合。 一個擴(kuò)展方案規(guī)定，用于至少兩個毛坯的至少三個 軸和至少一個刀具相互平行地布置和形成一個三角形，其中至少一個軸 可以朝著另外兩個軸運動。另一個實施例規(guī)定，至少兩個毛坯可以安裝 在一個公共軸上，其中刀具的長度大于至少兩個毛坯的相加的長度。毛 坯優(yōu)選可以通過它們的端面相互頂接在一起。另一個實施例規(guī)定，在毛 坯之間設(shè)置一個間距，其中刀具沿著該軸突出超過毛坯的兩個外端面。
按照本發(fā)明的另 一個構(gòu)思，其可以與本公開中的其它特征相獨立地 和相結(jié)合地使用，提出了 一種具有被表面致密的由燒結(jié)材料制成的嚙合 齒的部件，其中該部件在一個橫截面上看，具有一種相對于所使用的燒 結(jié)材料的梯度。
該部件優(yōu)選具有一種梯度，該梯度具有一種階梯函數(shù)。燒結(jié)材料至 少在該區(qū)域中設(shè)有過渡界線。按照一個實施例，該過渡界線沿著在第一 和第二燒結(jié)材料之間的整個面設(shè)置。另一個實施例規(guī)定，在一個區(qū)域中 沒有固定的界線而是設(shè)置一個逐漸的過渡。尤其是可以規(guī)定，部件具有 不同的燒結(jié)材料，它們相互延伸到對方中，而沒有明顯的帶上升的或者 下降的梯度的通混區(qū)。
部件的一個第一擴(kuò)展方案包括，嚙合齒的燒結(jié)材料具有比部件的連 接在嚙合齒上的區(qū)域的燒結(jié)材料更小的核心密度。部件的一個第二擴(kuò)展
結(jié)材料更大^核心密度。 、 ；、、、" 、/、，
另 一個實施例具有一種部件，它具有包括第 一燒結(jié)材料的第 一嚙合
齒和包括第二燒結(jié)材料的第二嚙合齒。
嚙合齒優(yōu)選在一個齒上在相同的高度上具有不同的齒面嚙合角。第一燒結(jié)材料例如可以布置在部件的一個外部區(qū)域中和形成嚙合 齒，和第二燒結(jié)材料布置在部件的一個內(nèi)部區(qū)域中和形成一個孔。
此外建議一種用于制造在部件上的被表面致密的嚙合齒的方法，其 中在將第二燒結(jié)材料加入之前，將第一燒結(jié)材料放入到一個模具中，接 著進(jìn)行擠壓和燒結(jié)和借助于嚙合齒的表面致密只對兩個燒結(jié)材料中的 一個燒結(jié)材料進(jìn)行致密加工，而另一個燒結(jié)材料沒有受到任何改變。
一個擴(kuò)展方案規(guī)定，實施第二表面致密，其只涉及還沒有被表面致 密的燒結(jié)材料。優(yōu)選規(guī)定，第一燒結(jié)材料形成嚙合齒齒面的至少一個表 面和第二材料形成嚙合齒的底襯。
另 一個建議的用于在部件上制造被表面致密的嚙合齒的方法規(guī) 定，在將第二燒結(jié)材料加入之前，將第一燒結(jié)材料放入到一個模具中， 接著進(jìn)行擠壓和燒結(jié)和借助于嚙合齒的表面致密對第一燒結(jié)材料和第 二燒結(jié)材料進(jìn)行致密加工。
為了實施該方法，在考慮兩個燒結(jié)材料中的至少 一個燒結(jié)材料的材 料特性下迭代地確定用于表面致密的運動過程，已經(jīng)證明是有利的。
用于該兩個方法的一個擴(kuò)展方案規(guī)定，在該模具，尤其是擠壓模具 和填入的燒結(jié)材料之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，從而燒結(jié)材料依據(jù)相對轉(zhuǎn)動的速 度聚積在模具的一個外部區(qū)域中。
另外也可以規(guī)定，第一燒結(jié)材料和至少第二燒結(jié)材料至少在一定的
時間長度上重疊地加入到模具中。
此外參見US5,903,815。該文獻(xiàn)給出了各種燒結(jié)材料、用于燒結(jié)材 料的條件、模具，關(guān)于加工兩個或更多燒結(jié)材料的原理、應(yīng)用和方法步 驟。與此相關(guān)地，在本公開的范圍內(nèi)參見該文獻(xiàn)的屬于本發(fā)明的公開內(nèi) 容的內(nèi)容。
