Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Randschichthärten einer Antriebskomponente mit Verzahnung, wobei die Antriebskomponente aus einem härtbaren Stahl besteht und das Randschichthärten mittels partieller Erwärmung mehrerer Bereiche der

Antriebskomponente erfolgt. Die Erfindung betrifft weiter ein Induktionswerkzeug zur Durchführung eines solchen Verfahrens und eine Antriebskomponente, herstellbar durch ein solches Verfahren. Stand der Technik

Verzahnte Antriebskomponenten aus Stahl, wie Zahnstangen, Ritzel, Zahnräder oder Lenkspindeln, werden zur Erhöhung von Verschleiss- und Dauerfestigkeit gehärtet.

Typischerweise kommen für Antriebskomponenten unlegierte oder legierte

Vergütungsstähle, Werkzeug- bzw. Wälzlagerstähle, Federstähle oder auch Einsatzstähle in Betracht. Für die Härtbarkeit ist ein Kohlenstoffgehalt von mindestens etwa 0.35 % oder mehr erforderlich, was bei Einsatzstählen auch nur lokal am zu härtenden Rand über ein vorgängiges Aufkohlen eingestellt werden kann. Dabei wird die Randschicht des Werkstücks im austenitischen Zustand des Stahls, d. h. bei hoher Temperatur, mit Kohlenstoff angereichert. Anschliessend wird das Bauteil abgeschreckt. Es ergibt sich eine martensitische Randschicht (Einsatzhärten).

Bei anderen Härtverfahren werden die Bauteile nur lokal kurzzeitig erwärmt. Durch die thermische Einwirkung und das nachfolgende Abschrecken verändert sich dabei das Gefüge des Materials im betroffenen Bereich, was zu einer grösseren Härte führt. Gegenüber dem Einsatzhärten sind bei diesen Härtverfahren der niedrige Wärmeeintrag und der daraus resultierende geringere Verzug der Bauteile (Härteverzug) von Vorteil.

Namentlich dem Randschichthärten durch partielle Erwärmung des zu bearbeitenden Materials und nachfolgendes Abschrecken kommt bei Antriebskomponenten eine hohe Bedeutung zu. Bei geeigneten Stählen bildet sich dadurch eine martensitische Oberflächenschicht mit einer gegenüber der Ausgangskonfiguration deutlich erhöhten Härte.

Zum Randschichthärten können verschiedene Verfahren zum Einsatz gelangen. So kann das Material mittels direkter Wärmeeinwirkung durch externe Wärmequellen, z. B. Gasbrenner (Flammhärten mit Autogen-Brennertechnik), mittels Laser- oder Elektronenstrahlung, konduktiv oder induktiv lokal erwärmt werden.

Beim induktiven Randschichthärten wird eine (gekühlte) Spule an das Werkstück herangeführt. Eine an die Spule angelegte Wechselspannung bewirkt im Werkstück Wirbelströme, die zu einer Erwärmung bis in eine gewisse Eindringtiefe führen. Letztere hängt insbesondere von der Frequenz der Wechselspannung ab, aber auch von weiteren Parametern wie der Oberflächenleistungsdichte, der Permeabilität des Materials, der Einwirkungszeit und der Materialgeometrie. Durch geeignete Wahl der Frequenz und die Überlagerung unterschiedlicher Frequenzbereiche kann das Ergebnis beeinflusst werden: Hohe Frequenzen führen zu seichteren Härtezonen, tiefe Frequenzen führen dagegen zu grösseren Randhärtetiefen.

Es sind verschiedene induktive Randschichthärteverfahren für Verzahnungen bekannt:

Bei der Einzelzahn-Flankenhärtung werden die Flanken der einzelnen Zähne nacheinander, in einem diskontinuierlichen Einzelschussverfahren, mittels Forminduktor gehärtet. Dieses Verfahren eignet sich für Bauteile mit grossem Modul. Es ist sicherzustellen, dass der Forminduktor in die Zahnlücken eingebracht werden kann, zudem muss der Anlasseffekt auf benachbarte Flächen möglichst beschränkt bleiben. Bei der Einzelzahn-Lückenhärtung werden die Lücken nacheinander, wiederum in einem diskontinuierlichen Einzelschussverfahren, mittels Forminduktor gehärtet. Um den Anlasseffekt zu reduzieren, ist eine intensive Kühlung der vorgängig gehärteten Flanke notwendig, um den Anlasseffekt zu reduzieren. Auch dieses Verfahren eignet sich vor allem für Bauteile mit grossem Modul.

Bei der Allzahnhärtung werden die Zähne in einem kontinuierlichen Durchlaufverfahren gehärtet. Durch den Einsatz von Mehrfrequenzgeneratoren, die Hoch- und Mittelfrequenzen überlagern, ist eine konturnahe Härtung bis unter den Zahnfuss möglich. Dieses Verfahren eignet sich vor allem für Bauteile mit kleinem Modul, denn bei grösserem Modul ergibt sich eine ungünstigere Verteilung der Wärme, bei welcher der Zahnkopf überhitzen kann, mit dem Risiko von Härterissen.

Im Anschluss an das Härten werden die Werkstücke möglichst zeitnah angelassen, indem sie (gegebenenfalls lokal) auf eine Anlasstemperatur von typischerweise 140 - 2Z0 °C für eine ausreichend lange Haltezeit erwärmt werden. Dabei wird das zunächst extrem harte Martensitgefüge der Randschicht wieder duktiler. Das Härten und Anlassen verleiht dem Bauteil eine hohe Oberflächenhärte und Festigkeit. Der Kern hingegen bleibt in einem zähen (vergüteten oder geglühten) Zustand.

Bei der Herstellung randschichtgehärteter Antriebskomponenten mit Verzahnung ist die Ausführung der Härtezone von grosser Relevanz für die Zahnfuss-Dauerfestigkeit.

