嚙合齒的毛坯幾何形狀的制作方法

專利名稱：嚙合齒的毛坯幾何形狀的制作方法
嚙合齒的毛坯幾何形狀
本發明涉及一種用于制造由燒結材料制成的嚙合齒的毛坯。 燒結的嚙合式元件如例如以粉末冶金方式制造的齒輪在許多領域 中使用。但是，與傳統的全材料相比，對在許多技術應用領域上受到粉 末、其特性和其性能限制的燒結部件制定合適的加工具有一些問題。 本發明的任務是，實現由燒結材料制成的嚙合齒的制造的改進。 該任務通過一種具有權利要求1的特征的毛坯，通過一種用于制造 由燒結材料制成的嚙合齒的具有權利要求11的特征的方法，通過一種
具有權利要求14的特征的計算機程序產品和一種具有權利要求15的特 征的機器解決。有利的實施例和擴展方案在各個從屬權利要求中給出。 在說明書中各給出的特征可以 一般地以及特定地與其它特征一起結合 成擴展方案。尤其是所給出的具有它們各自的特征的示例不是限制性的 設計。這里給出的特征而是也可以與其它示例中的或者一般說明中的其 它特;f正相結合。
按照本發明的另 一 個構思，該構思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結合地使用，按照本發明的另一個構思，其可以與本公開中的 其它特征相獨立地和相結合地使用，利用了 一種用于制造由燒結材料制 成的嚙合齒的毛坯，其中該毛坯具有負的加工余量。優選該負的加工余 量至少布置在嚙合齒的齒的一個齒面上。負的加工余量尤其是可以不對 稱地沿著齒面分布。
一個擴展方案規定，在齒的每個齒面上設置負的加工余量。例如一 個齒在相同的高度上具有在一個第一齒面上的第一負加工余量和在一 個第二齒面上的第二負加工余量，其中第一和第二齒面相互不對稱地分 布。
負的加工余量優選設置在齒的齒頂區域和齒的齒面上的加工余量 之間。附加地或備選地，負的加工余量可以布置在齒才艮的角部區域中。 此外存在可能性，即一個齒的齒面的齒面導程是不同的。
除了外嚙合齒或其它的嚙合齒類型以外，也對內嚙合齒這樣的嚙合 齒實施表面致密。由毛坯最后產生被表面致密的齒輪。
一個擴展方案規定一種用于制造由燒結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的加工余量，其在 嚙合齒進行表面致密時至少部分地通過燒結材料的擠移而被填充。優選 地，與負加工余量相鄰的加工余量材料被擠入負的加工余量中。毛坯可 以被表面致密加工到要求的最終形狀，其中可選擇地進行硬化和/或表面 ;晴加工。這可以事先進行或者在表面致密加工之后進行。作為精加工可 以考慮對磨以及磨削。
優選通過迭代計算實現負加工余量的形狀，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計的，即負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行計算和/或實施的機器，其中可以輸入 計算的運動學，借助于它通過表面致密，嚙合齒的齒面上的負的加工余 量可以整平到追求的最終輪廓。
在用于制造至少部分地被表面硬化的金屬嚙合式元件的方法的一 個擴展方案中，該嚙合式元件具有被致密的燒結材料，制造具有局部選 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/ 或一個齒根的區域中在一個表面上局部變化地致密該嚙合式元件以產 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-轉子，齒環，鏈齒 輪或類似物。被致密的燒結材料尤其采用粉末冶金方法制造。例如金屬 粉末在壓力下結合熱處理進行燒結。此外例如金屬粉末與塑料結合地注 塑以及尤其是在壓力下優選結合熱處理進行燒結。為了燒結工件的成形 尤其使用燒結模具，該模具具有要制造的嚙合式元件的至少大致的最終 尺寸。作為毛坯優選使用直接從燒結加工中產生的工件。但是在另一種 變型中，也可以附加地連接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，其中該差值優選逐點地垂直 于表面進行限定。
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^上滾動,優選:，尤其是同時使用兩個或更多個這種滾軋: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。通過兩個滾軋刀具
造方法例如來自Takeya等的"燒結齒輪的表面滾軋"，SAE1982世界 大會，技術論文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， 燒結材料，刀具，致密的過程和用于燒結的嚙合齒的裝置，它們同樣可 以與本發明適應性地利用。相應于本公開的范圍參見上面的文獻。
例如也可以使用第一滾軋刀具在第一壓力下基本上進行粗輪廓滾 軋和接著使用第二滾軋刀具在第二壓力下實現按照目標要調節的表面 致密。
局部選擇的加工余量尤其是這樣地設定，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。優選在被致密的表層內達到全密度，其 中全密度優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 燒結材料制成的毛坯在核心處具有的密度為至少6.8g/cm3,優選至少 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,優選至少7.8g/cm3,其對應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與負荷相適應的強度變化曲線。此 外通過局部可變化的和與負荷相適應的密度變化曲線優選提供一種可 以承受高負荷的燒結的嚙合齒。與較小負荷的直接相鄰的區域相比，密 度變化曲線可以尤其是在承受較高負荷的區域中具有在較大的區域上 的較大的密度級。借助于優化的加工余量的確定，這樣制造的嚙合齒也 可以在4艮少的幾個加工步驟中經濟地制造。
按照 一個實施例通過不同的加工余量沿著毛坯的齒面和/或齒根一 同產生各不同地被致密的表層。例如規定，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地減小到零。尤 其是為了避免點蝕例如規定，在基圓以下的20%和30%之間，尤其是在 23%和25%之間的區域中調節燒結材料中的特別高的致密。但是也可以 規定其它的變化曲線。尤其是在設計致密變化曲線時在嚙合式元件的按 照使用的應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
下面的比較應力變化曲線。這種方法也可以在其它嚙合齒中應用。
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，依據某個轉動方向， 沿著轉動方向而不是逆著轉動方向在齒面上出現其它的力。此外可以補 償由于滾軋刀具的轉動方向引起的不同的致密。優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生相同的致密變化曲 線。