按照本發(fā)明的另一個構(gòu)思建議，尤其是在鍛造的齒輪，鏈輪或齒環(huán) 的情況下該制造方法除了嚙合齒的表面致密化步驟以外還設(shè)置對被致 密的齒面和/或齒根的磨削或?qū)δ?。?yōu)選通過鍛造實現(xiàn)至少7.6g/cm3的密 度作為核心密度。表面致密加工因此可以達(dá)到嚙合齒的完全致密和/或形 狀的精確性。 一個擴(kuò)展方案規(guī)定，對于在表面致密加工之后的材料減少 的加工步驟，用于該步驟的加工余量在比最終尺寸多出4nm至8pm材 料的范圍上。如果不采用鍛造而是進(jìn)行擠壓，燒結(jié)和硬化，尤其是滲物 式表面硬化，那樣供在表面致密加工之后使用的加工余量對于珩磨為優(yōu)
選30|im至5(Vm和乂t于磨削為50|im至0.3mm，優(yōu)選0.1mm至0.2mm。 通過迭代計算使得區(qū)域和加工余量可以預(yù)先確定和以后也因此能夠在 方法中轉(zhuǎn)換。對于在齒輪，鏈輪或齒環(huán)中孔優(yōu)選同樣設(shè)置表面致密，隨 后是進(jìn)行硬化和接著優(yōu)選進(jìn)行珩磨。孔可以為此同樣在表面致密加工之 后具有在30|im和50pm之間的加工余量。
在表面致密加工時進(jìn)行潤滑，則產(chǎn)生了另一個優(yōu)點。除了利用乳化 液以外尤其也可以用油潤滑。該油優(yōu)選用于熱滾軋，例如在高于220°C 的溫度下。此外建議，在50(TC和600'C之間的溫度下實施熱滾軋，其 中優(yōu)選利用油冷卻，以便一方面進(jìn)行潤滑，另一方面也冷卻刀具。
以下對照附圖通過示例詳細(xì)描述本發(fā)明。但是設(shè)計這些示出的實施 例不是用于限制本發(fā)明的范圍和細(xì)節(jié)。相反由附圖中得到的特征不局限 于各個實施例。而是這些特征可以與各個其它的在附圖中和/或在說明書 中包括在


中給出的特征分別組合成沒有詳細(xì)示出的擴(kuò)展方 案。
附圖中所示 圖1是滾軋裝置， 圖2是第一齒， 圖3是第二齒， 圖4是第三齒，
圖5至7是各種嚙合式元件的各種加工余量變化曲線， 圖8是第一方法示意圖， 圖9是第二方法示意圖，
圖IO是滾軋刀具的嚙合式元件的加工余量變化曲線， 圖11是在一個端部上的計算的凹部的示意圖， 圖12是刀具的計算的極端情況的示意圖，
圖13是在迭代計算下的工藝過程的示意圖和在模擬下的邏輯電
路，
圖14是與使用的毛坯的各種初始密度相關(guān)的密度變化曲線的視
圖，
圖15是對測定的誤差的概括，該誤差在不同的表面致密化步驟中
出現(xiàn)并且同時表征材料特性，
圖16是在各種表面致密化步驟下在一個齒面上的以HV為單位的
硬度變化曲線，
圖n是在各種表面致密化步驟下在一個齒根部位上的以hv為單 位的硬度變化曲線，
圖18是對于各種密度的各種計算的加工余量變化曲線的示意圖， 圖19是可以在迭代計算中應(yīng)用的參數(shù)的示意表示。 圖示出了一種示例性的滾軋裝置示意視圖。帶有第一嚙合齒102 的第一滾軋刀具101圍繞第一軸103沿著轉(zhuǎn)動方向104可轉(zhuǎn)動地支承。 第一嚙合齒102與毛坯106的第二嚙合齒105嚙合。毛坯106圍繞第二 軸107可轉(zhuǎn)動地支承。相應(yīng)地產(chǎn)生第二轉(zhuǎn)動方向108。此外第二嚙合齒 105與第二滾軋刀具110的第三嚙合齒109嚙合。該第二滾軋刀具110 圍繞第三軸111沿著第三轉(zhuǎn)動方向1U可轉(zhuǎn)動地支承。第一軸103或第 二軸107例如可以是固定軸，而其它兩個軸可以實施進(jìn)給運動。例如第 三軸111可以在沿著第一軸103，第二軸107和第三軸Ul的連線114 的移動方向U3上移動。例如可以進(jìn)行定徑滾軋過程。此時尤其是齒面 僅僅輕微地被致密和尤其不是齒根被致密。此時是在要求的區(qū)域中進(jìn)行 表面致密。另一方面，在表面致密時也可以只是或者附加地齒根被表面 致密。例如為此在滾軋過程期間進(jìn)行在移動方向113的方向上的向前移 動。尤其是借助于第一和第二滾軋刀具101， 110也使毛坯106的齒根 區(qū)域被致密。為了調(diào)節(jié)第一和/或第二滾軋刀具110以及為了施加進(jìn)行滾 軋過程必需的壓力設(shè)置了一個沒有示出的優(yōu)選帶有傳動機構(gòu)的調(diào)節(jié)裝 置。由此也可以尤其是施加非常高的壓力。
