DE2160155B2

DE2160155B2 -

Info

Publication number: DE2160155B2
Application number: DE2160155A
Authority: DE
Inventors: William M. Farmington Dunn; Myron C. Northville Sarnes
Original assignee: Federal Mogul LLC
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 1970-12-04
Filing date: 1971-12-03
Publication date: 1975-11-13
Also published as: ES178384Y; DE2160155A1; SE377715B; ES397689A1; DE2160155C3; BE776250A; IT951659B; ES178384U; US3665585A

Description

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Bauteile von Maschinen od. dgl., die im Betrieb hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind, werden bis jetzt aus teuren nickelhaltigen Legierungen hergestellt, so daß auch die Bauteile selbst sehr teuer werden. In der Praxis ist jedoch gewöhnlich nur ein bestimmter Abschnitt eines solchen Bauteils hohen Belastungen, z. B. Drehmomenten, ausgesetzt, welche die Vervendung von hochwertigen Legierungen erforderlich machen, doch es hat sich bis jetzt als unumgänglich erwiesen, die Bauteile als Ganzes aus solchen Legierungen herzustellen, so daß sich übermäßig hohe Kosten nicht nur aus der Verwendung der hochwertigen Legierungen ergeben, sondern auch aus der Notwendigkeit, kostspielige Schmiedearbeiten durchzuführen.

Für einen speziellen Verwendungszweck ist bereits ein aus zwei zylindrischen Teilen zusammengesetztes Lager bekanntgeworden, das jedoch wegen der zylindrischen Verbindungsfläche der beiden Teile, aus denen es zusammengesetzt ist, nur radiale Kräfte aufzunehmen vermag. so

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, hochbelastbare, aus zwei gesinterten Teilen zusammengesetzte Bauteile zu schaffen, die beim Herstellungsvorgang derartig fest miteinander verbunden werden, daß sie Kräften unterschieülichster Art und Richtung ausgesetzt werden können, wie es z. B. bei Kegelzahnrädern und lnnenlaufringen für Kegelrollenlager der Fall ist, bei denen die arbeitenden, hohen und konzentrischen Beanspruchungen ausgesetzten Abschnitte sowohl Drehmomente als auch andere Beanspruchungen aufnehmen müssen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein erstes ringförmiges tragendes Teil aus billigem gesintertem Metallpulver und ein zweites ringförmiges hochbelastbares Teil aus gesintertem Legierungspulver gelöst, die beide korrespondierende kegelstumpfförmige Berührungsflächen aufweisen, zwischen denen eine Verankerung durch Teilchenverzahnung besteht.

Ein zur Herstellung eines derartigen Bauteil=, geeignetes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenverzahnung zwischen den Teilen durch einen Verformungsvorgang, insbesondere durch Schmieden, herbeigeführt wird.

Gemäß der Erfindung werden die beiden Teile eines solchen hochbelastbaren zusammengesetzten Bauteils getrennt hergestellt und anschließend durch einen Preßvorgang untrennbar miteinander verbunden. Auf Grund der im wesentlichen kegelstumpfförmigen gemeinsamen Berührungsflächen der beiden Bauteile wird beim PreBvorgang wegen der Keilwirkung der spitz zulaufenden Oberflächen eine Querkraft hervorgerufen, die das eine Teil in der Preßform fest mit dem anderen verzahnt.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematisclner Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einem senkrechten axialen Schnitt die Hohlform einer Pulverpresse, wobei die verschiedenen Teile der Preßform am Beginn des Preßvorgangs dargestellt sind, der dazu dient, den äußeren hochbelastbaren arbeitenden Abschnitt eines in F i g. 6 dargestellten Kegelritzels herzustellen,

Fi .2 in einer Fig. 1 ähnelnden Darstellung die Stellung der verschiedenen Teile nach Fi g. 1 am Ende des Preßvorgangs,

F i g. 3 in einem axialen Schnitt die Hohlform einer Pulverpresse, wobei die Teile in ihrer Stellung am Beginn des Preßvorgangs dargestellt sind, der dazu dient, den inneren tragenden Nabenabschnitt des Kegelritzels nach F i g. 6 herzustellen,