Herkömmlich werden alle Zähne einer Antriebskomponente mit einem gleichartigen Härtebild ausgeführt, welches gegenüber dem jeweiligen Hauptsymmetrieelement einem für jeden Zahn einheitlichen Profil folgt. Es ergibt sich bei Rotativkomponenten (Zahnrädern / Ritzeln) ein gleiches Härtebild in Umfangsrichtung, bei Linearprodukten (Zahnstangen, Lenkspindeln) ein gleichartiges Härtebild in Längsrichtung.

Erfolgt die Randschichthärtung auch im Zahnfuss, können höhere Werte für den Parameter s _{F ilm} (Zahnfuss-Dauerfestigkeit) angesetzt werden, als bei Zähnen, an denen der Zahnfuss ungehärtet bleibt. Bleibt der Zahnfuss ungehärtet, muss bei der Dimensionierung oder im Festigkeitsnachweis mit der verminderten Biegefestigkeit des jeweiligen Ausgangsmaterials im Anlieferzustand (normalisiert, vergütet, weichgeglüht o. ä.) gerechnet werden.

Andererseits nimmt der Verzug an Antriebskomponenten umso mehr zu, je grösser der Anteil an gehärtetem Werkstückvolumen ist bzw. umso grösser die Härtezonen ausgeführt werden, da die Gefügeumwandlung beim Härten stets mit einer Volumenveränderung verbunden ist. Insbesondere an Werkstücken mit nicht symmetrisch angeordneten Härtezonen, wie z. B. bei Zahnstangen, kommt es infolge einer asymmetrischen Wärmebehandlung mit zunehmender Härtetiefe oder Härtung zusätzlicher Formelemente zu stärkerem Verzug. Damit ergeben sich grössere fertigungstechnische Aufwände in der anschliessenden Hartbearbeitung bzw. beim Richten.

Darüber hinaus nimmt auch die Richtbarkeit ab und die Rissgefahr direkt beim Härten oder beim späteren Richten zu, je grösser die relativen Anteile der Härtezone am Querschnitt sind. Die Herausforderung bei der Härtung bis in den Zahnfuss liegt daneben auch in der Masseverteilung in der Verzahnung. Während die Zahnköpfe aufgrund der geringen Masse zum Wärmestau bzw. Überhitzen neigen, ist im Zahnfuss aufgrund der grossen Masse die Wärmeeinbringung schwierig.

Herkömmliche Härtungsverfahren ermöglichen somit entweder eine hohe Festigkeit, erfordern aber einen aufwendigen nachfolgenden Richtprozess, oder sie ermöglichen nur eine reduzierte Festigkeit. Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes Verfahren zum Randschichthärten einer Antriebskomponente mit Verzahnung zu schaffen, welches eine hohe Dauerfestigkeit bei reduziertem Herstellungsaufwand ermöglicht. Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung umfasst jeder der Bereiche mindestens zwei benachbarte Zähne der Verzahnung, wobei alle Flanken der Zähne der Bereiche sowie Zahnfüsse im Innern der Bereiche durch partielle Erwärmung gehärtet werden und Zahnfüsse an den Rändern der Bereiche nicht gehärtet werden, wobei sich die Bereiche nicht überlappen.

Die Bereiche erstrecken sich jeweils von der Mitte eines Zahnfusses bis zur Mitte eines anderen Zahnfusses, wobei die Länge eines Bereichs mindestens zwei Zahnteilungen beträgt.

Es werden also jeweils mindestens zwei benachbarte Zähne gleichzeitig der Wärmebehandlung unterzogen. Die Bereiche können nacheinander bearbeitet werden, insbesondere mit demselben Werkzeug, es ist aber auch möglich, mehrere (oder alle) Bereiche gleichzeitig zu bearbeiten.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem gegebenen Bereich fortlaufend entlang der Verzahnung alle Zahnflanken sowie der Zahnfuss oder die Zahnfüsse zwischen den Zähnen gehärtet werden, während der erste Zahnfuss und der letzte Zahnfuss, jeweils an der Grenze des Bereichs, ungehärtet bleiben. Das heisst, im Innern des Bereichs erstreckt sich durchgehend von der ersten Flanke bis zur letzten Flanke eine gehärtete Zone entlang der behandelten Oberfläche der Antriebskomponente.

Mindestens im Bereich des innenliegenden Zahnfusses bzw. der innenliegenden Zahnfüsse erstreckt sich die gehärtete Zone somit unter den Zahnfuss. Bei den aussenliegenden Zahnfüssen ist keine Zahnfusshärtung gegeben. Diese Bereiche bleiben weich. Weil keine Überlappung zwischen den Bereichen besteht, werden die aussenliegenden Zahnfüsse auch in nachfolgenden Wärmebehandlungsschritten nicht gehärtet, denn sie bilden - je nach Anordnung der Bereiche - auch die Ränder anderer Bereiche oder liegen in nicht wärmebehandelten Regionen der Verzahnung.

"Gehärtet" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass in einer bestimmten Region die Wärmeeinwirkung derart erfolgt ist, dass die erwünschte Gefügeänderung (z. B. zu Martensit) zumindest an der Oberfläche (und bevorzugt bis in eine vorgegebene Tiefe) stattgefunden hat. In anderen, "nicht gehärteten" Bereichen, fehlt es an der Gefügeänderung. Es ist aber möglich, dass diese anderen Bereiche im Rahmen des Verfahrens ebenfalls einer gewissen Wärmeeinwirkung ausgesetzt werden. Aus dem erfindungsgemässen Verfahren ergibt sich somit eine besondere Ausbildung der Härtezonen, bei welcher gehärtete Segmente mit ungehärteten Abschnitten abwechseln.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann auf alle randschichthärtbaren Stähle angewendet werden. Hierbei ist es nicht relevant, ob der Stahl bereits im Ausgangszustand härtbar ist wie bei unlegierten Vergütungsstählen (C40, C45, C50, C55, C60, ...), legierten Vergütungsstählen (42CrMo4, 50CrMo4, 58CrMoV4, 38MnB5, ...), Werkzeug- / Wälzlagerstählen (10006, 100CrMo7, 100CrMnSi6-4, ...) bzw. Federstählen (510V4, 52CrMoV4) oder ob die martensitische Härtbarkeit durch ein vorgängiges Aufkohlen auf einen Kohlenstoffgehalt am Rand von mindestens 0.35 % C eingestellt wurde wie etwa bei Einsatzstählen (16MnCr5, ...).