圖2顯示了一個沒有示出的所屬的嚙合式元件的第一齒201。該嚙 合式元件涉及齒輪。嚙合式元件或第一齒201的幾何形狀此時通過此時 通過第一齒根圓202,第一齒根節(jié)圓203，第一基圓204和第一齒頂圓 205表征。在第一齒面206上第一齒201在滾軋過程之前具有第一加工 余量變化曲線207。在滾軋過程結(jié)束之后產(chǎn)生第一最終尺寸變化曲線 208，其中相應(yīng)地產(chǎn)生第一被致密的表層209。它示意表示地通過第一致 密界線210限制。該線界定了第一齒201的在其內(nèi)實現(xiàn)全密度的區(qū)域。 全密度此時優(yōu)選是相對于可以比較的粉末鍛造的齒的密度而言的。
圖3顯示了一個沒有示出的嚙合式元件的第二齒301。該嚙合式元 件同樣涉及齒輪。第二齒301和齒輪通過第二齒頂圓302,第二基圓 303，第二齒根節(jié)圓304和第二齒根圓305表征。為了在第二齒面306
和第三齒面307上實現(xiàn)相同的致密變化曲線設(shè)置了第二加工余量變化曲 線308和第三加工余量變化曲線309。在滾軋過程之后在第二齒面306 上產(chǎn)生第二最終尺寸變化曲線310和在第三齒面307上產(chǎn)生第三最終尺 寸變化曲線3U。此外產(chǎn)生第二致密界線312和第三致密界線313。由 于通過沿著轉(zhuǎn)動方向的滾禮運動在第二齒面306和第三齒面307上產(chǎn)生 的不同的力，使得第二加工余量變化曲線308和第三加工余量變化曲線 309被不同地構(gòu)造。在滾軋過程中力在齒面306, 307上的不同的作用通 過所示的滑動速度方向說明。在第二齒面306上產(chǎn)生第一滑動速度方向 314和第二滑動速度方向315。它們從第二基圓303出發(fā)在第二齒頂圓 302的方向上指向或在第二齒根圓305的方向上指向。相反，在第三齒 面307上產(chǎn)生第三滑動速度方向316和第四滑動速度方向317，它們是 相互相對指向的。
圖4顯示了一個沒有示出的嚙合式元件的第三齒401。該嚙合式元 件同樣涉及齒輪。齒輪和第三齒4(H也是通過第三齒頂圓402,齒頂節(jié) 圓403,第三基圓404,第三齒根節(jié)圓405以及通過第三齒根圓406表 征。該示出的第三齒401涉及帶有齒頂后縮的、優(yōu)選形式為齒頂?shù)箞A的 嚙合齒。但是在該區(qū)域中的其它幾何形狀也是可能的。此時在齒頂區(qū)域 401.1中在第三齒頂圓402和齒頂節(jié)圓403之間后縮成一種齒廓。這導(dǎo) 致在該區(qū)域中該齒不與漸開線式的相對嚙合齒嚙合。在這種情況下，有 效的齒區(qū)域僅僅位于在齒頂節(jié)圓4(B和齒根節(jié)圓405之間或在齒頂節(jié)圓 403和第三齒根圓406之間的區(qū)域中。在第四致密界線408中的滾軋過 程之后產(chǎn)生第四加工余量變化曲線4CT7。此外在第四齒面409上到達(dá)第 四最終尺寸變化曲線410。
圖5顯示了在沒有示出的嚙合式元件的兩個相鄰的齒之間的加工余 量變化曲線。該嚙合式元件也涉及齒輪。齒輪和齒通過第四齒根圓502， 毛坯的第四齒根節(jié)圓503，在磨削過程之后的毛坯的第五齒根節(jié)圓504, 在銑削過程之后的第四齒頂圓505和在精整過程之后的第五齒頂圓506 表征。在滾軋過程之后產(chǎn)生第五最終尺寸變化曲線50入在橫坐標(biāo)軸上 標(biāo)出單位為mm的橫向尺寸。在縱坐標(biāo)軸上標(biāo)出相應(yīng)的與其垂直定向的 同樣單位為mm的橫向尺寸。嚙合齒此時完全在圖平面中延伸。
圖6示出了其它加工余量變化曲線的匯編圖。在橫坐標(biāo)軸上表示沿 著 一個嚙合式元件的齒面線的公稱弧線長度。該弧線此時各涉及從第一
齒的齒頂?shù)较噜彽凝X的齒頂?shù)淖兓€。在上方的橫坐標(biāo)軸上相應(yīng)地以