例如為了避免在齒根或齒底區域中的應力裂紋，也考慮在該區域中 設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的變化分別在兩個齒之間提供表層的 深度的優選連續的變化。
優選地，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，而且優選針對于兩個相互相對的齒面進行設置。 附加地，在齒根中設置不同的加工余量，其優選是不對稱的。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。此時應該理解 的是，在一個區域中設置的燒結材料少于相對于在一個加工步驟之后的 最終輪廓必須設置的燒結材料。求得的尺寸不足例如保證了在擠移燒結 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材料要填充的區域。
此外存在可能性，即在嚙合齒的齒上設置不同的嚙合角。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%。
在一個實施例中規定，在齒的第一齒面的表面下面至少20pm處產 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。優選在齒的第一齒面上實現的密度至少大約對應于為粉末鍛造的嚙 合式元件所實現的密度，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/cn^和7.7g/cn^之間的范圍中進行調節，而在第二齒面 的相應的區域中密度在7.5g/cn^和7.82g/cm3之間進行調節。尤其是由 此又考慮了兩個齒面的例如與轉動方向相關的不同的負荷。優選此時實 現符合要求的彈性和硬度變化曲線。進一步優選地，由此減小例如在變 速器中的噪音的增長。
此外規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，由于在致密加工時依據轉動方向施加不同的壓力而在第一齒 面和第二齒面上實現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不同的致密變化曲線。此時尤其是可以按照目標 調節不同的最大密度，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值為至少15pm，優選至少 100pm和特別優選至少400pm。當毛坯的密度在7.2g/cm3和7.5g/cm3之 間的范圍中時，優選最大加工余量設置在20pm和15(Vm之間。當毛坯 密度在6.7g/cm3和7.2g/cm3之間時，優選使用在50pm和500|im之間的 最大加工余量。加工余量此時也可以在局部上是負的，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生的材料流動來實 現。尤其是可以設置至少在局部上負的加工余量，其局部地低于最終尺 寸。負的加工余量為優選最大100pm。按照一個實施例，最大負的加工 余量小于50pm和尤其是小于20^im。尤其是最大負的加工余量在lOOpm 和20i!m之間的范圍中。
優選地實現一種致密，其至少在嚙合齒的齒面的 一個區域中到達在 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。相應地，為此尤其是對滾軋壓 力進行調節或適配。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4于純粹的行程控制和在制 造的另 一個階段上進行純粹的力控制。它們也可以多次交替地進行。
在另 一個實施例中規定，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節裝置，例如用于調節閥門或類似物。優選 通過表層的局部變化的致密在凸輪的齒面上提供改進的具有磨損性較 小的強度變化曲線。
表面硬化的進一步的改善尤其是可以這樣地實現，即用于制造至少 部分地被表面致密的金屬嚙合式元件的方法包括熱的和/或化學的表面 石更化處理。
在 一 個第 一 變型中，作為熱的和/或化學的硬化處理例如使用滲物式 表面硬化。優選地，此時除了提高硬度以外還實現了應力的減小。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合熱處理同樣實現應力的減小。 通過調節存在的壓力同樣可以影響硬化。例如可以調節真空度，尤其是 在進行滲物式表面硬化時。也還存在感應硬化的可能性。
4妄照 一個實施例只是部分地實施硬化，例如只是在嚙合齒的區域中 進行。
在 一個優選的變型中規定，用于制造至少部分地表面硬化的具有被 致密的燒結材料的金屬的嚙合式元件的方法包括步驟"冷態或熱態擠 壓，燒結，整體和表面致密滾軋以及滲物式表面硬化"。例如首先在一 個模具中進行金屬粉末的冷態擠壓，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 有壓力作用下進行燒結加工。優選之后接著借助于滾子進行整體和表面 致密。如已經在前面提及的，優選同時借助于至少兩個滾軋刀具進行實 體和表面致密滾軋。接著可以最后進行硬化，尤其是滲物式表面硬化， 其可以使表面得到進一步的硬化。
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到的密度值實 施。可以使用的燒結材料可如下地一般在本發明的范圍內利用，其中例
如給出的可以使用的材料有
-混合的4分末(admixed powders ):例如鐵升分末與其它優選基本元
素粉末混合。例如
A腦rsteel 1000+1.5 - 3.5重量％01+0.6 - 1.1重量％石墨+0.5 — 1.2
重量％潤滑劑；
A腳rsteel 1000B+1.5 - 2.2重量。/oNi+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合金的粉 末結合。例吵口 Distaloy AB, Distaloy 4600A， Distaloy AE， Distaloy 4800A;
—預合金的斗分末(pre — alloyed powders ):兩個或更多元素構成的 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；
Distaloy AE+1.5 - 2.5重量。/oNi+0.4 — 0.8重量％石墨+0.55 — 0.95潤
滑劑；
Ancorsteel 85HP+1.1-1.6重量。/oFeMn+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的深度范圍上產生。
毛坯的原始材料是燒結金屬粉末，尤其是預合金的材料、部分合金 的材料或混合合金。