Fig.4 in einer Fig.3 ähnelnden Zeichnung die Stellung der Teile nach F i g. 3 am Ende des Preßvorgangs,

Fig. 5 in einem senkrechten axialen Schnitt das innere und das äußere Bauteil für das Kegelritzel nach Fig.6 am Beginn des Arbeitsschritts zum Vereinigen der beiden Bauteile,

Fig.6 in einem senkrechten axialen Schnitt das zusammengesetzte, hochbelastbare Kegelritzel, das in der in F i g. 1 bis 5 veranschaulichten Weise hergestellt wird, wobei die gestrichelten Linien den Fußkreis der Zähne des Ritzels andeuten,

Fig. 7 in einem senkrechten axialen Schnitt die Hohlform einer Pulverpresse, wobei die Herstellung des inneren Bestandteils eines in Fig. 10 gezeigten hochbelastbaren Innenlaufringes veranschaulicht ist, der bei einem in Fig. 12 dargestellten Hochleistungs-Ke· gelrollenlager verwendet wird,

Fig.8 in einem senkrechten axialen Schnitt der Hohlraum einer Pulverpresse zum Herstellen de; äußeren hochbelastbaren Bestandteils des zusammen gesetzten Innenlaufringes für das Kegelrollenlager nacl· Fig. 12.

Fig.9 in einem senkrechten axialen Schnitt der zusammengesetzten Hochleistungs-lnnenlaufring nacl Fig. 10, der sich aus dem inneren Bestandteil nacl Fig. 7 und dem äußeren Bestandteil nach Fig. ί zusammensetzt, vor der maschinellen Bearbeitung de ring- bzw. kanalförmigen Lauffläche für die konischci Lagerrollen.

Fig. 10 in einer Fig. 9 ähnelnden Darstellung dei Innenlaufring vor der maschinellen Bearbeitung mi gestrichelten Linien und nach der Bearbeitung ii Vollinien,

Fig. 11 in einem senkrechten axialen Schnitt dei

zusammengesetzten äußeren Laufring, bei dem der jiinere Abschnitt aus einer hochwertigen Legierung besteht, während der äußere Abschnitt aus einem billigeren Metallpulver erzeugt ist,

Fig. 12 in einem senkrechten axialen Schnitt ein Kegelrollenlager, bei dem der innert und der äußere Laufring nach einem der in Fig.7 bis 11 veranschaulichten Verfahren hergestellt worden sind.

In F i g. 1 bis 6 ist die Anwendung der Erfindung beim Herstellen eines zusammengesetzten Hochleistungs-Kegelritzels dargestellt, das in F i g. 6 insgesamt mit 20 bezeichnet ist und einen inneren Bestandteil 22 aus einem billigen gesinterten Metallpulver, z. B. gesintertem Eisenpulver, und einen mit Zähnen versehenen äußeren Bestandteil 24 aus einer hochwertigen gesinterten pulverförmigen Metallegierung umfaßt, welch letzterer in der aus F i g. 5 ersichtlichen Weise mit dem inneren Bestandteil durch einen Schrr.^edevorgang vereinigt worden ist. Der mit Zähnen versehene äußere Bestandteil 24 wird hergestellt, indem man gemäß Fig. 1 und 2 eine ausreichende Menge 26 eines Pulvers aus eine; hochwertigen Metallegierung in einem allgemein kegelstumpfförmigen Hohlraum 28 einer Preßmatrize 30 verdichtet, die eine zylindrische obere Bohrung 32 und eine zylindrische untere Bohrung 34 2«; umfaßt, welche durch eine kegelstumpfförmige Bohrung 36 verbunden sind.

Bei dieser hochwertigen Legierung kann es sich z. B. um eine modifizierte Norm S. A. E. 4600 handeln, die normalerweise die folgende Zusammensetzung aufweist:

0 bis 0,25 % Mangan,

1,75 bis 2,00% Nickel,

0,35 bis 0,60 % Molybdän, _3S

Rest Eisen.