mm表示了相應(yīng)的齒面線的絕對弧線長度。左邊的縱坐標(biāo)軸給出了以mm 為單位的加工余量。右邊的縱坐標(biāo)軸描述了所屬的嚙合齒的相應(yīng)的半 徑。示出了第六加工余量變化曲線601,第七加工余量變化曲線602和 第八加工余量變化曲線603。此外示出了相應(yīng)的嚙合齒的所屬的半徑 604。第六加工余量變化曲線601和第八加工余量變化曲線603此時相 對于齒根對稱線605對稱地構(gòu)造。相反，第七加工余量變化曲線607不 對稱地構(gòu)造。在齒對稱基線605附近，即在齒根區(qū)域中，加工余量各具 有局部最小值。由此有利于減小應(yīng)力裂紋的危險。
圖7示出了另一個加工余量變化曲線。所示的是第九加工余量變化 曲線，它從左邊的齒頂702到右邊的齒頂703不對稱地分布。如已經(jīng)在 圖6中所示的，此時在齒根704區(qū)域中的加工余量也小于第五齒面705 和第六齒面706的區(qū)域中的加工余量。這尤其是用于避免應(yīng)力裂縫。
圖8示出了第一方法示意圖。從目標(biāo)預(yù)先規(guī)定801出發(fā)，其包括幾 何形狀、要傳遞的齒輪扭矩和壓力分布，由第一幾何形狀產(chǎn)生模塊802 產(chǎn)生滾軋刀具的幾何形狀。此外不僅依據(jù)目標(biāo)預(yù)先規(guī)定801而且依據(jù)滾 軋刀具的幾何形狀在第二幾何形狀產(chǎn)生模塊803中產(chǎn)生毛坯的幾何形 狀。在第一模擬模塊804中模擬滾軋過程。此時不僅模擬滾軋過程的運 動學(xué)也而且模擬在滾軋過程中產(chǎn)生的致密過程。其中此時尤其是考慮了 材料的分布，如其例如在圖3示意示出的那樣。塑性變形的模擬此時例 如借助于有限元法進(jìn)行。這可以與CAD程序耦聯(lián)。可選擇地，可以考 慮用于模擬應(yīng)力的第二模擬模塊805。在該模塊中一方面不僅涉及目標(biāo) 預(yù)先規(guī)定801也而且涉及毛坯的幾何形狀。另一方面第二模擬模塊805 此外能夠?qū)崿F(xiàn)對求得的毛坯的幾何形狀進(jìn)行修正。尤其是第 一 幾何形狀 產(chǎn)生模塊802,第二幾何形狀產(chǎn)生模塊803，第一模擬模塊804和必要 時第二模擬模塊805可以在一個優(yōu)化回路中重復(fù)實施。
圖9示出了第二方法示意圖。在第一步驟901中產(chǎn)生齒廓903的第 九加工余量變化曲線902。接著在第二步驟904中產(chǎn)生第三滾軋刀具906 的第二齒廓卯5。接著之后在第三步驟卯7中模擬滾軋過程。此時模擬 第 一齒廓903在滾軋刀具905的第二齒廓上的滾軋過程和由此產(chǎn)生的致 密。接著在一個變化908中必要時重復(fù)進(jìn)行第一，第二和第三步驟901， 904， 907。
圖10示出了一個滾軋刀具的嚙合式元件的加工余量變化曲線。所 示的是一個沒有示出的滾軋刀具的第五齒1002的第十加工余量變化曲 線1001。在第五齒1002的第七齒面1003和第八齒面1004上設(shè)置不同 的加工余量。在第七齒面1003上設(shè)有通過第一箭頭1005表示的材料添 加量。相反在第八齒面1004上設(shè)有通過第二箭頭1006表示的齒后縮 量。加工余量在該示例中是相對于漸開線嚙合齒的正常的輪廓而言的。 通過兩個齒面1003, 1004的不對稱的構(gòu)造，尤其是考慮了由此要被致 密的嚙合式元件的不對稱的材料負(fù)荷。而且也可以針對工件的最終形狀 借助于該滾軋刀具實現(xiàn)一個齒的兩個齒面的對稱的輪廓，為此優(yōu)選在小 于0.1 !im的范圍中進(jìn)行補償。
圖11示出了在嚙合齒端部上的計算的凹部的示意圖。該凹部用于 使通過表面致密實現(xiàn)的燒結(jié)材料的擠移的增長和由此伴隨的齒在高度 和/或?qū)挾壬系脑鲩L至少減至最小，如果不能夠進(jìn)行補償?shù)脑?。凹部的?狀取決于齒的加工余量和偏差。形狀可以迭代地通過計算方法進(jìn)行優(yōu) 化。進(jìn)行模擬可以估計毛坯的以后的實際性能。
圖12示出了用于表面致密的可以計算的刀具的計算的極端情況的 示意圖。計算的出發(fā)點是嚙合齒的左邊的終端幾何形狀。通過考慮滾動 條件，加工余量參數(shù)和其它影響因素，可以迭代地求出分別在中間和右 邊示出的刀具形狀。
