DE102009009019B3

DE102009009019B3 - Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers mit geringer Wandstärke, insbesondere eine Hohlwelle

Info

Publication number: DE102009009019B3
Application number: DE102009009019A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beetz; Karsten Schulz
Original assignee: PNP automotive GmbH
Current assignee: PNP automotive GmbH
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: WO2010092173A1

Abstract

Um ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers zu vereinfachen und gleichzeitig die Formfehler, die Maßhaltigkeit und die Qualität der Funktionsflächen zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die zylindrische Innenfläche des Rohlings auf ein, ein Materialausdehnungsmaß berücksichtigendes Bearbeitungsmaß vorgefertigt und die zylindrische Außenfläche des Rohlings ebenfalls auf ein, ein Materialausdehnungsmaß berücksichtigendes Bearbeitungsmaß zerspant werden und der so vorbearbeitete Hohlkörper abschließend durch ein Diffusionsverfahren gehärtet wird, wobei jedes Bearbeitungsmaß so gewählt wird, dass sich das Fertigmaß des Hohlkörpers durch die eintretende Materialausdehnung während des Diffusionsverfahrens einstellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für einen zylindrischen Hohlkörper mit geringer Wandstärke, der zu einem Rohling vorgefertigt, zerspant und gehärtet wird.
Derartige Verfahren zur Herstellung der unterschiedlichsten Hohlkörper werden in allen Bereichen des Maschinenbaus angewendet.
Ein Hohlkörper ist beispielsweise die zylindrische Hohlwelle einer elektromechanischen Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeuges, die einerseits als Rotorwelle des Elektromotors dient und die andererseits die Lenkwelle der mechanischen Lenkeinheit aufnimmt. Diese Hohlwelle besitzt beispielsweise eine Länge von 150 mm, einen Außendurchmesser von etwa 36 mm und einen Innendurchmesser von etwa 32 mm. Daraus ergibt sich eine Wandstärke von etwa 2 mm. Einerseits ihrer Länge ist die Hohlwelle zu einem Bund aufgeweitet. Der Innendurchmesser der Hohlwelle muss eine hohe Forderung von 0,1 mm in seiner Form erfüllen, während der Außendurchmesser der Hohlwelle nur 0,012 mm oder besser in der Form abweichen darf und die äußere Zylinderfläche obendrein eine sehr hohe Oberflächenqualität von bis zu Rz 6,3 in der Toleranzgruppe IT 6 bzw. IT 7 aufweisen muss.
Die Herstellung dieser Hohlwelle in der herkömmlichen Weise geht von einem Werkstück aus, das von einem entsprechenden Stangenmaterial auf die erforderliche Länge geschnitten ist oder das auf dem Wege der Umformung geschaffen wurde. In beiden Fällen wird das Ausgangswerkstück mit entsprechendem Aufmaß gefertigt, um eine nachfolgende zerspanerische Bearbeitung zu ermöglichen. Das Ausgangswerkstück wird dann im Innen- und Außendurchmesser grob bearbeit, wobei wieder ein Bearbeitungsaufmaß für eine abschließende Feinbearbeitung wie zum Beispiel dem Schleifen berücksichtigt wird. Nach der Grobbearbeitung wird das Werkstück gehärtet und abschließend zunächst der Innendurchmesser und dann der Außendurchmesser auf das Fertigmaß geschliffen.
Mit dieser Bearbeitungsfolge werden die geforderten Genauigkeiten in der Form, in der Güte und im Maß realisiert. Dieses Herstellungsverfahren ist aber auf Grund der langen Bearbeitungszeiten und der vielen Umrüstzeiten sehr aufwendig und damit teuer, wobei die Kosten durch den hohen Verschleiß der Schleifwerkzeuge noch erheblich gesteigert werden. Das disqualifiziert dieses Verfahren für die Herstellung der in Rede stehenden Hohlkörper aus Kostengründen.
Allgemein bekannt ist auch ein Herstellungsverfahren, bei dem ein aus einem Stangenmaterial abgetrenntes oder aus einem Uniformteil bestehendes Ausgangswerkstück auf ein Fertigmaß zerspant und anschließend durch ein Nitrierverfahren gehärtet wird. Dieses Verfahren ist für eine Vielzahl von Werkstücken anwendbar und dabei relativ einfach und in seinen Kosten sehr sparend. Das Verfahren ist aber immer dann ungeeignet, wenn es sich um dünnwandige Werkstücke mit erhöhten Anforderungen an den Formfehler, an die Maßgenauigkeit und die Qualität der Oberflächen handelt, weil die Dünnwandigkeit bei der Werkstückspannung zu Formfehlern führt oder bereits vorhandene Formfehler verstärkt und weil die geforderte Maßgenauigkeit und die geforderte Qualität der Oberfläche durch das herkömmliche Spanverfahren nicht erreicht werden können.