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lässt sich also eine neuartige Antriebskomponente aus härtbarem Stahl mit einer Verzahnung fertigen, wobei die Verzahnung mehrere Bereiche mit jeweils mindestens zwei Zähnen umfasst, wobei alle Flanken der Zähne der Bereiche sowie Zahnfüsse im Innern der Bereiche gehärtet sind und Zahnfüsse an den Rändern der Bereiche nicht gehärtet sind, wobei sich die Bereiche nicht überlappen.

In dieser Weise lassen sich sowohl rotationssymmetrische Antriebskomponenten wie Ritzel oder Zahnräder als auch Linear-Antriebskomponenten wie z. B. Zahnstangen oder deren Derivate (z. B. Lenkspindeln) hersteilen. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lässt sich eine verzahnte Antriebskomponente hersteilen, welche aufgrund der unter Zahnfuss gehärteten Zähne bei gegebener Dimensionierung und geforderter Dauerfestigkeit höhere Vorschubkräfte ermöglicht als nicht unter Zahnfuss gehärtete Komponenten. Aufgrund der verbleibenden weichen Zahnfüsse ist der Verzug des Werkstücks für die Antriebskomponente dennoch stark reduziert, so dass sich ein nachfolgendes Richten erübrigt oder mit deutlich verringertem Aufwand möglich wird. Aufgrund des simultanen Härtens mehrerer Zähne ergibt sich zudem gegenüber den bekannten Verfahren der Einzelzahnhärtung ein wirtschaftlicher Vorteil aufgrund einer verkürzten Prozesszeit. Weil keine überlappende Wärmebehandlung stattfindet, stellen sich zudem die diesbezüglichen Probleme nicht - namentlich findet kein unerwünschtes Anlassen statt, wie in bekannten Verfahren, wo es sich nicht vermeiden lässt, dass gewisse Bereiche zweimal der Härtebehandlung unterworfen werden. Mit Vorteil handelt es sich bei der Antriebskomponente um eine Zahnstange, wobei ein Modul der Zahnstange insbesondere mindestens 4 beträgt. Gemäss gängiger Definition entspricht der Modul der Teilung der Zahnstange (in mm) geteilt durch die Kreiszahl p.

Da bei Zahnstangen die Härtezonen in der Regel nur auf einer Seite des Werkstückes angeordnet sind und in der Regel keine Ausgleichshärtung erfolgt, kommt hier der erwähnte Vorteil des geringeren Verzugs und der besseren Richtbarkeit besonders zum Tragen. Bei Zahnstangen mit vergleichsweise grossem Modul wurde bisher primär die Einzelzahnhärtung eingesetzt, so dass hier auch die Verkürzung der Prozesszeit von Vorteil ist.

Bevorzugt ist die Verzahnung eine Schrägverzahnung. Die Schrägverzahnung hat eine grössere Überdeckung in Längsrichtung der Zahnstange zur Folge, so dass gleichzeitig mehrere Zähne im Eingriff sind, wodurch die weichen Zahnfüsse überdeckt werden können, insbesondere dann, wenn auf einen weichen (ungehärteten) Zahnfuss stets beidseitig ein gehärteter Zahnfuss folgt.

Bei Zahnstangen mit Schrägverzahnung fällt somit die etwas geringere mechanische Stabilität verglichen mit durchgehend gehärteten Zahnstangen weniger ins Gewicht als bei Zahnstangen mit Geradverzahnung.

Auch andere Zahnstangen (mit kleinerem Modul und/oder mit Geradverzahnung) sowie rotative Antriebskomponenten lassen sich in der erfindungsgemässen Weise fertigen, wobei auch dort Vorteile bestehen, z. B. in Bezug auf die Prozesszeit, die Dauerfestigkeit verglichen mit nicht unter Zahnfuss gehärteten Bauteilen und das Fehlen von Überlappungen beim Härten.

Mit Vorteil kommen Enden der Zahnstange in gehärteten Zahnfüssen zu liegen. Diese Enden sind mechanisch oft besonders beansprucht, so dass eine Härtung unter Zahnfuss dort von Vorteil ist. Derartige Zahnstangen lassen sich insbesondere durch passendes Ablängen in gehärteten Zahnfüssen hersteilen.

Mit Vorteil werden die Bereiche so gewählt, dass alle Zähne der Verzahnung zu genau einem der Bereiche gehören. Dies hat zur Folge, dass bei der Antriebskomponente sämtliche Flanken (zumindest in deren Verschleissbereich) gehärtet sind, aber nicht alle Zahnfüsse. Auf einen weichen Zahnfuss folgt zudem beidseitig je ein gehärteter Zahnfuss.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen alle Bereiche dieselbe Ausdehnung auf. Es ergeben sich daraus eine gleichmässige Abfolge der gehärteten und ungehärteten Zahnfüsse und damit im Wesentlichen gleichmässige mechanische Eigenschaften entlang der Antriebskomponente. Die Fierstellung kann zudem grundsätzlich mit einem einzigen Werkzeug erfolgen, mit welchem gleichzeitig die Zähne eines Bereichs und die dazwischenliegenden Zahnfüsse (bzw. der dazwischenliegende Zahnfuss) bearbeitet werden können.

Es lassen sich alternativ auch Antriebskomponenten hersteilen, bei welchen nicht alle Zähne gehärtet und/oder Bereiche unterschiedlicher Ausdehnungen vorhanden sind. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn an verschiedene Regionen der Antriebskomponente unterschiedliche mechanische Anforderungen gestellt werden.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemässe Fierstellung beispielsweise bei einer schrägverzahnten Zahnstange mit einem Modul von 4 oder mehr, wobei die Bereiche 2 oder 3 benachbarte Zähne umfassen und wobei alle Zähne randschichtgehärtet sind.