用預合金的材料進行冷壓，在IIO(TC和115(TC之間的溫度范圍中 燒結，表面致密加工，表面硬化和接著的磨削，以實現帶有嚙合齒的工 件的最終形狀。
用部分合金的金屬的燒結材料進行在5crc和8crc之間的范圍的擠
壓溫度下的熱壓，優選在1250。C和1280。C之間的范圍中的高溫燒結， 表面致密加工，接著的真空表面硬化和珩磨，以實現帶有嚙合齒的工件 的最終形狀。
用具有混合合金的燒結材料進行熱壓，其中粉末和刀具優選是加熱 的。優選地它們在12(TC和150。C之間的范圍中被加熱。接著進行燒結
步驟，例如高溫燒結，表面致密加工和4妄著感應石更度。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^f艮的區域 中被表面致密。工件的核心密度位于5.7g/cm3和7.7g/cm3之間。在區域 的表面密度為大于7.8g/cm3,其中優選在該區域中所有在該表面上留下 的孔隙都被封閉。但是直到1.5mm的深度范圍上產生最大密度也是可能 的。
制造方法可以如下地進行選擇粉末材料，冷壓粉末材料，優選以 約112(TC的溫度燒結，接著優選在約100(TC的溫度下鍛造，可能時去 除氧化層，尤其是通過滾軋進行表面致密加工，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 或部分地在生產線上實施。
另一個實施例規定，在表面硬化時實施真空滲物式表面硬化，接著 進行對嚙合齒的部分區域的珩磨步驟。
3. 尤其是為了制造轉子和油泵齒輪，由含鋁材料制成的毛坯在齒面 和/或齒根的區域中被表面致密。在表面致密加工時尤其是實現嚙合齒的 最終形狀。工件的核心密度為優選在2.6g/cn^和2.8g/ciT^之間。
例如燒結材料在例如4(TC和65。C之間的溫度下熱壓，接著例如在 大于40(TC的溫度下，尤其是在42(TC和44(TC之間的溫度范圍內去蠟， 然后，例如在大于55(TC的溫度范圍，尤其是在60(TC和63(TC之間的溫 度范圍內燒結，然后均質化和冷卻到例如在48(TC和535。C之間的溫度， 其中接著尤其是通過滾子進行表面致密加工。接著可以例如在U(TC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行完全 硬化。
4. 毛坯優選沿著齒面和齒根被致密，其中尤其是使用兩個滾軋刀 具，毛坯可以轉動地布置它們的中間。依據不同的材料，工件的核心密 度優選在7.2g/crr^和7.5g/cn^之間，表面密度取決于材料地至少分部段 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，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，進行表面致密，實 施石更化和必要時部分地磨削該表面。另一個實施例規定，尤其是在5(TC和9(TC之間的溫度范圍中對部 分合金的燒結材料熱壓，尤其是在1240。C和1290。C之間的溫度范圍中 實施高溫燒結，進行表面致密，進行真空滲物式表面硬化和必要時接著 進行珩磨。
另一個實施例規定，對混合合金進行高溫熱壓，其中粉末和擠壓刀 具優選在120。C和160。C之間的溫度范圍中被加熱。在燒結步驟之后進 行表面致密，接著進行硬化，優選感應硬化。
5. 此外存在可能性，即接著在預燒結之后進行表面致密加工和然后 又設置再燒結作為在帶有嚙合齒的工件的制造中的方法步驟。預燒結可 以例如在650。C至95(TC之間的溫度范圍中進行。再燒結可以例如在對 于該材料通常采用的燒結溫度中進行，例如在105(TC和1180。C之間。 還存在高溫燒結的可能性，例如在125(TC和128(TC之間的范圍中。之 后可以接著有選擇地進行硬化和/或再加工，例如珩磨或也可以磨削。
前述的擠壓可以冷態，中溫或高溫地進行，其中在高溫狀態下優選 擠壓刀具和粉末是被加熱的。例如加熱擠壓在12(TC和160。C之間的溫 度范圍內進4亍。
6. —個擴展方案規定，在再燒結步驟之后進行燒結硬化。可選擇地 可以接著進行磨削或珩磨。
7. 另一個制造方法規定，在高于15(TC尤其是高于50(TC的溫度下 對毛坯進行致密加工。例如毛坯可以直接從燒結爐引導到機器中進行表 面致密。此時毛坯可以具有例如高于60(TC,尤其是也高于80CTC的溫 度。優選地，該用于表面致密的一個或多個刀具被加熱到例如約150°C 的溫度。按照另一個實施例，用于表面致密的刀具優選通過在刀具內部 分布的冷卻才幾構^令卻。
8. 另一個制造方法,見定，在毛坯被至少部分地加熱時進4亍表面致 密。尤其是加熱到可以簡化表面致密加工的溫度。優選地為此使用感應 加熱。接著進行快速冷卻，以便形成馬氏體結構。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。
本發明的另一個方案規定，可以用及其不同的方法實施表面致密。 一個實施例尤其規定，在一個第一區域中的表面致密用不同于在一個第 二區域中的方法進行實施。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的物體，借助于齒形構造
的工具，尤其是滾軋刀具和類似物進行的致密。這些方法也適用于分別 單獨地相互分開地進行必需的表面致密。
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。 例如可以因此調節出例如關于粗糙度的不同的表面質量。而且最大表面 凹部由于采用各種不同的技術也可以是不同的。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材料或其它形成氧化物的燒結材料，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。此外還規定，齒的 第一和第二齒根區域具有相互不同的，尤其是不對稱的加工余量。
本發明還涉及一種具有金屬的燒結材料的嚙合式元件，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域中具有局部地變化 的致密。優選由此結合表面硬化可以實現對于許多應用適用的粉末冶金 材料的彈性。特別優選地，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定，嚙合式元件是直齒齒輪。
變型中規定 嚙合:元件是斜^齒輪。此外可以在另一種變型中規定錐 形齒輪。相應于前面進行的描述，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 域中。這種致密此時尤其是與在按照使用的應用中出現的力相適配。為 了避免應力裂縫，尤其規定，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。特別優選地，被致密的表層的深度在齒 根區域中小于在齒面上的深度。
作為嚙合式元件的特殊形式，可以規定嚙合式元件是一種凸輪。前 面的描述可以對其相應地應用，其中例如凸輪的側面取代了齒的齒面。
對于嚙合式元件的材料可以規定各種成分。在一個第一變型中選擇