Aus AT 316 221 B ist ein Pumpenelement für Brennstoffeinspritzpumpen und Verfahren zur Herstellung desselben bekannt. Hierbei ist bekannt, daß Pumpenelement aus Stahl herzustellen, wobei dieses aus nitrierbaren Gußstahl besteht und vor dem Nitrieren die dem Pumpenkolben aufnehmende Bohrung geschliffen wird.
DE 647 763 A offenbart ein Verfahren zum Härten von Gegenständen aus berylliumfreien Stahllegierungen, wobei aus einer durch Nitrieren an der Oberfläche und durch Ausscheidungshärtung bei Nitriertemperatur in kernhärtungsfähigen Stahllegierunng hergestellte Gegenstände von hoher Temperatur in Wasser, Öl oder Luft abgekühlt, darauf bearbeitet und anschließend dem Nitrier- und Ausscheidungshärtungsprozess unterworfen werden.
EP 0 070 409 B1 zeigt ferner ein Verfahren und Einrichtung zum Induktionshärten länglicher dünnwandiger Werkstücke, die eine Bohrung mit in Axialrichtung zumindest auf Teilbereichen gleichmäßiger Querschnittsformen aufweisen, wobei zum Härten der Innenfläche der Bohrung mit einer vorbestimmten Einhärtetiefe und auf mindestens einen Teilbereich der Innenfläche eine der Querschnittsform der Bohrung angepasste Induktorvorrichtung und Erhitzen der Innenfläche axial durch die Bohrung hindurch geführt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, das gattungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers zu vereinfachen und gleichzeitig die Formfehler, die Maßhaltigkeit und die Qualität der Funktionsflächen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die zylindrische Innenfläche des Rohlings auf ein, ein Materialausdehnungsmaß berücksichtigendes Bearbeitungsmaß spanend bearbeitet wird und die zylindrische Außenfläche des Rohlings ebenfalls auf ein, ein Materialausdehnungsmaß berücksichtigendes Bearbeitungsmaß zerspant wird und der so vorbearbeitete Hohlkörper abschließend durch ein Diffusionsverfahren gehärtet wird, wobei jedes Bearbeitungsmaß so gewählt wird, dass sich das Fertigmaß des Hohlkörpers durch die ein-tretende Materialausdehnung während des Diffusionsverfahren einstellt.
Das neue Verfahren beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik. So liegt der besondere Vorteil darin, dass einerseitig erhebliche Fertigungskosten eingespart und andererseits eine sehr hohe Formgenauigkeit und eine sehr hohe Oberflächengüte erreicht wird, so wie es sonst nur mit den aufwendigen Verfahren des Standes der Technik erreicht wird. Dadurch wird es möglich, auch sehr dünnwandige Hohlkörper in dieser Qualität zu fertigen. Das erweitert das Anwendungsgebiet des neuen Herstellungsverfahrens.
Das ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass eine genaueste Innenbearbeitung erfolgt, eine spannungsfreie Werkstückaufnahme vorgenommen wird und ein schlichtendes Zerspanungsverfahren eingesetzt wird.
Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 12.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Dazu zeigen:
1: eine zylindrische Hohlwelle in der Draufsicht und
2: die zylindrische Hohlwelle in der Seitenansicht.
Die Hohlwelle nach den beiden 1 und 2 besteht aus einem zylindrischen Teil 1 und einem im Innendurchmesser und einem aufgeweiteten Bund 2 mit einem Durchmesserverhältnis von 47 mm zu 40 mm. Der zylindrische Teil 1 besitzt beispielsweise eine Länge von 146 mm, einen Außendurchmesser von etwa 36 mm und einen Innendurchmesser von etwa 32 mm, woraus sich eine Wandstärke von etwa 2 mm ergibt. An dem zylindrischen Teil 1 bestehen hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit. So darf der Innendurchmesser des zylindrischen Teils 1 nur eine Formabweichung von 0,1 mm aufweisen, während der Außendurchmesser des zylindrischen Teils 1 nur 0,012 mm in der Form abweichen darf. Für die äußere Zylinderfläche des zylindrischen Teils 1 werden obendrein eine sehr hohe Oberflächenqualität von höchstens Rz 6,3 in der Toleranzgruppe IT 6 bzw. IT 7 gefordert. Die Herstellung dieser Hohlwelle geht von einem Rohling aus, der aus einem Stangenmaterial mit einem Nenndurchmesser von etwa 36 mm plus einem Materialausdehnungsmaß auf die erforderliche Länge von etwa 175 mm geschnitten wurde und der an einem Ende auf dem Wege der Umformung zu dem Bund 2 mit seinem Außendurchmesser von 47 mm aufgeweitet wird.