Die Legierung nach der Norm S. A. E. 4600, von der die vorstehende Legierung eine Abwandlung ist. hat die folgende Zusammensetzung:

0,45 bis 0,65 %
1,65 bis 2,00%
0,20 bis 0,30 %
0.20 bis 0,35 %
Rest

Mangan,

Nickel,

Molybdän,

Silicium,

Eisen.

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Der Siliciumanteil ist bei der abgewandelten Legierung fortgelassen, da das Silicium die Lebensdauer der Matrize beeinträchtigt. Normalerweise wird das Silicium der genannten genormten Legierung beigefügt, um das Fließvermögen der geschmolzenen Legierung beim Gießen komplizierter Formen zu steigern.

Die Matrize 30 wird in eine Pulverpresse 38 bekannter Art eingebaut, die einen oberen äußeren rohrförmigen Stempel 40, einen unteren rohrförmigen Stempel 42 und einen oberen inneren massiven Stempel 44 umfaßt. Der obere innere Stempel 44 umfaßt einen oberen zylindrischen Abschnitt 46 und einen unteren zylindrischen Abschnitt 48, die durch einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 50 verbunden sind; dieser Stempel ist in der oberen Bohrung 52 des rohrförmigen Stempels 40 und der unteren Bohrung 54 des rohrförmigen Stempels 42 gleitend geführt. Der zylindrische Abschnitt 48 von kleinerem Durchmesser dient als Nasenabschnitt, wenn der innere obere Stempel 44 zusammen mit dem äußeren Stempel 40 nach oben bewegt worden ist, damit die Hohlform 28 gefüllt werden kann, und damit gleichzeitig verhindert wird, daß ein Teil der pulverförmigen Metallegierung der Füllmenge 28 in die im übrigen offene Bohrung 54 des rohrförmigen unteren Stempels 42 fällt.

Vor dem Füllen der Hohlform 26 (Fi g. 1) wird der obere äußere rohrförmige Stempel 40 nach oben zurückgezogen, um das obere Ende der Hohlform 26 zugänglich zu machen. Dann wird die Füllmenge 28 aus der hochwertigen pulverisierten Metallegierung in die Hohlform eingebracht. Danach werden der äußere obere Stempel 40 und der innere obere Stempel 44 in den zugehörigen Bohrungen 32 bzw. 52 und 54 aus der in F i g. 1 gezeigten Stellung nach unten bewegt und in die aus F i g. 2 ersichtliche Stellung gebracht, während gleichzeitig der untere rohrförmige Stempel 42 in der zugehörigen Bohrung 34 nach oben bewegt wird, um die Füllung 28 aus der pulverisierten Metallegierung zwischen den einander zugewandten ringförmigen Stirnflächen 56 nach F i g. 1 und 2 zu einem Preßkörper 60 zu verdichten, der die gleichen Abmessungen hat wie die Hohlform 26, so daß die Füllung 28 am Ende der Hubbewegungen der Stempel 40, 42 sowie 44 die aus Fig. 2 ersichtliche Form hat. Hierauf wird der Preßkörper 60 in einen Sinterofen bekannter Art gebracht und in einer Schutzgasatmosphäre, z. B. Wasserstoff, auf bekannte Weise während der üblichen Zeit und bei den gebräuchlichen Temperaturen gesintert, wie sie auf dem Gebiet der Pulvermetallurgie angewendet werden. Nach dem Entnehmen des Werkstücks aus dem Sinterofen bildet es den äußeren, hoch beanspruchbaren Bestandteil 22 des Kegelritzels 20nach Fig.6.