鐵材料作為燒結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-1.5Mo+0.2C。此外例如作為含鐵的合金相對于16MnCr5規定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。除此以外可以規定其它成分。
優選地，為了減小嚙合式元件的重量，規定選擇鋁或鎂作為燒結材 料的主要成分。按照本發明的一個方面規定，由燒結材料制成的被表面 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材料。一 個第一實施例規定，附加地還使用硅作為燒結材料。例如硅可以在從約 0.45%至約0.8%的范圍，優選在0.6%和0.75%之間。但是硅也可以位于 更大的范圍上，例如在13%和17%之間，尤其是在14.5%和15.5%之間。 如果硅含量較高，那么燒結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域具有例如大于2.5g/cm3優選直到最大密度的密 度。這種制造的具有嚙合齒的工件優選具有至少240N/mm2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 至少鋅作為燒結材料。優選地，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域。這樣 制造的帶有嚙合齒的工件優選具有至少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。該裝置此時包括尤其是至少一個滾軋刀具，它可以優選借 助于適配的刀具控制機構優選在適配的壓力和/或受控制的^f于程下以適 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。
此外本發明的主題是一種用于由至少在一個表面區域中由燒結材 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。
此外本發明涉及一種用于設計加工余量以實現在滾軋過程中燒結 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，預先規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計。此外求得具有局部地限定的加 工余量的毛坯。可以例如根據數據庫進行選擇。這種數據庫含有例如根 據各種參數求得的實驗密度變化曲線。此外可以進行致密或滾軋過程的
模擬。為此結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。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，采用與離散解法結合的連續力學模型。
在一個優選實施例中規定，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 地可以求得另一個非漸開線嚙合齒的加工余量。
在一個特別優選的實施例中規定，在第一步驟中至少在齒的一個齒
面的區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 加工余量根據至少 一個設計的預先規定自動地產生，在第二步驟中滾軋 刀具的幾何形狀自動地產生，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生的局部的致密變化曲線進行模擬和在第四步 驟中將產生的致密變化曲線的自動的評價與預先規定進行比較以及必 要時該方法自第一步驟起在應用至少一種變化下為了優化而重復地進 行，直到滿足中斷標準為止。該變化此時例如借助于優化方法實現。中 斷標準例如是在希望的密度變化曲線和在模擬中實現的密度變化曲線 之間的公差。此外中斷標準也可以是超過了可以預先給定的迭代次數。
特別合適的是，設計的預先規定從材料密度，幾何形狀，扭矩和壓 力分布的組中選擇。扭矩此時應該理解為在嚙合式元件的按照使用的應 用目的下出現的扭矩。
尤其是為了避免材料裂縫，合適的是，對至少在致密的區域中的材 料應力進行模擬和尤其是用于評價。由此優選地避免，表面雖然被足夠 地硬化，但是由于應力的作用而易脆和易于產生應力裂紋。
此外有利的是使用在儲存在數據庫中的數據用于變化。尤其是此時 可以例如借助于神經網絡使用優化和數據分析的方法。此外例如為了優 化借助于遺傳學算法使用在數據庫中儲存的特征。
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先^L定 進行替代。優選地，滾軋刀具幾何形狀被固定地預先規定。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 施例規定反向的操作過程。優選地，從最終形狀出發，計算毛坯或用于
最后本發明I主題是具有儲存在計算機可讀的介質上的程序編碼 機構的計算機程序產品，用于當在計算機上應用該程序時實施至少 一個 上述的方法。計算機可讀的介質例如是磁性的，光磁的或光學的存儲介 質。此外例如使用存儲芯片。除此以外計算機可讀的介質也可以借助于 遠距離存儲，例如借助于計算機網絡實現。
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行計算。但是機器具有控制機構，尤其是行程 和/或力引導的控制機構，其中可以輸入坐標和運動變化曲線，用于對毛 坯進4亍致密加工。按照本發明的另一個方面，設置壓模，用它可以擠壓由燒結材料制 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。優選地，此時同樣以帶有嚙合齒的工件的最終輪廓的數據為依據。
也可以設置滾軋檢驗臺，其提供這樣的可能性，即可以對非常不同 的表面致密進行試驗性的滾軋。由此尤其是也可以求得這樣的數據，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。由此例如可以實現用于毛坯，刀具或沖齊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行自動 化測量。以下建議了一些其它的構思，它們與到目前為止建議的方面進 行組合，但是也可以與它們獨立地實施。
按照本發明的另 一個構思，該構思可以與本公開中的其它特征獨立 地和結合地使用，設置一種用于制造由被致密的燒結材料制成的嚙合齒 的方法，其中被預致密的齒坯至少在一個區域中借助于迭代地求得的數
據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fW=4, Fa=7和Ffa=7的范圍中實現最終形狀的質量。其中fHa是 指相對于嚙合齒的偏差，F"是指總的偏差和Ff"是指齒面的輪廓形狀偏 差。給出的值對應于涉及偏差的DIN等級。