Bevorzugt erfolgt die partielle Erwärmung induktiv. Dadurch lässt sich die Werkstückoberfläche im Verzahnungsbereich präzise bearbeiten, und es lassen sich hohe Flärtewerte erreichen. Für das induktive Erwärmen werden insbesondere Frequenzen im Bereich 10 - 400 kHz eingesetzt, wobei es sinnvoll sein kann, mehrere Frequenzen unterschiedlicher Frequenzbereiche zu überlagern, um eine gewünschte Wärmeverteilung zu erhalten, die den Masseverhältnissen im Zahnkopf, im Bereich der Zahnflanke und im Zahnfuss angepasst ist. Dafür sind Generatoren verfügbar, welche zeitlich versetzt oder sogar gleichzeitig Floch- und Mittelfrequenzanteile für die induktive Erwärmung überlagern, vgl. z. B. Fl. Gießmann, "Wärmebehandlung von Verzahnungsteilen", 3. Auflage, expert verlag, 2019, S. 142ff. Entsprechende Systeme werden z. B. von den Anbietern EFD Induction GmbH, Freiburg im Breisgau, Deutschland ("Mehrfrequenzkonzept / MFC") oder eldec Schwenk Induction GmbH, Dornstetten, Deutschland ("SDF - Simultaneous Dual Frequency") angeboten.

Als Werkzeuge für das Induktivhärten kommen an die zu härtende Kontur angepasste Induktoren zum Einsatz.

Bevorzugt werden die Bereiche zeitlich hintereinander durch partielle Erwärmung gehärtet, also in einem diskontinuierlichen Prozess. Ein einzelner Bereich oder eine Gruppe von Bereichen wird erwärmt und nachfolgend abgeschreckt. Daraufhin folgt der nächste Bereich oder die nächste Gruppe. Auf diese Art und Weise kann die Bearbeitung mit kompakten Werkzeugen erfolgen, und dieselben Werkzeuge können beispielsweise für die Bearbeitung von Zahnstangen unterschiedlicher Länge (aber mit gleichem Modul und gleicher Zahngeometrie) zum Einsatz kommen.

Alternativ werden Werkzeuge eingesetzt, mit welchen das gesamte Werkstück in einem Schritt erwärmt und anschliessend abgeschreckt werden kann. Es sind auch kontinuierlich ablaufende Prozesse denkbar, welche derart ablaufen, dass die Bereiche erfindungsgemäss bearbeitet werden.

Vorzugweise umfasst das Induktionswerkzeug mindestens drei Induktorbereiche zum gleichzeitigen Härten mindestens zweier Zähne einer Verzahnung, wobei die Induktorbereiche an den Rändern des Induktionswerkzeugs je zum Härten einer Flanke eines Zahns der Verzahnung ausgebildet sind und der Induktorbereich oder die Induktorbereiche im Innern des Induktionswerkzeugs je zum Härten zweier Flanken und eines dazwischenliegenden Zahnfusses ausgebildet sind.

An den innerhalb eines Bereichs gehärteten Zähnen koppelt das Induktionswerkzeug also von der Zahnflanke bis einschliesslich zum Zahnfuss an. Am Anfang und Ende des Bereichs erfolgt die Ausführung des Induktionswerkzeugs dagegen so, dass nur die Verschleissbereiche auf der Flanke erwärmt und gehärtet werden. Im Fussbereich erfolgt hier keine Ankopplung bzw. kein Wärmeeintrag, so dass die Fussbereiche im Zahnfuss hier weich bleiben. Zudem werden die Wärmebeeinflussung und damit ein möglicher Anlasseffekt möglichst minimiert.

Entsprechend weist ein solches Induktionswerkzeug bei einer Bereichslänge von N Zähnen jeweils N+1 Induktorbereiche auf.

Der Koppelabstand bezeichnet die Distanz des tiefsten Punkts der Induktionsschleife bezogen auf den höchsten Punkt der Werkstückoberfläche, gemessen in einer radialen Richtung bei rotationssymmetrischen Antriebskomponenten bzw. in einer Richtung senkrecht zur Längsachse in der Längsmittelebene bei Linear-Antriebskomponenten, in Betriebsstellung des Induktionswerkzeugs.

Durch die unterschiedliche Dimensionierung und Formgebung koppelt das Induktionswerkzeug an den innerhalb eines Bereichs gehärteten Zähnen von der Zahnflanke bis einschliesslich zum Zahnfuss an. Am Anfang und Ende des Bereichs werden hingegen nur die Verschleissbereiche auf der Flanke erwärmt und letztlich gehärtet. Das Induktionswerkzeug ist hier in Bezug auf die Werkstückoberfläche zurückgenommen, so dass sich ein vergrösserter Koppelabstand und damit keine oder nur eine geringe Ankopplung und Wärmeeintrag ergeben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die mindestens drei Induktorbereiche durch eine einzelne Induktorschleife bereitgestellt, wobei die Induktorbereiche durch gebogene Verbindungsabschnitte miteinander verbunden sind. Letztere verlaufen seitlich des Werkstücks und haben somit im Betrieb keine Einwirkung auf das Werkstück, weil in diesen Abschnitten keine Ankopplung erfolgt.

Derartige Induktionswerkzeuge können mittels additiver Fertigungsverfahren hergestellt werden. Von der Firma GH Induction Deutschland, Hirschhorn (Neckar), Deutschland ist ein Verfahren zur Herstellung eines Induktors im Feingussverfahren über eine Wachsform bekannt, bei der die eigentliche Induktorschleife in einem Feingussverfahren aus Silber bzw. einer Silberlegierung hergestellt wird (sog. "Mikrofusionsinduktor"). Das additive Fertigungsverfahren dient hier zur Herstellung einer Form, um den Feingussprozess zu ermöglichen. Darüber hinaus ist ein weiteres Verfahren derselben Firma bekannt, um Induktoren aus Kupfer mittels des "Electron Beam Melting"-Verfahrens (EBM) additiv herzustellen (sog. "3DPCoil").

Das Induktionswerkzeug ist über einen Anschluss in der Induktivhärteanlage mit einem Kühlkreislauf verbunden, zum Schutz vor einer Überhitzung des Werkzeugs im Betrieb. Die Induktorschleife kann beispielsweise mit üblichen Wandstärken von ca. 0.6 - 1.2 mm ausgeführt werden, der Kühlquerschnitt ist so dimensioniert, dass bei gegebener Leitungslänge die Kühlfunktion gewährleistet ist.