圖13是在迭代計算下的操作方法的示意圖和在模擬下的邏輯電 路。從預(yù)先規(guī)定的工件的最終數(shù)據(jù)和它的嚙合齒出發(fā)，可以使機器運動 學(xué)模型化。此時例如從相互相配置的機器軸出發(fā)。此后通過運動學(xué)和功
次參見圖12。那里示出的示例具有相應(yīng)的缺點，例如在中間的視圖情況 下齒根區(qū)域太弱或在右邊的視圖的情況下齒頂形狀太尖。通過附加的影
要:輪廓的刀具輪廓i行i^代計算。對于用于口制造毛L的刀具，作^出
發(fā)點例如采用用計算的加工余量求得的終端幾何形狀。
圖14示出了與使用的毛坯的各種初始密度相關(guān)的密度變化曲線的 視圖。如果毛坯的密度在其核心和在向外方向的分布中都是變化的，那 么產(chǎn)生涉及表面致密變化曲線的影響。這由圖14的右邊的圖得出。通 過改變各個毛坯同樣可以在表面致密之后強烈影響密度變化曲線。因此
原始核心密度以及毛坯的形狀也是迭代和計算中的重要參數(shù)。
圖15是對測定的誤差的示例性的概括，該誤差在不同的表面致密
化步驟中出現(xiàn)并且同時表征材料特性。該誤差按照DIN3972或DIN3970 的誤差等級給出。在通過滾軋求出適合的表面致密情況下的一個重要點 是滾動的刀具的輪廓變化。通過應(yīng)用上面的用于毛坯和滾軋刀具的計算 方法，可以在求出的結(jié)果的基礎(chǔ)上修改滾軋刀具。這在圖15中針對一 個具有核心密度為7.3g/cr^的毛坯而示出，該毛坯與沒有修改的一組滾 軋刀具嚙合和被表面致密。對應(yīng)于滾軋刀具的一個進(jìn)給運動，齒輪的幾 何形狀產(chǎn)生變化。其目標(biāo)是達(dá)到要求的最終輪廓，如其被預(yù)先規(guī)定的那 樣。圖15的圖中可以看到不同程度的進(jìn)給運動的各種狀態(tài)。范例性地 表示，左邊是輪廓角度誤差，中間是完全輪廓形狀誤差和右邊是形狀誤 差。這些是在各制造的齒輪上測量的。因此例如齒厚減小0.27mm將導(dǎo) 致對應(yīng)于按照DIN的等級7的輪廓角度偏差。為了達(dá)到齒厚減小的必需 的最終形狀，則必需有0.4mm的進(jìn)給。但是這導(dǎo)致對應(yīng)的誤差的增大。 這意味著，完成的最終輪廓位于必需的質(zhì)量等級以外的另一個值上。因 此改變刀具的幾何形狀是必要的。在考慮將得到的值作為輸入值時則可 以確定新的刀具，再次實施測試和這種方式迭代地確定刀具的優(yōu)化的幾 何形狀。通過該計算可以例如以兩次或也可以只 一次迭代就確定刀具的 最終的輪廓。
圖16示出了在一個嚙合齒的齒面上的以HV為單位的硬度變化曲 線，其在x軸上相對于與表面的距離(用mm為單元)標(biāo)出。在各種表 面致密化步驟下可以通過適合的加工余量選擇以及進(jìn)給運動影響硬度 的輪廓變化曲線。例如該輪廓可以至少部分地是凸的或者是凹的。如給 出的，用AVA7- 1表示的毛坯具有比用AVA4-2表示的毛坯更大的加
工余量。兩者具有相反的硬度輪廓變化曲線當(dāng)在第一部分直到達(dá)到 550HV時AVA7- 1具有更趨于凸的形狀，而AVA4 - 2具有更趨于凹的 變化形狀。在超過550HV之后這種情況產(chǎn)生變化。
圖17是在各種表面致密化步驟下在一個嚙合齒的齒根部位上的以 HV為單位的硬度變化曲線。由于與齒面加工余量相比此處的加工余量 較小以及由于幾何形狀的情況得到另 一種硬度變化曲線。硬度開始時較 陡地下降，但是然后以很小的傾斜度過渡到近似于直線的變化。
圖18示出了在最終齒厚的基礎(chǔ)上對于各種密度的各種計算的加工
余量變化曲線的示意圖。在y-軸上標(biāo)注了直徑。在x-軸上給出了加 工余量。D一a或d—a表示齒頂節(jié)圓直徑或齒頂圓直徑，0是例如通過在 節(jié)圓上的一個值的加工余量的規(guī)定值，d一b是齒根圓直徑。A表示基圓 區(qū)域的優(yōu)選值的范圍。B表示一個臨界區(qū)域，因為那里已經(jīng)可能在滾軋
時出現(xiàn)材料失效。