按照一個擴展方案規定，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。 一個實施例規定，用于確定毛坯的迭代計算從輸 入的數據出發，該數據來自于最終形狀的預先規定。優選地使用至少一 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，使得能夠將刀具的質量傳遞到 毛坯上成為可能。尤其是能夠實現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行其它的材料減少的再加工步驟就具有最 終形狀的質量。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域中是最大的，其中最大表 面密度在該區域中延伸至少0.02pm的深度。
按照本發明的另 一個構思，該構思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結合地使用，設置一種用于制造由被致密的燒結材料制成的嚙 合齒的方法，其中被預致密的齒坯在至少一個區域中借助于迭代地求得 的數據:故致密到它的最終形狀，和在該區域中的粗糙度相對于毛坯改善 了至少400%，其中表面硬度被調節到至少130HB。優選調節到至少具
有7.3g/cr^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。
由被預致密的材料制成的嚙合齒在一個第 一被表面致密的區域中 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域中 的粗糙度小至少400%。粗糙度Rz例如在第一區域為小于lpm。另一個 實施例規定，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 致密使得能夠相應于希望的預先規定按照目標地調節出精確的致密以 及硬化成為可能。
按照本發明的另 一個構思，該構思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結合地使用，提出 一種用于設計由燒結材料制成的嚙合齒的毛 坯的計算方法，其中計算方法中應用了由嚙合齒的預先規定的最終形狀 求得的數據，依據最終形狀的至少一個使用條件求得嚙合齒的一個或更 多個負荷參數，計算毛坯的局部的加工余量，該毛坯與毛坯在表面的期
望的致密相關聯，其中在表面下面的燒結材料的負荷被一同輸入到計算 中。
優選地，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，其中尤其是在擠入時和擠入之后可以考慮燒結材料的特性。例如 該計算方法規定，考慮要致密的燒結材料的彈性變形。該計算方法也可 以規定，考慮在表面上要致密的燒結材料的彈性-塑性變形。優選將例 如在工件作為傳力齒輪使用時在表面下面的最大負荷的深度應用到計 算方法中。計算方法此外可以將在燒結時燒結材料的收縮輸入到計算 中。也可以將憑經驗求得的數據同樣輸入到計算中。
按照本發明的另 一個構思，該構思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結合地使用，提出一種用于設計對尤其是由被致密的燒結材料 制成的嚙合齒的毛坯進行表面致密的刀具的計算方法，以制造出預先規 定的齒幾何形狀，其中為了計算機床運動學，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聯的機器軸、它們的耦
聯的系統坐標和它們的相對運動的條件下，迭代地一 同輸入由預先規定
的、要制造的齒幾何形狀求得的數據。由此現在存在這樣的可能性，即 不用通過工件成形裝置的重復的試驗、測量結果和配合最后找到最終的 形狀，而是借助于迭代計算進行實施。這大大地節省了時間并且可以考 慮非常不同的影響參數。尤其是也可以模擬設計，從而例如可以檢查要 制造的刀具的對在模擬中設計的毛坯的作用方式。
按照一個實施例，在要制造的工件和刀具成形裝置之間在嚙合齒的 齒尖和齒根之間的接觸條件應用到計算方法中。優選此時也在嚙合齒的 齒根的區域中將表面上的最大應力 一起輸入計算中。此外存在可能性， 即在嚙合齒的齒面的區域中將在表面下面的最大應力 一起輸入計算 中。該方法尤其適用于燒結材料，但是也可以用于鋼工件或由其它材料 制成的工件。
按照本發明的另 一 個構思，該構思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結合地使用，提出一種具有擠壓幾何形狀的用于制造由燒結材 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域產生 一個凹部，該凹部可以用燒結材料在表面致 密加工時填充。
優選地，在毛坯的 一個端部上的隆起在嚙合齒的齒的齒頂的區域中 產生一個凹部。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置單側隆起，而是設置雙側隆起，以 便在齒的兩個端部各產生一個凹部。按照一個擴展方案，隆起布置在幾 何形狀的一個區域中，該區域在毛坯的齒頂上產生一個凹部，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生的擴展。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展。用于確定毛 坯或纟齊壓成形刀具的幾何形狀的計算方法優選規定，從毛坯的最終形狀 的數據出發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。
按照本發明的另 一個構思，該構思可以與本公開中的其它特征相獨
立地和相結合地使用，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的致密運動 的次數。優選迭代地計算滾壓，直到達到預先確定的表面密度。 一種擴 展方案規定，迭代地計算成形刀具的進給。按照一個實施例，對毛坯進
行小于20次的滾壓以實現表面致密加工的最終形狀的預先規定的幾何 形狀。優選進行小于10次滾壓。尤其是對毛坯進行小于6次的滾壓， 直到達到表面致密加工的最終形狀的預先規定的幾何形狀。此時要考慮 在達到之后表面致密的結束還沒有發生。相反刀具在表面上接著還要多 次地，尤其是小于25次，優選小于15次地移動。由此保證表面形狀的
精確性。
按照本發明的另 一 個構思，該構思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結合地使用，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材料制成的嚙合齒上實施反轉 的滾動。優選地，在反向之前通過成形刀具使毛坯短暫地卸載。已經證 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，通過在進行運動反向之前減小刀具作用在工件上的壓力，達到進一 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。
