Verzugsentstehung bei Scheiben aus 20MnCr5 – Einfluss von Umformung und Gefügestruktur Translated title: Distortion formation in forged disks made of 20MnCr5 – Influence of hot-forming and material structure

Kurzfassung

Für die Zahnradfertigung werden zunächst aus warmgewalzten Stangenabschnitten Scheiben geschmiedet. Die Scheiben aus 20MnCr5 (AISI 5120) werden anschließend auf Maß gedreht und auf einer Wälzfräsmaschine verzahnt. Nach dem Einsatzhärten wird mit dem Verzahnungsschleifen die genaue Geometrie der Zähne hergestellt. Enge Toleranzen von wenigen Mikrometern sind für die Erfüllung der Verzahnungsqualitäten von Hochleistungsgetrieben sowie für stabile Fertigungsprozesse einzuhalten.

Experimentelle Analysen zeigen, dass der Stofffluss in scheibenförmigen Zahnradrohlingen signifikant variieren kann. Zusätzlich zeigten detaillierte WDX-Messungen eine Makroseigerung am Querschnitt der zylindrischen Stangenabschnitte, aus denen die analysierten Scheiben hergestellt wurden. Beides ist für die Zahnradherstellung von Bedeutung, da eine Korrelation zwischen dem Scheibenverzug nach dem Einsatzhärten der Scheiben und dem jeweils im Zahnrad ausgebildeten Stofffluss für diesen Stahl gefunden wurde. Neben den experimentellen Analysen wurden FE-Analysen zum Einfluss von Prozessparametern und Prozessstörungen auf den Scheibenverzug durchgeführt. Als ein wesentlicher Faktor für den Scheibenverzug wurde ein Temperaturgradient über der Höhe der Zylinderabschnitte identifiziert, der über den Stofffluss auf das Verzugsverhalten der Scheiben nach dem Einsatzhärten zum Tragen kommt.

Abstract

For the gear wheel manufacture disks are forged made of the steel 20MnCr5 (AISI 5120). In the following steps the disks are turned and the teeth cut on a cogging machine before case-hardening and grinding of the teeth takes place. To assure the quality requirements of these high performance parts as well as stable manufacturing processes, narrow tolerances are necessary.

Experimental analyses show, that the material flow in disk-like gear wheel blanks can vary significantly. Additionally detailed WDX measurements revealed a macro segregation over the cross-section of the cylindrical billets used for the disk manufacture. This is of significance as a correlation between the dishing after case-hardening of the gear wheel blanks and the material flow was found for this steel. Besides experimental findings, FE analyses of the influence of process parameters and perturbations on the distortion of forged gear wheel blanks have been carried out. A temperature gradient over the billet height is assumed to be one of major factors being responsible for the observed material flow variations and the related dishing of the forged gear wheel blanks.