圖19示出了一些可以用于迭代計算的參數(shù)的示意表示。其尤其可 以是最大負(fù)荷點。如左邊的圖所示，在齒面上可以出現(xiàn)點蝕損傷。因此 優(yōu)選使用一種比較應(yīng)力變化曲線，在該曲線中滿足最大應(yīng)力出現(xiàn)在表 面之下，尤其是在負(fù)滑轉(zhuǎn)率的區(qū)域中，因此優(yōu)選在給定的基圓直徑d一wl 之下。右邊的圖表示了由于過高的彎曲載荷產(chǎn)生的斷齒。對于計算模型 由此得出結(jié)論，即最大齒根負(fù)荷的地點被求出和考慮。這可以例如通過 按照DIN標(biāo)準(zhǔn)的30。切線或者通過按照AGMA的劉易斯拋物線(Lewis -Parabel)求得。對于比較應(yīng)力優(yōu)選假定最大應(yīng)力出現(xiàn)在表面上。
圖20示出了另一種可能性的示意視圖，如例如可以有至少兩個毛 坯被同時壓實。除了刀具的運動以外，按照一個實施例也可以在刀具的 方向上進(jìn)行毛坯的運動。此外存在在一個毛坯軸上布置兩個或更多個毛 坯的可能性。
本發(fā)明可以例如應(yīng)用于凸輪軸齒輪，行星齒輪，太陽齒輪，驅(qū)動齒 輪，差動齒輪，變速器齒輪，離合器齒輪，泵齒輪，直齒齒輪，斜齒齒 輪，電動機，內(nèi)燃機，調(diào)速傳動裝置，外或內(nèi)嚙合齒，直齒或斜齒的外 或內(nèi)圓柱齒輪傳動裝置，直齒，斜齒或弧線齒的錐齒輪傳動裝置，交錯 軸斜齒輪傳動裝置或蝸輪蝸桿傳動裝置以及陡螺紋軸和陡螺紋輪轂連 接器。另一個實施例規(guī)定一個齒輪由燒結(jié)金屬的制成。另一個齒輪可以 例如由塑料或另一種材料制成。此外存在可能性，即兩個齒輪中至少之 一具有覆層，其尤其是起著減小噪音的作用。優(yōu)選也可以制造錐齒斜齒 齒輪副，以由此形成準(zhǔn)雙曲面齒輪傳動裝置。該帶有嚙合齒的工件尤其 可以用于汽車技術(shù)，發(fā)動機技術(shù)，傳動裝置技術(shù)，調(diào)節(jié)裝置，力傳遞裝 置，玩具，精密機械裝置，家用裝置尤其是移動家用裝置等等中。
權(quán)利要求
1. 用于制造至少部分地表面致密的金屬的具有致密的燒結(jié)材料的嚙合式元件的方法，其中制造相對于嚙合式元件的最終尺寸具有局部選擇的加工余量(207；308；309；407；501；601；602；603；701)的嚙合式元件的毛坯(106)和借助于至少一個滾軋刀具(101；110)將該毛坯滾軋到最終尺寸，其中至少在嚙合式元件的一個齒的至少一個齒面(705；706)和/或一個齒根(704)的區(qū)域中在一個表面上局部變化地致密該嚙合式元件以產(chǎn)生一個被致密的表層(209)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過不同的加工余量 (207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701)沿著毛坯(106)的一個齒面產(chǎn)生各不同地被致密的表層(209)。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，齒的一個第一齒 面(306)上的加工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701 )選擇得與齒(201; 301; 401 )的一個第二齒面(3(T7 )上的不同。
4. 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在齒的齒面上的加工 余量的差別在相同的高度上依據(jù)強度要求進(jìn)行確定。
5. 按照前述權(quán)利要求中之一所述的方法，其特征在于，在齒根 (704 )中選擇不對稱的加工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601;602; 603; 701 )。
6. 按照前述權(quán)利要求中之一所述的方法，其特征在于，制造凸輪作 為嚙合式元件。
7. 按照前述權(quán)利要求中之一所述的方法，其特征在于，在齒的一個 第一齒面(306 )的表面下面至少10pm處在相同的高度上產(chǎn)生比齒的第 二齒面(307)上高2%直到至少高15%的密度。