Die Herstellung dieser Hohlwelle kann aber auch von einem Rohling ausgehen, der aus einem Stangenmaterial mit einem Nenndurchmesser von etwa 47 mm auf die erforderliche Länge von etwa 175 mm geschnitten wird und dessen zylindrischer Teil 1 in seinem Außendurchmesser auf etwa 36 plus einen Materialausdehnungsmaß abgearbeitet wird.
Die Herstellung dieser Hohlwelle kann aber alternativ auch von einem Rohling ausgehen, der auf dem Wege der Umformung geschaffen wurde. Dabei wird gewährleistet, dass der Innendurchmesser des zylindrischen Teils 1 das Nennmaß in der geforderten Maßgenauigkeit und der geforderten Formabweichung erhält. Zur Erreichung des zulässigen geringen Formfehlers werden alle herkömmlichen Möglichkeiten zur Erreichung einer Spannungsfreiheit oder einer Spannungsarmut des Materials angewendet, wie es beispielsweise eine stufenweise Umformung bietet. Hilfsweise kann der umgeformte Rohling im Innendurchmesser seines zylindrischen Teils 1 auch kalibriert werden.
Zur Gewährleistung der erforderlichen Formgenauigkeit ist es weiterhin alternativ und hilfsweise möglich, die umgeformte Hohlwelle im Innendurchmesser zu räumen.
Nach dieser Vorfertigung wird die Außenfläche des zylindrischen Teils 1 durch ein geeignetes Verfahren zerspant, wofür in erster Linie das Drehen in Frage kommt. Dazu wird der zylindrische Teil 1 in besonderer Weise mit seinem Innendurchmesser auf einen Spanndorn aufgenommen, der mindestens zwei radiale Spannebenen 3 aufweist. Diese Spannebenen 3 sind in ihrer Anzahl und in ihren Abstanden zueinander so gewählt, dass die innen eingeleiteten Spannkräfte keine störende Durchbiegung des zylindrischen Teils 1 bewirken. Der Spanndorn ist obendrein so gestaltet, dass er in jeder Spannebene 3 mehrere Spannpunkte 4 aufweist, die die Spannkräfte des Spanndorns nur punktweise auf den zylindrischen Teil 1 der Hohlwelle übertragen. In idealer Weise sind die Spannpunkte 4 gleichmäßig am Umfang der Innenfläche des zylindrischen Teils 1 verteilt angeordnet. Die innere Hufspannung in dieser Art ermöglicht eine Aufnahme der Hohlwelle, die eine Verformung des zylindrischen Teils 1 durch den Spanndorn ausschließt.
In dieser Hufspannung wird die zylindrische Außenfläche des zylindrischen Teils 1 bearbeitet. Zur Gewährleistung der geringen Oberflächenrauhigkeit von Rz 6,3 und der engen Toleranzgruppe IT 6 bzw. IT 7 wird ein besonderes Drehverfahren oder ein besonderes Drehwerkzeug ausgewählt. So ist beispielsweise das Rotationsdrehverfahren geeignet, wie es aus der deutschen Patentschrift DE 10 2004 026 675 B3 bekannt geworden ist. Dieses Rotationsdrehverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmeißel die Form eines Walzenfräsers besitzt und in eine kreisbogenförmige und entgegen der Drehrichtung des Werkstückes gerichtete Bewegung versetzt wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine sehr glatte Oberfläche mit sehr geringen Rautiefen, wie sie sonst nur mit dem Schleifen erreichbar sind.
In geeigneter Weise ist auch ein Drehmeißel einsetzbar, der mit einer Wipergeometrie ausgestattet ist. Diese Wipergeometrie bildet in der Schneidspitze des Drehmeißels nicht nur einen, sondern mehrere nebeneinander liegende Radien aus. Die Firma WNT-Deutschland GmbH in Kempten bezeichnet in ihrem Werkzeugkatalog Total Tooling 2006 eine in dieser Art ausgebildete Drehmeißelschneide als eine Masterfinish-Schlichtschneide TFQ. Diese Drehmeißel erbringen Rautiefen von bis zu 0,2 μm, die sonst auch nur durch ein Schleifverfahren erzielt werden.