按照本發明的另 一個構思，其可以與本公開中的其它特征相獨立地 和相結合地使用，提出了 一種具有至少一個由燒結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選具有與工件的第二嚙合齒不同的致密。一 個擴展方案規定，對工件的內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到最終形狀。這可以將
現改進。
按照本發明的另 一個構思，其可以與本公開中的其它特征相獨立地 和相結合地使用，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。此時尤其是有關嚙合齒、材料、制造
步驟等等的其它公開內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。這能夠實現多種組合，其為每種負荷情況規定了各種 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。優選
地，迭代地計算和相應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行，但是按照另一個實施例也可以同時進行。 這尤其也適用于其它的加工步驟如例如表面致密。
一個擴展方案規定，第二嚙合齒具有被硬化的沒有表面致密的表 面。對于一些負荷情況，通過燒結實現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用。
此外已經證明是有利的是，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程。這在軸的主轉動方向和尤其 是僅僅一個轉動方向是預先規定的應用中是有利的。由此可以低磨損和 低噪音地設計不同的齒面導程。
另一個實施例規定，第二嚙合齒是鍛造的。它可以附加地;故表面致 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 燒結材料制成。附加地，軸同樣可以用燒結材料制成。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，硬化并且接著進行對磨。為此優選從帶有第一嚙合齒的 軸的最終形狀出發進行第 一嚙合齒的毛坯的迭代計算。
這種軸在汽車技術中和在變速器制造中以及在家用設備中得到優 選的應用。
按照本發明的另 一個構思，該構思可以與本公開中的其它特征相獨 立地和相結合地使用，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。
例如規定，設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。
一個擴展方案規定，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
坯優選可以通過它們的端面相互頂4矣在一起。另一個實施例規定，在毛 坯之間設置一個間距，其中刀具沿著該軸突出超過毛坯的兩個外端面。
按照本發明的另 一個構思，其可以與本7>開中的其它特征相獨立地 和相結合地使用，提出了 一種具有被表面致密的由燒結材料制成的嚙合 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 結材料的梯度。
該部件優選具有一種梯度，該梯度具有一種階梯函數。燒結材料至 少在該區域中設有過渡界線。按照一個實施例，該過渡界線沿著在第一 和第二燒結材料之間的整個面設置。另一個實施例規定，在一個區域中 沒有固定的界線而是設置一個逐漸的過渡。尤其是可以規定，部件具有 不同的燒結材料，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。
部件的一個第一擴展方案包括，嚙合齒的燒結材料具有比部件的連 接在嚙合齒上的區域的燒結材料更小的核心密度。部件的一個第二擴展
結材料更大的核心密度。
另一個實施例具有一種部件，它具有包括第一燒結材料的第一嚙合 齒和包括第二燒結材料的第二嚙合齒。
嚙合齒優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 燒結材料例如可以布置在部件的 一個外部區域中和形成嚙合 齒，和第二燒結材料布置在部件的一個內部區域中和形成一個孔。
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，其中在將第二燒結材料加入之前，將第一燒結材料放入到一個模具中，接
著進行擠壓和燒結和借助矛嚙合齒的表面致密只對兩個燒結材料中的
一個燒結材料進行致密加工，而另 一個燒結材料沒有受到任何改變。
一個擴展方案規定，實施第二表面致密，其只涉及還沒有被表面致
密的燒結材料。優選規定，第一燒結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 定，在將第二燒結材料加入之前，將第一燒結材料放入到一個模具中， 接著進行擠壓和燒結和借助于嚙合齒的表面致密對第一燒結材料和第 二燒結材料進行致密加工。
為了實施該方法，在考慮兩個燒結材料中的至少一個燒結材料的材 料特性下迭代地確定用于表面致密的運動過程，已經證明是有利的。
用于該兩個方法的一個擴展方案規定，在該模具，尤其是擠壓模具 和填入的燒結材料之間產生相對轉動，從而燒結材料依據相對轉動的速 度聚積在模具的 一個外部區域中。
另外也可以規定，第 一燒結材料和至少第二燒結材料至少在一定的 時間長度上重疊地加入到模具中。
此外參見US5,903,815。該文獻給出了各種燒結材料、用于燒結材 料的條件、模具，關于加工兩個或更多燒結材料的原理、應用和方法步 驟。與此相關地，在本公開的范圍內參見該文獻的屬于本發明的公開內 容的內容。
按照本發明的另一個構思建議，尤其是在鍛造的齒輪，鏈輪或齒環 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置對被致 密的齒面和/或齒根的磨削或桁磨。優選通過鍛造實現至少7.6g/cm3的密 度作為核心密度。表面致密加工因此可以達到嚙合齒的完全致密和/或形 狀的精確性。 一個擴展方案規定，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4vim至8)Lim材 料的范圍上。如果不采用鍛造而是進行擠壓，燒結和硬化，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 選30)im至50fim和對于磨削為50|am至0.3mm,優選O.lmm至0.2mm。
通過迭代計算使得區域和加工余量可以預先確定和以后也因此能夠在 方法中轉換。對于在齒輪，鏈輪或齒環中孔優選同樣設置表面致密，隨 后是進行硬化和接著優選進行對磨。孔可以為此同樣在表面致密加工之
后具有在30pm和50)tim之間的加工余量。