Der innere Bestandteil 22 des Kegelritzels 20 wird gemäß F i g. 3 und 4 auf ähnliche Weise hergestellt, d. h., eine Füllmenge 62 aus einem pulverisierten billigen Grundmetall, z. B. Eisenpulver, wird in die allgemein kegelstumpfförmige Hohlform 64 einer Preßmatrize 66 eingebracht, die allgemein der Preßmatrize 30 nach F i g. 1 und 2 ähnelt, d. h., die eine zylindrische obere Bohrung 68 und eine zylindrische untere Bohrung 70 aufweist, welche durch eine kegelstumpfförmige Bohrung 72 verbunden sind. In den beiden zylindrischen Bohrungen 68 und 70 sind ein oberer rohrförmiger Stempel 74 bzw. ein unterer rohrförmiger Stempel 76 gleitend geführt. In den Bohrungen 78 und 80 der rohrförmigen Stempel 74 und 76 ist ein zylindrischer stangenförmiger Kern 82 angeordnet, dessen zylindrische Bohrungen 68 und 70 sowie der kegelstumpfförmigen Bohrung 72 die Hohlform 64 abgrenzt.

Zum Erstellen des inneren Bestandteils 22 wird der obere Stempel 74 nach oben zurückgezogen, um die Hohlform 64 zugänglich zu machen. Dann wird die Hohlform mit einer Füllmenge 62 aus dem billigen Metallpulver gefüllt, woraufhin der obere Stempel 74 n..ch unten und der untere Stempel 76 nach oben bewegt wird, um die Metallpulverfüllung 62 zwischen den einander zugewandten ringförmigen Stirnflächen 86 und 88 zu einem Preßkörper 90 zu verdichten, wie es in Fig.4 gezeigt ist. Dann werden der rohrförmige ob;re Stempel 74 und der untere rohrförmige Stempel 76 nach oben bewegt, um den Preßkörper 90 aus der Hohlform 64 auszuwerfen. Nunmehr wird der Preßkörper 90 in der bezüglich des äußeren Bestandteils 24 beschriebenen Weise gesintert, um den inneren Bestandteil 22 bilden zu können. Der innere Bestandteil aus dem beschriebenen Grundmetall wird gemäß Fig.5 im Verlauf eines Schmiedevorgangs in den äußeren Bestandteil 24 aus der gesinterten hochwerti-

gen Legierung eingepreßt, so daß man ein zusammengesetztes Rohteil 92 erhält. Dieses Rohteil wird dann mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs oder durch Schleifen mit Kegelritzelzähnen 94 versehen, woraufhin das Rohteil 92 das fertige Kegelritzel 20 bildet, das eine axiale Bohrung 96 aufweist, die eine nicht dargestellte Welle als Unterstützung für das Kegelrilzel aufnehmen kann.

In Fig. 7 bis 12 ist die Anwendung der Erfindung beim Herstellen eines Hochleistiings-Kegeirollenlagers dargestellt, das in Fig. 12 gezeigt und insgesamt mit 120 bezeichnet ist; dieses Kegelrollenlager umfaßt einen zusammengesetzten, aus gesinterten Metallpulvern bestehenden inneren Laufring oder Konus 122 (Fig. 10) und einen zusammengesetzten, aus gesinterten Metallpulvern hergestellten äußeren Laufring bzw. ein Becherteil 124 ( Fig. 11). Der innere Laufring oder Konus 122 nach Fig. 10 umfaßt einen inneren Bestandteil 126 aus einem gesinterten billigen pulverisierten Grundmetall für geringe Beanspruchungen, z. B. aus Eisenpulver, der durch einen Schmiedevorgang mit einem gesinterten äußeren Besnar.dteil 128 aus einer pulverisierten hochwertigen Legierung vereinigt worden ist. Der äußere Laufring bzw. das Becherteil 124 nach F i g. 11 umfaßt einen äußeren Bestandteil 130 aus einem gesinterten billigen Grundmetallpulver für geringe Beanspruchungen, ζ. Β aus pulverisiertem Eisen, sowie einen inneren Bestandteil 132 aus einer gesinterten pulverisierten Legierung für hohe Bean spruchungen. Der innere Bestandteil 126 des zusammengesetzten inneren Lauf rings 122 hat eine axiale Bohrung 134 zum Aufnehmen einer nicht dargestellten Welle, die mit Hilfe des Kegellrollenlagers 120 nach Fig. 12 gelagert werden soll, während der äußere Bestandteil 130 des äußeren Laufrings 124 eine allgemein zylindrische Außenfläche 136 besitzt, so daß er in eine zylindrische Bohrung oder Bohrungserweiterung in dem Gehäuse oder einer anderen nicht dargestellten Konstruktion eingebaut werden kann, die das Lager 120 aufnehmen soll. Gemäß Fig. 10 sind konische Lagerrollen 138 in dem Ringspalt zwischen dem äußeren Laufring 124 und dem inneren Laufring 122 angeordnet.