Am Induktionswerkzeug werden bevorzugt Feldverstärker (sogenannte Konzentratoren) angebracht, um die Wärmeeinbringung gezielt von den Köpfen der Verzahnung abzuleiten und eher auf den Fussbereich zu lenken. Damit wird ein optimiertes Härtebild bzw. ein optimierter Induktorwirkungsgrad erzielt. Die Konzentratoren sind - wie im Induktorbau üblich - aus Verbundwerkstoffen aus Weicheisenpartikeln bzw. Füllstoffen in Verbindung mit einer Polymerwerkstoff-Bindephase gefertigt. Entsprechende Halbzeuge werden beispielsweise von der Firma Fluxtrol, Auburn Hills, Ml, USA unter den Handelsnamen "Ferrotron" bzw. "Fluxtrol" vertrieben. Alternativ ist auch die Bestückung mit einer Paketierung aus Transformator- / Reineisenblechen möglich.

Bevorzugt umfasst das Induktionswerkzeug eine Beikühlvorrichtung ("Beikühlbrause") zum Kühlen eines dem bearbeiteten Bereich benachbarten Zahns der Verzahnung während der Einwirkung des Induktionswerkzeugs.

Je nach Verfahrensablauf kann eine solche Beikühlvorrichtung dem Induktionswerkzeug in Längsrichtung des Werkstücks vor- und/oder nachgeordnet sein.

Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen: Fig. 1 A-C Schematische Darstellungen der gehärteten Randschichten bei drei

Ausführungsformen einer mit einem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Zahnstange;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäss hergestellte Zahnstange;

Fig. 3 ein Schrägbild eines erfindungsgemässen Induktionswerkzeugs;

Fig. 4 eine Draufsicht auf das erfindungsgemässe Induktionswerkzeug; Fig. 5 einen Querschnitt durch das Induktionswerkzeug, in der Ebene A-A;

Fig. 6 ein Schrägbild des Zusammenwirkens des erfindungsgemässen Induktionswerkzeugs mit Beikühlbrause auf ein zu bearbeitendes Zahnstangen-Werkstück;

Fig. 7 eine Draufsicht auf das Induktionswerkzeug und das Werkstück; und

Fig. 8 einen Querschnitt durch das Induktionswerkzeug und das Werkstück, in der Ebene B-B der Fig. 7. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Figuren 1 A-C sind schematische Darstellungen der gehärteten Randschichten bei drei Ausführungsformen einer mit einem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Zahnstange. Die erste Ausführungsform der Zahnstange 1 gemäss Figur 1 A umfasst eine Verzahnung 10, welche sich über die gesamte Länge der Zahnstange 1 erstreckt und mehrere gleichmässig geformte und verteilte Zähne 1 1 umfasst. Zwischen zwei benachbarten Zähnen 1 1 ist jeweils ein Zahnfuss 13 ausgebildet. Die Zähne sind schematisch mit trapezförmigem Querschnitt dargestellt. Jeder Zahn 1 1 umfasst einen Zahnkopf 12a und seitliche Flanken 12b, 12c. Die Verzahnung 10 ist in mehrere Bereiche 14 (Härtesegmente) aufgeteilt, wobei jeder der Bereiche 1 zwei benachbarte Zähne 1 1.1, 1 1.2 umfasst und wobei benachbarte Bereiche stets unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet sind, d. h. jeder der Zähne 1 1 gehört zu einem der Bereiche 14.

Jeder Bereich 14 umfasst eine gehärtete Randschicht 16 bzw. Härtezone, welche sich ausgehend von einer ersten Flanke 12.1 b des ersten Zahns 1 1.1 über dessen Zahnkopf 12.1a, die zweite Flanke 12.1c, den Zahnfuss 13.1, die erste Flanke 12.2b des zweiten Zahns 1 1.2, dessen Zahnkopf 12.2a bis in dessen zweite Flanke 12.2c erstreckt. Die Zone umfasst jeweils den gesamten Verschleissabschnitt der ersten Flanke 12.1 b des ersten Zahns 1 1.1 und der zweiten Flanke 12.2c des zweiten Zahns 1 1.2. Die beidseitig an den Bereich 14 angrenzenden Zahnfüsse 13.0, 13.2 weisen keine gehärtete Randschicht auf.

Die gehärtete Randschicht 16 erstreckt sich ausgehend von der Zahnstangenoberfläche bis in eine bestimmte Tiefe. Unterhalb einer entsprechenden Grenzfläche 15 (im Querschnitt als Linie sichtbar) erstreckt sich ein ungehärteter Zahnkernbereich 17 der Zahnstange 1. Die Grenzfläche 15 ist in jedem Bereich 14 durchgängig ausgebildet. Bei der ersten Ausführungsform gemäss Figur 1 A erstreckt sie sich im Bereich der bereichsinneren Zahnfüsse 13 in einen Bereich unterhalb Zahnfuss, im Bereich der Zähne verläuft sie aber nicht durchgehend unterhalb Zahnfuss.

Die zweite Ausführungsform der Zahnstange 2 gemäss Figur 1 B umfasst eine Verzahnung 20, welche sich über die gesamte Länge der Zahnstange 2 erstreckt und mehrere gleichmässig geformte und verteilte Zähne 21 umfasst. Zwischen zwei benachbarten Zähnen 21 ist jeweils ein Zahnfuss 23 ausgebildet. Die Zähne sind schematisch mit trapezförmigem Querschnitt dargestellt. Jeder Zahn 21 umfasst einen Zahnkopf 22a und seitliche Flanken 22b, 22c.