8. 按照前述權(quán)利要求中之一所述的方法，其特征在于，最大局部加 工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701)的數(shù)值為 至少20pm，優(yōu)選至少50|um和尤其是最大500^im。
9. 按照前述權(quán)利要求中之一所述的方法，其特征在于，設(shè)置負(fù)的加 工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701)，其局部 地小于最終尺寸。
10. 按照前述權(quán)利要求中之一所述的方法，其特征在于，在齒的第 一齒面(306 )上的局部加工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601;602; 603; 701 )選擇得比在相同的高度上在齒的第二齒面(307 )上的 加工余量大至少10%。
11. 按照前述權(quán)利要求中之一所述的方法，其特征在于，毛坯(106) 和滾軋刀具(101; 110)相互在對方上滾動，直到在由此制造的嚙合式 元件和滾軋刀具(101; 110)之間產(chǎn)生漸開線運動。
12. 按照前述權(quán)利要求中之一所述的方法，其特征在于，借助于在 毛坯(106)和滾軋刀具(101; 110)之間的滾禮運動形成擺線形的嚙 合齒。
13. 按照前述權(quán)利要求中之一所述的方法，其特征在于，該方法包 括一個硬化處理，尤其是熱和/或化學(xué)表面硬化處理。
14. 按照前述權(quán)利要求中之一所述的方法，其特征在于，該方法包 括步驟擠壓，燒結(jié)，表面致密滾軋以及硬化。
15. 用于尤其是按照權(quán)利要求1所述方法的毛坯，其特征在于，一 個齒的第一 (306 )和第二齒面(3(H )具有各相互不同的加工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701)。
16. 按照權(quán)利要求15所述的毛坯，其特征在于，加工余量在第一和 /或第二齒面(306, 307)上是不對稱地布置的。
17. 按照權(quán)利要求15或16所述的毛坯，其特征在于，設(shè)置負(fù)的加 工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701),它局部 地位于最終尺寸之下。
18. 具有金屬的燒結(jié)材料的嚙合式元件，其特征在于，該嚙合式元 件至少在嚙合式元件的齒的至少一個齒面(306; 307)的區(qū)域中具有局 部地變化的致密(209)。
19. 按照權(quán)利要求18所述的嚙合式元件，其特征在于，嚙合式元件 是直齒齒輪。
20. 按照權(quán)利要求18所述的嚙合式元件，其特征在于，嚙合式元件 是斜齒齒輪。
21. 按照前述權(quán)利要求18至20中之一所述的嚙合式元件，其特征 在于，齒的相互相對的齒面(306; 307)具有不對稱的致密(209)。
22. 按照前述權(quán)利要求18至21中之一所述的嚙合式元件，其特征 在于，不對稱的致密(209)位于齒根區(qū)域(704)中。
23. 按照權(quán)利要求18所述的嚙合式元件，其特征在于，嚙合式元件 是凸輪。
24. 按照前述權(quán)利要求18至23中之一所述的嚙合式元件，其特征 在于，選擇鐵材料作為燒結(jié)材料的主要成分和從碳，鉬，鎳，銅，錳， 鉻和釩的組中各選擇至少 一種合金成分。
25. 按照前述權(quán)利要求18至23中之一所述的嚙合式元件，其特征在于，燒結(jié)材料的主要成分是鋁或鎂。
26. 按照前述權(quán)利要求18至25中之一所述的嚙合式元件，其特征 在于，它與另一個功能部件，尤其是一個軸或另一個齒輪， 一起燒結(jié)。
27. 按照前述權(quán)利要求18至26中之一所述的嚙合式元件，其特征在于，它是一個泵的組成部件。
28. 用于制造至少部分地表面硬化的嚙合式元件以實施按照權(quán)利要 求1至14中之一所迷的方法的裝置，其具有與不同的加工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701 )適配的刀具控制機構(gòu)。