Um den inneren Bestandteil 126 des inneren Laufrings 122 herzustellen, wird eine Füllmenge aus einem billigen pulverisierten Gnindmetall für geringe Beanspruchungen aus der beim Verdichten ein Preßkörper 140 entsteht (Fig.7), in eine allgemein kegelstumpfförmige Hohlform 142 einer Preßmatrize 144 eingebracht, die eine zylindrische obere Bohrung 146. eine zylindrische untere Bohrung 148 und eine diese Bohrungen verbindende kegelsiiumpfförmige Bohrung 150 aufweist Die Matrize 144 wird in eine Pulverpresse 152 bekannter Art eingebaut, die einen oberen rohrförmigen Stempel 154 und einen unteren rohrförmigen Stempel 156 umfaßt welche in den Bohrungen 146 und 148 der Matrize gleitend geführt und mit den nicht dargestellten oberen und unteren Platten der Presse 152 verbunden sind. In den Bohrungen 158 und 160 des oberen Stempels 154 und des unteren Stempels 156 ist ein ortsfester stangenförmiger Kern 162 angeordnet dessen zylindrische Außenfläche 164 zusammen mit den Bohrungen 146,150 und 148, dem unteren Ende 166 des oberen Stempels 154 und dem oberen Ende 168 des unteren Stempels 156 die Hohlform 142 abgrenzt Die Füllmenge aus dem pulverförmigen Grundmetall wird dann dadurch zu einem Preßköiper 140 verdichtet daß der obere Stempel 154 nach unten und der untere Stempel 156 nach oben bewegt werden, bis sie die Enden ihrer Hubstrecken nach F i g. 7 erreichen. Der so hergestellte Preßkörper 140 wird dann in einen Sinterofen bekannter Art gebracht, in dem er in einer Schutzgasatmosphäre, z. B. Wasserstoff, auf bekannte Weise während einer bestimmten Zeit und unter Anwendung der üblichen Sintertemperaturen gesintert wird. Nach dem Entnehmen des Werkstücks aus dem Sinterofen bildet das Werkstück den inneren Bestandteil 126 des in F i g. 9 gezeigten inneren Laufrings.

Der äußere Bestandteil 128 des inneren Laufrings 122 (Fig. 10) wird auf ähnliche Weise hergestellt; zu diesem Zweck wird eine ausreichende Füllmenge einer pulverisierten Metallegierung für hohe Beanspruchungen zum Herstellen eines Preßkörpers 170 in eine allgemein kegelstumpfförmige Hohlform 172 einer Preßmatrize 174 eingebracht, die allgemein der Preßmatrize 152 nach Fig.7 ähnelt diese Matrize besitzt eine zylindrische obere Bohrung 176 und eine zylindrische untere Bohrung 178, die durch eine kegelstumpfförmige Bohrung 180 verbunden sind; außerdem ist eine Ringschulter 182 vorhanden, welche die kegelstumpfförmige Bohrung 180 mit der zylindrischen Bohrung 176 verbindet. In der oberen Bohrung 176 und der unteren Bohrung 178 sind ein äußerer oberer rohrförmiger Stempel 184 bzw. ein unterer rohrförmiger Stempel 186 gleitend geführt. Ferner ist in der oberen Bohrung 188 des äußeren oberen Stempels 184 und der unteren Bohrung 190 des unteren Stempels. 186 ein innerer oberer Stempel 192 ( F i g. 8) gleitend geführt, der einen oberen zylindrischen Abschnitt 194 und einen unteren zylindrischen Abschnitt 1% umfaßt, die durch einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 198 verbunden sind. Der einen kleineren Durchmesser aufweisende zylindrische Abschnitt 1% dient als Nasenabschnitt, wenn der innere obere Stempel 192 zusammen mit dem äußeren Stempel 184 bewegt worden ist. damit die Hohlform 172 gefüllt werden kann, ohne daß Metallpulver in die im übrigen offene Bohrung 190 des unteren rohrförmigen Stempels 186 fällt.