Die Verzahnung 20 ist in mehrere Bereiche 24 aufgeteilt, wobei jeder der Bereiche 24 drei benachbarte Zähne 21.1, 21.2, 21.3 umfasst und wobei benachbarte Bereiche stets unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet sind, d. h. jeder der Zähne 21 gehört zu einem der Bereiche 24. Jeder Bereich 24 umfasst eine gehärtete Randschicht 26 bzw. Härtezone, welche sich ausgehend von einer ersten Flanke 22.1 b des ersten Zahns 21.1 über dessen Zahnkopf 22.1a, die zweite Flanke 22.1c, den ersten Zahnfuss 23.1, die erste Flanke 22.2b des zweiten Zahns 21.2, dessen Zahnkopf 22.2a, dessen zweite Flanke 22.2c, den zweiten Zahnfuss 23.2, die erste Flanke 22.3b des dritten Zahns 21.3, dessen Zahnkopf 22.3a bis in dessen zweite Flanke 22.3c erstreckt. Die Zone umfasst jeweils den gesamten Verschleissabschnitt der ersten Flanke 22.1 b des ersten Zahns 21.1 und der zweiten Flanke 22.3c des dritten Zahns 21.3. Die beidseitig an den Bereich 24 angrenzenden Zahnfüsse 23.0, 23.3 weisen keine gehärtete Randschicht auf. Die gehärtete Randschicht 26 erstreckt sich ausgehend von der Zahnstangenoberfläche bis in eine bestimmte Tiefe. Unterhalb einer entsprechenden Grenzfläche 25 (im Querschnitt als Linie sichtbar) erstreckt sich ein ungehärteter Zahnkernbereich 27 der Zahnstange 2. Die Grenzfläche 25 ist in jedem Bereich 24 durchgängig ausgebildet. Bei der zweiten Ausführungsform gemäss Figur 1 B erstreckt sie sich im Bereich der bereichsinneren Zahnfüsse 23 in einen Bereich unterhalb Zahnfuss, im Bereich der Zähne verläuft sie aber nicht durchgehend unterhalb Zahnfuss.

Die dritte Ausführungsform der Zahnstange 3 gemäss Figur 1C umfasst eine Verzahnung 30, welche sich über die gesamte Länge der Zahnstange 3 erstreckt und mehrere gleichmässig geformte und verteilte Zähne 31 umfasst. Zwischen zwei benachbarten Zähnen 31 ist jeweils ein Zahnfuss 33 ausgebildet. Die Zähne sind schematisch mit trapezförmigem Querschnitt dargestellt. Jeder Zahn 31 umfasst einen Zahnkopf 32a und seitliche Flanken 32b, 32c.

Die Verzahnung 30 ist in mehrere Bereiche 34 aufgeteilt, wobei jeder der Bereiche 34 drei benachbarte Zähne 31.1, 31.2, 31.3 umfasst und wobei benachbarte Bereiche stets unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet sind, d. h. jeder der Zähne 31 gehört zu einem der Bereiche 34.

Jeder Bereich 34 umfasst eine gehärtete Randschicht 36 bzw. Härtezone, welche sich ausgehend von einer ersten Flanke 32.1 b des ersten Zahns 31.1 über dessen Zahnkopf 32.1a, die zweite Flanke 32.1c, den ersten Zahnfuss 33.1, die erste Flanke 32.2b des zweiten Zahns 31.2, dessen Zahnkopf 32.2a, dessen zweite Flanke 32.2c, den zweiten Zahnfuss 33.2, die erste Flanke 32.3b des dritten Zahns 31.3, dessen Zahnkopf 32.3a bis in dessen zweite Flanke 32.3c erstreckt. Die Zone umfasst jeweils den gesamten Verschleissabschnitt der ersten Flanke 32.1 b des ersten Zahns 31.1 und der zweiten Flanke 32.3c des dritten Zahns 31.3. Die beidseitig an den Bereich 34 angrenzenden Zahnfüsse 33.0, 33.3 weisen keine gehärtete Randschicht auf.

Die gehärtete Randschicht 36 erstreckt sich ausgehend von der Zahnstangenoberfläche bis in eine bestimmte Tiefe. Unterhalb einer entsprechenden Grenzfläche 35 (im Querschnitt als Linie sichtbar) erstreckt sich ein ungehärteter Zahnkernbereich 3Z der Zahnstange 3. Die Grenzfläche 35 verläuft bei der Zahnstange 3 gemäss der dritten Ausführungsform ausser an den Rändern des Bereichs 34 unterhalb Zahnfuss. Somit sind die äusseren Zähne 31.1, 31.3 fast vollständig und der mittlere Zahn 31.2 ganz durchgehärtet.

Die Figur 2 ist eine schematische Querschnittsansicht durch die erfindungsgemäss hergestellte Zahnstange gemäss der ersten Ausführungsform. Dargestellt sind die zwei Zähne 1 1.1, 1 1.2 eines Bereichs 14. Wiederum sind die gehärtete Randschicht 16 bzw. Flärtezone, der ungehärtete Zahnkernbereich 1 Z und die Grenzfläche 15 dargestellt. An fünf verschiedenartigen Prüfstellen p1...p5 werden jeweils folgende Anforderungen eingehalten:

Die Bestimmung der Oberflächenhärte nach Vickers erfolgt dabei gemäss DIN EN ISO 6507:2018. Die Bestimmung der Randhärtetiefe erfolgt gemäss DIN EN 10328:2005-04. Die angegebenen Werte für die Oberflächenhärte und die Randhärtetiefe beziehen sich auf den Zustand nach dem Anlassen. Der dargestellte Verlauf der Grenzfläche 15 entspricht den angegebenen Härtetiefen, bei welchen die angegebene Minimalhärte erreicht wird. Eine Untersuchung des Materials ergibt, dass zumindest oberhalb der Grenzfläche 15 das Material als feinnadeliger bis nadeliger Martensit im Bereich der Prüfstellen p1-p3 vorliegt und frei von Rissen ist.

Die Figur 3 ist ein Schrägbild eines erfindungsgemässen Induktionswerkzeugs, die Figur 4 zeigt eine Draufsicht, die Figur 5 einen Querschnitt in der Ebene A-A.