在表面致密加工時進行潤滑，則產生了另一個優點。除了利用乳化 液以外尤其也可以用油潤滑。該油優選用于熱滾軋，例如在高于220°C 的溫度下。此外建議，在50(TC和60(TC之間的溫度下實施熱滾軋，其 中優選利用油冷卻，以i"更一方面進^f亍潤滑，另一方面也冷卻刀具。
以下對照附圖通過示例詳細描述本發明。但是設計這些示出的實施 例不是用于限制本發明的范圍和細節。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示出的擴展方 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17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用的參數的示意表示。 圖1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沿著轉動方向104可轉動地支承。 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可轉動地支承。相應地產生第二轉動方向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沿著第三轉動方向112可轉動地支承。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纟會運動。例如第 三軸111可以在沿著第一軸103,第二軸107和第三軸111的連線114 的移動方向113上移動。例如可以進行定徑滾軋過程。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。此時是在要求的區域中進行 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 區域被致密。為了調節第 一和/或第二滾軋刀具110以及為了施加進行滾 軋過程必需的壓力設置了一個沒有示出的優選帶有傳動機構的調節裝 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。在滾軋過程結束之后產生第一最終尺寸變化曲線 208,其中相應地產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的在其內實現全密度的區域。
全密度此時優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上實現相同的致密變化曲線設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 上產生第二最終尺寸變化曲線310和在第三齒面307上產生第三最終尺寸變化曲線311。此外產生第二致密界線312和第三致密界線313。由 于通過沿著轉動方向的滾軋運動在第二齒面306和第三齒面307上產生 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401也是通過第三齒頂圓402，齒頂節 圓403，第三基圓404,第三齒根節圓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、優選形式為齒頂倒圓的 嚙合齒。但是在該區域中的其它幾何形狀也是可能的。此時在齒頂區域 401.1中在第三齒頂圓402和齒頂節圓403之間后縮成一種齒廓。這導 致在該區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 效的齒區域僅僅位于在齒頂節圓403和齒根節圓405之間或在齒頂節圓 403和第三齒根圓406之間的區域中。在第四致密界線408中的滾軋過 程之后產生第四加工余量變化曲線407。此外在第四齒面409上到達第 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， 毛坯的第四齒根節圓503,在磨削過程之后的毛坯的第五齒根節圓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。在滾軋過程之后產生第五最終尺寸變化曲線50入在橫坐標軸上 標出單位為mm的橫向尺寸。在縱坐標軸上標出相應的與其垂直定向的 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 齒的齒頂到相鄰的齒的齒頂的變化曲線。在上方的^f黃坐標軸上相應地以 mm表示了相應的齒面線的絕對弧線長度。左邊的縱坐標軸給出了以mm 為單位的加工余量。右邊的縱坐標軸描述了所屬的嚙合齒的相應的半 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對稱地構造。相反，第七加工余量變化曲線607不 對稱地構造。在齒對稱基線605附近，即在齒根區域中，加工余量各具 有局部最小值。由此有利于減小應力裂紋的危險。
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。如已經在 圖6中所示的，此時在齒根704區域中的加工余量也小于第五齒面705 和第六齒面706的區域中的加工余量。這尤其是用于避免應力裂縫。
圖8示出了第一方法示意圖。從目標預先規定801出發，其包括幾 何形狀、要傳遞的齒輪扭矩和壓力分布，由第一幾何形狀產生模塊802 產生滾軋刀具的幾何形狀。此外不僅依椐目標預先規定801而且依據滾 軋刀具的幾何形狀在第二幾何形狀產生模塊8(B中產生毛坯的幾何形 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 動學也而且模擬在滾軋過程中產生的致密過程。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行。這可以與CAD程序耦聯。可選擇地，可以考 慮用于模擬應力的第二模擬模塊805。在該模塊中一方面不僅涉及目標 預先規定801也而且涉及毛坯的幾何形狀。另一方面第二模擬模塊805 此外能夠實現對求得的毛坯的幾何形狀進行修正。尤其是第 一 幾何形狀 產生模塊802，第二幾何形狀產生模塊803,第一模擬模塊804和必要 時第二模擬模塊805可以在一個優化回路中重復實施。
圖9示出了第二方法示意圖。在第一步驟901中產生齒廓卯3的第 九加工余量變化曲線902。接著在第二步驟904中產生第三滾軋刀具906 的第二齒廓卯5。接著之后在第三步驟907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生的致 密。接著在一個變化卯8中必要時重復進行第一，第二和第三步驟901， 904,卯7。
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ioo2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上設置不同
的加工余量。在第七齒面1003上設有通過第一箭頭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一個齒的兩個齒面的對稱的輪廓，為此優選在小 于O.lpm的范圍中進行補償。