Mit jedem dieser Drehverfahren wird die Hohlwelle in ihrem Außendurchmesser auf ein Maß gefertigt, dass dem Fertigmaß unter Berücksichtigung eines Materialausdehnungsmaßes entspricht. Dabei handelt es sich bei dem Materialausdehnungsmaß um das Maß der Materialausdehnung, die während einer nachfolgenden Wärmebehandlung eintritt.
Diese Wärmebehandlung betrifft ein geeignetes Diffusionsverfahren, mit dem die vorgefertigte Hohlwelle ihre Oberflächenhärte erhält. Dabei handelt es sich in der Regel um ein Nitrierverfahren, das im Gas, mit Plasma oder im Salzbad erfolgt, wobei in vorteilhafter Weise das Plasmanitrieren oder das Nitrocarburieren angewendet wird. Alternativ kann die vorgefertigte Hohlwelle auch boriert werden. Bei diesen Verfahren werden Stickstoff, Stickstoff und Sauerstoff oder auch Bor bei einer vergleichsweise geringen Temperatur von 500 bis 600°C in die Randschichten des Metalls eindiffundiert. Dabei kommt es zu einer Ausdehnung des Hohlwellenmaterials, die vorher kalkuliert werden kann und deshalb bei dem vorhergehenden Zerspanungsverfahren berücksichtigt werden muss. Das Nitrier- bzw. Borierverfahren erzeugt eine große Härte an der Oberfläche. Der besondere Vorteil dieser Verfahren liegt aber darin, dass die Hohlwelle während der Behandlung wegen der vergleichsweise geringen Bearbeitungstemperatur nur einen sehr geringen Verzug erfährt. Dieser geringe Verzug und die kalkulierbare und gleichmäßige Materialausdehnung während der verfahrensbedingten Diffusion garantieren eine hohe Maßhaltigkeit der Hohlwelle, sodass die Hohlwelle nach dem Nitrieren oder Borieren nicht mehr endbearbeitet werden muss.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Hohlkörpers mit geringer Wandstärke, insbesondere eine Hohlwelle, der zu einem Rohling vorgefertigt, zum Fertigteil zerspant und gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Innenfläche des Rohlings auf ein, ein Materialausdehnungsmaß berücksichtigendes Bearbeitungsmaß spanend bearbeitet wird und die zylindrische Außenfläche des Rohlings ebenfalls auf ein, ein Materialausdehnungsmaß berücksichtigendes Bearbeitungsmaß zerspant wird und der so vorbearbeitete Hohlkörper abschließend durch ein Diffusionsverfahren gehärtet wird, wobei jedes Bearbeitungsmaß so gewählt wird, dass sich das Fertigmaß des Hohlkörpers durch die eintretende Materialausdehnung während des Diffusionsverfahren einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling in der Vorfertigung zur Minimierung des Formfehlers zumindest spannungsarm umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung stufenweise erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Innenfläche des Rohlings mit einem Höchstmaß an Formgenauigkeit bearbeitet wird, in dem der Innendurchmesser während oder nach der Umformung kalibriert oder geräumt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Innenfläche des Rohlings als Spannfläche für eine zumindest verzugsarme Werkstückspannung ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückspannung in mindestens zwei Spannebenen (3) und mehreren Spannpunkten (4) jeder Spannungsebene (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannebenen (3) in ihrer Anzahl und in ihren Abständen zueinander so gewählt sind, dass die innen eingeleiteten Spannkräfte keine störende Durchbiegung bewirken.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Spannebene (3) mehrere Spannpunkte (4) vorhanden sind, die die Spannkräfte des Spanndorns punktweise auf die zylindrische Innenfläche des Hohlkörpers übertragen, wobei die Spannpunkte (4) gleichmäßig am Umfang der zylindrischen Innenfläche verteilt angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerspanung der zylindrischen Außenfläche auf das Bearbeitungsmaß durch ein schlichtendes Drehverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das schlichtende Drehverfahren ein Rotationsdrehverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das schlichtende Drehverfahren mit einem Drehmeißel mit einer Wipergeometrie durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das härtende Diffusionsverfahren ein Plasmanitrieren oder ein Nitrocarbunieren ist.