Das Induktionswerkzeug 100 weist eine bei Verwendung des Induktionswerkzeugs 100 einer Antriebskomponente zugewandte erste Seite S 1 sowie eine von der Antriebskomponente abgewandte zweite Seite S2 auf. Das Induktionswerkzeug 100 umfasst eine Induktorschleife 1 10 und drei Konzentratoren 131, 132, 133, welche auf der Induktorschleife 1 10 angeordnet sind. Die Induktorschleife 1 10 umfasst drei parallel und beabstandet zueinander angeordnete gerade Abschnitte 1 1 1, 1 13, 1 15, wobei der erste Abschnitt 1 1 1 mit dem zweiten Abschnitt 1 13 und dieser wiederum mit dem dritten Abschnitt 1 15 über U-förmige Verbindungsabschnitte 1 12, 1 14 verbunden sind. In der Induktorschleife 1 10 verläuft ein Kühlkanal 120. Dieser weist an seinem Anfang und seinem Ende je einen Anschluss (nicht gezeigt) zum Ein- bzw. Ausleiten einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit zur Kühlung des Induktors auf.

Im ersten geraden Abschnitt 1 1 1 und im dritten geraden Abschnitt 1 15 weist die Induktorschleife 1 10 denselben Querschnitt auf, wobei die Form des Querschnitts im dritten geraden Abschnitt 1 15 zur Form des Querschnitts des ersten geraden Abschnitts 1 1 1 spiegelsymmetrisch ist. Die Form des Querschnitts der Induktorschleife 1 10 im ersten geraden Abschnitt 1 1 1 und im dritten geraden Abschnitt 1 15 ergibt sich aus einer Kombination eines Rechtecks mit einem rechtwinkligen Trapez. Der trapezförmige Teil der Form befindet sich in Richtung der zweiten Seite S2 des Induktionswerkzeugs, während der rechteckförmige Teil sich in Richtung der ersten Seite S1 befindet. Die nicht im rechten Winkel stehende Seite des trapezförmigen Teils der Form ist jeweils dem zweiten geraden Abschnitt 13 zugewandt, wobei die Breite des trapezförmigen Teils der Form gegen die zweite Seite S2 des Induktionswerkzeugs 100 hin abnimmt.

Der Querschnitt der Induktorschleife 1 10 im zweiten geraden Abschnitt 1 13 ist grösser als derjenige im ersten geraden Abschnitt 1 1 1 und im dritten geraden Abschnitt 1 15. Die Form des Querschnitts im zweiten geraden Abschnitt 1 13 unterscheidet sich ebenfalls und ist eine Kombination aus einem Rechteck und einem gleichschenkligen Trapez. Der trapezförmige Teil der Form befindet sich in Richtung der ersten Seite S 1 des Induktionswerkzeugs 100, während sich der rechteckförmige Teil in Richtung der zweiten Seite S2 befindet.

Der trapezförmige Teil der Form des Querschnitts des zweiten Abschnitts 1 13 ragt hierbei weiter in Richtung der ersten Seite S1 als der rechteckige Teil der Form des Querschnitts des ersten und dritten geraden Abschnitts 1 1 1, 1 15. Das heisst, dass die Induktorschleife 1 10 im zweiten geraden Abschnitt 1 13 näher an der Antriebskomponente liegt als im ersten und dritten geraden Abschnitt 1 1 1, 1 15. Vorzugsweise liegt die Induktorschleife 1 10 im zweiten geraden Abschnitt 1 13 5.5mm näher an der Antriebskomponente als im ersten und im dritten geraden Abschnitt 1 1 1, 1 15.

In den Verbindungsabschnitten 1 12, 1 14 gehen die Querschnitte der geraden Abschnitte 1 1 1, 1 13, 1 15 jeweils stufenlos ineinander über.

Die Konzentratoren 131, 132, 133 sind den geraden Abschnitten 1 1 1, 1 13, 1 15 der Induktorschleife 1 10 zugeordnet und dort auf der Induktorschleife 1 10 gelagert und befestigt. Die Konzentratoren 131, 133 im ersten und im dritten geraden Abschnitt 1 1 1, 1 15 umfassen die Induktorschleife 1 10 im Wesentlichen U-förmig jeweils auf deren nicht dem zweiten geraden Abschnitt 1 13 zugewandten Seitenflächen. Die dem zweiten geraden Abschnitt 1 13 zugwandten Seitenflächen der Induktorschleife 1 10 im ersten und im dritten geraden Abschnitt 1 1 1, 1 15 liegen frei vor. In Richtung der ersten Seite S1 des Induktionswerkzeugs 100 weisen die Konzentratoren 131, 133 des ersten und des dritten geraden Abschnitts 1 1 1, 1 15 abgewinkelte Teilflächen auf, welche der Geometrie der Flanken der Zähne der Antriebskomponente angepasst sind (vgl. Fig. 8). Der Konzentrator 132 des zweiten geraden Abschnitts 1 13 weist im Querschnitt eine ähnliche Form wie der Querschnitt der Induktorschleife 1 10 in diesem zweiten Abschnitt 1 13 auf, das heisst eine Kombination eines Rechtecks mit einem gleichschenkligen Trapez. Der Konzentrator 132 umfasst die Induktorschleife 1 10 im zweiten geraden Abschnitt 1 14, auf dessen der zweiten Seite S2 des Induktionswerkzeugs 1 10 zugewandten Seite. Dabei umfasst der Konzentrator 132 nur einen Teilbereich des rechteckigen Teils der Form des Querschnitts der Induktorschleife 1 10 im zweiten Abschnitt 1 13. Das heisst, dass der trapezförmige Teil sowie ein weiterer Teilbereich des rechteckigen Teils der Form des Querschnitts der Induktorschleife 1 10 im zweiten Abschnitt 1 13 frei vorliegen. Der Konzentrator 132 des zweiten geraden Abschnitts 1 13 ragt weniger weit in Richtung der zweiten Seite S2 des Induktionswerkzeugs 100 als die Konzentratoren 131, 133 des ersten und des dritten Abschnitts 1 1 1, 1 15.