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的燒結材料的擠移的增長和由此伴隨的齒在高度 和/或寬度上的增長至少減至最小，如果不能夠進行補償的話。凹部的形 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行優 化。進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。從預先規定的工件的最終數據和它的嚙合齒出發，可以使機器運動 學模型化。此時例如從相互相配置的機器軸出發。此后通過運動學和功
次參見圖12。那里示出的示例具有相應的缺點，例如在中間的視圖情況 下齒根區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i輪廓的刀具輪廓進行i^代計算。對于用于。制造毛i的刀具，作A出 發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的密度變化曲線的 -脫圖。如杲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。
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，可以在求出的結果的基礎上修改滾軋刀具。這在圖15中針對一 個具有核心密度為7.3g/ciT^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。對應于滾軋刀具的一個進給運動，齒輪的幾 何形狀產生變化。其目標是達到要求的最終輪廓，如其被預先規定的那 樣。圖15的圖中可以看到不同程度的進給運動的各種狀態。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 致對應于按照DIN的等級7的輪廓角度偏差。為了達到齒厚減小的必需 的最終形狀，則必需有0.4mm的進給。但是這導致對應的誤差的增大。 這意味著，完成的最終輪廓位于必需的質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)標出。在各種表 面致密化步驟下可以通過適合的加工余量選一奪以及進給運動影響石更度 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在第一部分直到達到 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-軸上標注了直徑。在x-軸上給出了加 工余量。D—a或d一a表示齒頂節圓直徑或齒頂圓直徑，0是例如通過在 節圓上的一個值的加工余量的規定值，d—b是齒根圓直徑。A表示基圓
區域的優選值的范圍。B表示一個臨界區域，因為那里已經可能在滾軋
時出現材料失效。
圖19示出了一些可以用于迭代計算的參數的示意表示。其尤其可 以是最大負荷點。如左邊的圖所示，在齒面上可以出現點蝕損傷。因此 優選使用一種比較應力變化曲線，在該曲線中滿足最大應力出現在表 面之下，尤其是在負滑轉率的區域中，因此優選在給定的基圓直徑d—wl 之下。右邊的圖表示了由于過高的彎曲載荷產生的斷齒。對于計算模型 由此得出結論，即最大齒根負荷的地點被求出和考慮。這可以例如通過 按照DIN標準的30。切線或者通過按照AGMA的劉易斯拋物線(Lewis -Parabel)求得。對于比較應力優選假定最大應力出現在表面上。
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。
本發明可以例如應用于凸輪軸齒輪，行星齒輪，太陽齒輪，驅動齒 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，內燃機，調速傳動裝置，外或內嚙合齒，直齒或斜齒的外 或內圓柱齒輪傳動裝置，直齒，斜齒或孤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。另一個實施例規定一個齒輪由燒結金屬的制成。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。優選也可以制造錐齒斜齒 齒輪副，以由此形成準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，發動機技術，傳動裝置技術，調節裝置，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。
權利要求
1.用于制造由燒結材料制成的嚙合齒的毛坯，其中毛坯具有負的加工余量。
2. 按照權利要求1所述的毛坯，其特征在于，負的加工余量設置在 嚙合齒的一個齒的至少一個齒面上。
3. 按照權利要求1或2所述的毛坯，其特征在于，負的加工余量沿 著齒面不對稱地分布。
4. 按照前述權利要求中之一所述的毛坯，其特征在于，在一個齒的 每個齒面設置負的加工余量。
5. 按照前述權利要求中之一所述的毛坯，其特征在于， 一個齒在相 同的高度上具有在第一齒面上的第一負的加工余量和在第二齒面的第 二負加工余量，其中第一和第二齒面相互不對稱地分布。
6. 按照前述權利要求中之一所述的毛坯，其特征在于，該負的加工 余量設置在齒的齒頂區域和齒的一個齒面上的一個加工余量之間。
7. 按照前述權利要求中之一所述的毛坯，其特征在于，該負的加工 佘量設置在齒根的一個角部區域中。
8. 按照前述權利要求中之一所述的毛坯，其特征在于，齒的齒面的 齒面導程是不同的。
9. 按照前述權利要求中之一所述的毛坯，其特征在于，嚙合齒是內 嚙合齒。
10. 按照前述權利要求中之一所述的毛坯，其特征在于，該毛坯制 造成被表面致密的齒輪。
11. 用于制造由燒結材料制成的嚙合齒的方法，其中毛坯配置至少 一個借助于迭代計算求得的負的加工余量，該負的加工余量在嚙合齒表 面致密時至少部分地通過燒結材料的擠移被填充。
12. 按照權利要求11所述的方法，其特征在于， 一個與負的加工余 量相鄰的加工余量材料被擠移到負的加工余量中。
13. 按照權利要求11或12所述的方法，其特征在于，毛坯被表面 致密加工到要求的最終形狀，其中可以選擇地進行硬化和/或表面精加 工。
14. 計算機程序產品，其具有儲存在計算機可讀的介質上的程序編 碼機構，以便當該程序實施到計算機中時實施如權利要求11至13中至 少之一所述的方法。
15.用于計算和/或用于實施嚙合齒的表面致密的機器，其中輸入計 算的運動學，借助于該運動學通過表面致密可以將嚙合齒的齒面的負的 加工余量整平到要求的最終輪廓。
全文摘要
本發明涉及一種用于制造由燒結材料制成的嚙合齒的毛坯，其中該毛坯具有負的加工余量。
文檔編號B22F5/08GK101193719SQ200680020674
公開日2008年6月4日 申請日期2006年6月8日 優先權日2005年6月10日
發明者G·科特霍夫 申請人:Gkn金屬燒結控股有限責任公司