29. 用至少在一個表面區(qū)域中由燒結(jié)材料構(gòu)成的毛坯(106 )制造至 少部分地表面硬化的嚙合式元件的裝置，其中該裝置包括刀具，該刀具 具有對借助于滾軋運動進(jìn)行致密的毛坯(106)的齒的第一齒面(306) 和第二齒面(307)上的不同加工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701 )的補償。
30. 用于設(shè)計加工余量的方法，以在滾軋過程中實現(xiàn)燒結(jié)金屬的嚙 合式元件的表面致密，其中加工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701 )迭代地求得。
31. 按照權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于， 一個滾軋刀具 (101; 110)的幾何形狀在考慮加工余量(207; 308; 309; 407; 502;601; 602; 603; 701 )下迭代地求得。
32. 按照權(quán)利要求30或31所述的用于設(shè)計加工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701)的方法，以在滾軋過程中實現(xiàn) 金屬的嚙合式元件的表面致密，其中在第一步驟中 一個嚙合式元件的毛 坯(106)的至少在齒的一個齒面(306; 307)的區(qū)域中局部地變化的、 至少可以逐點地限定的加工余量(207; 308; 309; 407; 502; 601; 602; 603; 701 )根據(jù)至少一個設(shè)計的預(yù)先規(guī)定自動地產(chǎn)生，在第二步驟中滾 禮刀具(101;0)的幾何形狀自動地產(chǎn)生，在第三步驟中對滾軋加工 和嚙合式元件的至少一個表層(209)的此時產(chǎn)生的局部的致密變化曲線進(jìn)行模擬和在第四步驟中將產(chǎn)生的致密變化曲線的自動的評價與預(yù) 先規(guī)定進(jìn)行比較以及必要時該方法自第 一 步驟起在應(yīng)用至少 一種變化 下為了優(yōu)化而重復(fù)地進(jìn)行，直到滿足一個中斷標(biāo)準(zhǔn)為止。
33. 按照權(quán)利要求30至32中之一所述的方法，其特征在于，設(shè)計 的預(yù)先規(guī)定從材料密度、幾何形狀、扭矩和壓力分布的組中選擇。
34. 按照權(quán)利要求30至33中之一所述的方法，其特征在于，材料 應(yīng)力至少在致密的區(qū)域中進(jìn)行模擬和尤其是用于評價。
35. 按照權(quán)利要求30至34中之一所述的方法，其特征在于，使用存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)用于變化。
36. 按照權(quán)利要求30至35中之一所述的方法，其特征在于，通過一個預(yù)先規(guī)定替換至少其中 一個步驟。
37. 計算機程序產(chǎn)品，其具有儲存在計算機可讀的介質(zhì)上的程序編 碼機構(gòu)，以便當(dāng)該程序?qū)嵤┑接嬎銠C中時實施如權(quán)利要求30至36中至 少之一所述的方法。
全文摘要
用于制造至少部分被表面致密的金屬的嚙合式元件的方法，該嚙合式元件包括被致密的燒結(jié)材料，以便改善強度變化曲線，其中制造出嚙合式元件的毛坯，該毛坯相對于嚙合式元件的最終尺寸具有局部選擇的加工余量(701)并且借助于至少一個滾軋刀具被滾軋到最終尺寸，其中至少在嚙合式元件的一個齒的至少一個齒面(705；706)和/或齒根(704)的區(qū)域中局部變化地對嚙合式元件進(jìn)行致密加工以產(chǎn)生致密的表層。
文檔編號B22F5/08GK101389429SQ200680020646
公開日2009年3月18日 申請日期2006年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月10日
發(fā)明者G·科特霍夫 申請人:Gkn金屬燒結(jié)控股有限責(zé)任公司