Die Figur 6 ist ein Schrägbild, das das Zusammenwirken des erfindungsgemässen Induktionswerkzeugs mit Beikühlbrause mit einem zu bearbeitenden Werkstück für eine gerade verzahnte Zahnstange illustriert. Die Figur 7 zeigt eine Draufsicht bei einer schrägverzahnten Zahnstange und die Figur 8 einen Querschnitt durch das Induktionswerkzeug und das Werkstück, in der Ebene B-B der Fig. 7.

Die Beikühlbrause 150 ist seitlich auf einer Seite der Induktorschleife 1 10 am Induktionswerkzeug 100 angeordnet. Die Beikühlbrause 150 umfasst vier Kühldüsen 151, 152, 153, 154, die in einer Linie angeordnet sind, wobei die Linie parallel zu den drei zueinander parallelen geraden Abschnitten 1 1 1, 1 13, 1 15 der Induktorschleife 1 10 verläuft. Die Auslasse der vier Kühldüsen 151, 152, 153, 154 sind wiederum parallel zueinander schräg nach unten gerichtet.

Im Betrieb wird das Induktionswerkzeug 100 auf die Zahnstange 1 zugestellt und bezüglich der drei Raumachsen in einen definierten Kopplungsabstand zur Zahnstange 1 gebracht. Dabei dringen die drei geraden Abschnitte 1 1 1, 1 13, 1 15 in aufeinanderfolgende Zahnlücken ein. So steht der erste gerade Abschnitt 1 1 1 dem dritten Zahnfuss 13.2, der zweite gerade Abschnitt 1 13 dem zweiten Zahnfuss 13.1 und der dritte gerade Abschnitt 1 15 dem ersten Zahnfuss 13.0 gegenüber. Die Beikühlbrause 150 dringt in die wiederum vorangehende Zahnlücke ein und wirkt auf die Flanke des vorangehenden Zahns 1 1.0, der bereits bei einem vorangegangenen Bearbeitungsschritt randschichtgehärtet wurde. Durch die Beikühlung wird ein unerwünschtes Anlassen des zuvor gehärteten Bereiches verhindert.

Wie in der Figur 8 gut ersichtlich ist, ist der Kopplungsabstand zum zweiten Zahnfuss 13.1 in der mittleren Zahnlücke aufgrund des grösseren Querschnitts und dadurch der grösseren Eindringtiefe des zweiten geraden Abschnitts 1 13 geringer als zum ersten bzw. dritten Zahnfuss 13.0, 13.2 in den äusseren Lücken. Die aussen liegenden ersten und dritten geraden Abschnitte 1 1 1, 1 15 sind zudem in Längsrichtung der Zahnstange 1 nicht symmetrisch in den entsprechenden Zahnlücken angeordnet, sondern so, dass sie der Flanke des jeweils inneren Zahns 1 1.1, 1 1.2 näher sind als der gegenüberliegenden Flanke der nicht bearbeiteten Zähne. Der in der Mitte liegende zweite gerade Abschnitt 1 13 ist symmetrisch in der mittleren Zahnlücke zwischen den Zähnen 1 1.1, 1 1.2 positioniert.

Die Geometrie der Induktorschlaufe 1 10 und der Konzentratoren 131, 132, 133 ist der Geometrie der Schrägverzahnung spezifisch angepasst, um die gewünschte Einkopplung der Energie in die Werkstückoberfläche zu erreichen.

Zum klärten der Zahnstange 1 wird das Induktionswerkzeug 100 nacheinander mit der Verzahnung 10 der Zahnstange 1 in der in den Figuren 6-8 gezeigten Weise in Eingriff gebracht, wobei die Position nach jedem Schritt um zwei Zähne verschoben wird. Wenn das Induktionswerkzeug 100 mit der Induktorschleife 1 10 mit der Zahnstange 1 im Eingriff ist, wird in an sich bekannter Weise die Induktorschleife 1 10 mit einer Überlagerung von mittel- und hochfrequenter Wechselspannung beaufschlagt. Die Wahl der Frequenzen, Amplituden und Einwirkdauer hängt von der Geometrie der Zahnstange und des Induktionswerkzeugs sowie vom Material des Werkstücks ab und erfolgt in an sich bekannter Weise. Dadurch wird die Zahnstange 1 an den gewünschten Stellen erwärmt. Weil es sich nicht vermeiden lässt, dass auch die bereits vorher gehärtete Region (insbesondere durch Wärmeleitung im Werkstück) eine gewisse Erwärmung erfährt, wird der betroffene Bereich mit Hilfe der Beikühlbrause 150 gekühlt, um zu verhindern dass dieser aufgrund der Wärmeeinwirkung wieder angelassen wird. Nach erfolgter Erwärmung, welche ca. 0.5 - 2.5 s in Anspruch nimmt, wird das Induktionswerkzeug 100 von der Zahnstange 1 weggefahren und die erwärmte Region mit Hilfe einer Kastenbrause (nicht dargestellt) abgeschreckt (während ca. 1 - 6 s). Dazu wird in an sich bekannter Weise eine wasserbasierte Lösung bzw. ein wasserbasiertes Gemisch mit Zusätzen von polymeren Abschreckkonzentraten eingesetzt. Nach diesen Schritten ist der Bereich randschichtgehärtet.

Das Induktionswerkzeug 100 wird nun um zwei Zahnteilungen vorgeschoben, wonach ein erneuter Härtvorgang für die nächsten zwei Zähne erfolgen kann. Dieses Vorgehen wird wiederholt, bis die gesamte Verzahnung 10 gehärtet worden ist. Um optimale Festigkeitseigenschaften zu erhalten, wird die Zahnstange 1 schliesslich im Bereich gehärteter Zahnfüsse abgelängt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So lassen sich wie erwähnt nebst Zahnstangen unterschiedlicher Geometrie auch andere Antriebskomponenten entsprechend bearbeiten und ausbilden, darunter auch Rotativkomponenten wie Ritzel oder Zahnräder.

Grundsätzlich können auch andere Härteverfahren zum Einsatz kommen wie z. B. das Laser- oder Elektronenstrahlhärten.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erfindung ein Verfahren zum Randschichthärten einer Antriebskomponente mit Verzahnung schafft, welches eine hohe Dauerfestigkeit bei reduziertem Herstellungsaufwand ermöglicht.