Zum Herstellen des äußeren Bestandteils 206 wird der obere rohrförmige Stempel 184 nach oben zurückgezogen, um die Hohlform 172 zugänglich zu machen. Dann wird die Hohlform 172 mit dem Pulver aus der hochwertigen Legierung gefüllt, woraufhin der obere Stempel 184 nach unten und der untere rohrförmige Stempel 186 nach oben bewegt wird, um die Füllung aus der pulverisierten Legierung zwischen den einander zugewandten ringförmigen Stirnflächen 200 und 202 zu verdichten, so daß ein Preßkörper 170 entsteht Dann wird der rohrförmige äußere obere Stempel 184 nach oben zurückgezogen, wobei gleichzeitig der innere obere Stempel 192 nach oben bewegt wird; außerdem wird auch der untere rohrförmige Stempel 186 nach oben bewegt um den Preßkörper 17C aus der Hohlform 172 auszuwerfen. Der Preßkörper 17C wird dann in der vorstehend bezüglich des innerer Bestandteils 126 beschriebenen Weise gesintert so daC man den äußeren Bestandteil 128 erhält Der gesinterte innere Bestandteil 126 aus dem Grundmetall wird danr mit Hilfe eines Schmiedevorgangs in den gesinterter Bestandteil 128 aus der hochwertigen Legierung eingepreßt Das so hergestellte zusammengesetzte insgesamt mit 204 bezeichnete Rohteil wird dann aui seiner Außenseite in der in Fig. 10 mit gestrichelter Linien angedeuteten Weise abgeschliffen, bis das mii Vollmien dargestellte Profil erreicht ist, so daß eins ringförmige Lauf fläche 206 für die Kegelrollen .entsteht auf diese Weise erhält man aus dem Rohteil 204 der

fertigen inneren Laufring oder Konus 122.

In F i g. 11 ist der zusammengesetzte äußere Laufring 124 für das Hochleistungs-Kegelrollenlager 120 nach Fig. 12 dargestellt. Die Herstellung des äußeren Laufringes 124 erfolgt in der Weise, daß zunächst ein Rohteil hergestellt wird, der sich aus einem inneren Abschnitt 132 aus hochwertigem gesintertem Metall oder einer solchen Legierung sowie einem äußeren

Abschnitt 136 aus einem billigen gesinterten Metallpulver zusammensetzt. Das zusammengesetzte Rohteil wird anschließend vorzugsweise auf eine mäßige Temperatur zwischen etwa 425 und 745°C oder auf eine höhere Temperatur zwischen 745 und 1260⁰C erhitzt und durch Schmieden in einer Schmiedepresse in die endgültige Form des äußeren Laufringes 124 gebracht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

109546/70

Claims

Patentansprüche:

1. Hochbelastbares, aus zwei gesinterten Teilen zusammengesetztes Bauteil, gekennzeichnet durch ein erstes ringförmiges tragendes Teil aus billigem, gesintertem Metallpulver und ein zweites ringförmiges hochbelastbares Teil aus gesintertem l.egierungspulver, die beide korrespondierende kegelstumpfförmige Berührungsflächen aufweisen, zwischen denen eine Verankerung durch Teilchenverzahnung besteht.

2. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Teilchenverzahnung zwischen den Teilen durch einen Verformungsvorgang, insbesondere durch Schmieden, herbeigeführt wird.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 auf ein Bauteil, dessen hochbelastbares Teil auf seinem Umfang mit einem Zahnkranz versehen ist.

4. Anwendung nach Anspruch 3 auf ein Bauteil, dessen hochbelastbares Teil ein Kegelzahnrad ist.

5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 auf ein Bauteil, dessen hochbelastbares Teil mit einer kegelstumpfförmigen, gegebenenfalls nutenförmigen Rollenlauffläche versehen ist.