阅读说明：本技术 高强度的转向小齿轮 (High-strength steering pinion ) 是由 A.胡克 于 2019-07-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高强度的转向小齿轮,具体而言本发明涉及一种用于制造转向小齿轮(10)的方法和转向小齿轮(10)。设置成,转向小齿轮(10)由根据EN ISO 683-17的可贝氏体化的滚动轴承钢构成并且通过贝氏体化构造成高强度的转向小齿轮(10)。(The invention relates to steering pinions with high strength, in particular methods for producing steering pinions (10) and steering pinions (10). The steering pinion (10) is made of a bainitized rolling bearing steel according to EN ISO 683-17 and is formed by bainiting into a high-strength steering pinion (10).)

高强度的转向小齿轮

技术领域

本发明涉及用于制造转向系统的转向小齿轮的方法以及转向小齿轮，在其中在组装状态中可布置有旋转杆。

背景技术

文献DE 10 2004 003 541 A1公开了应用于高强度小齿轮轴的钢以用于制造小齿轮轴，该小齿轮轴应用在机动车的转向系统中，以及为此的从属的制造方法。带有在文献中提到的特定的成分的本发明的说明的钢在滚铣期间引起脱落的更少的出现，在高频硬化之后具有高的表面硬度、缺口冲击韧度和抗扭强度，并且在高频硬化期间承受更少的热处理负载。

文献DE 10 2006 059 050 A1说明了用于滚动轴承构件的热处理的方法，该滚动轴承构件由完全硬化的、贝氏体的滚动轴承钢构成，该滚动轴承钢带有在边缘区域中的固有压应力和马氏体份额以及剩余奥氏体份额，在其中热处理两级式地来进行，其中工件从奥氏体化温度出发首先在具有稍微低于马氏体初始温度的温度的盐浴中淬火(abschrecken，有时称为急冷)，并且如此长地保持，直至出现温度平衡，其中工件紧接着被转换到其温度稍微在马氏体初始温度以上的第二浴中，并且保持在马氏体初始温度以上。

文献DE 10 2006 046 765 A1公开了两级式方法，在其中在第一方法步骤中发生待加工的材料、尤其接下来称为工件的曲轴的材料的传统的机械的、优选地切削的加工。在此考虑的是，必须以接下来的电化学加工的加工量的数值（也就是说其材料剥蚀）来修正几何形状上的加工量。在接下来的第二方法步骤中借助于电化学加工方法来加工传统预加工的腔室。为此将已知的装置用于电化学加工——电化学加工的方法（ECM-ElectroChemicalMachining(电化学加工方法)）或还有另外开发的电化学加工、所谓的脉冲的电化学加工（PECM-Pulsed ElectroChemical Machining(脉冲电化学加工)）的方法，其特征在于，在加工的情况中在工具(Werkzeug，有时称为刀具)与加工目标（待加工的工件）之间不存在直接接触。为了加工，将工具与待加工的工件相对彼此移动，使得在工件上塑造工具的几何形状。为此在工具与工件之间施加电压，其中工件作为阳极而工具作为阴极来接上。为了加工，利用电解液冲洗在工具（阴极）与工件（阳极）之间存在的优选地小于1mm的间隙。在工件处的材料剥蚀由此以电化学方式来实现，并且溶解的材料作为金属氢氧化物被电解液从加工区中冲洗出来。PECM方法相比ECM方法具有在工具与目标之间的小得多的间隙宽度、优选地0.01至0.2mm的间隙宽度，并且因此具有本质上更高的加工准确性。对于PECM方法而言独特的还有如下，加工电流不持续地存在（如在ECM方法的情况中那样），而是作为脉冲电流来输送。此外电化学加工的方法通过高的过程稳定性而出众。

附加地参照文献DE 10 2010 032 326 A1，该文献同样说明了用于借助于电化学加工（ECM）或脉冲电化学加工（PECM）来制造腔室（钻孔）的方法和装置。

发明内容

本发明现在基于的任务是，由提到的现有技术出发改善工件、尤其转向小齿轮的特性。

本发明涉及用于制造转向小齿轮的方法。

设置成，转向小齿轮的坯件由根据EN ISO 683-17的可贝氏体化的滚轮轴承钢制造，该坯件紧接着被贝氏体化(bainitisieren，有时称为等温淬火)以用于提高硬度，由此转向小齿轮以有利的方式具有更高的可延展性和冲击韧度以及耐磨损性。

转向小齿轮以有利的方式通过贝氏体化比传统的转向小齿轮尺寸更稳定且具有特别坚韧的结构。实现处于大约58 HRC（根据洛氏的硬度）的硬度。因为转向小齿轮的轴承也被贝氏体化，因此由于相对于马氏体地硬化的转向小齿轮更高的断裂强度以有利的方式可实现根据本发明的转向小齿轮的更长的寿命周期。

轴承由此可以以有利的方式经受更大的撞击负载。在贝氏体化的转向小齿轮的边缘区域中的固有压应力更小，使得转向小齿轮的所有区域可经受更高的负载。在传统地制造的转向小齿轮的情况中局部出现的更小的强度状态可进一步通过贝氏体化以有利的方式来消除。

优选地设置成，为了制造在转向小齿轮的坯件中的钻孔在贝氏体化之前：

• 首先将钻孔作为先前轮廓带入（步骤a））到“软的”坯件中，以及

• 紧接着才使转向小齿轮贝氏体化（步骤b）），之后

• 最终后处理（步骤c））钻孔的表面以用于改变钻孔的表面结构和表面品质，以用于制造最终轮廓(“硬的”)。

在本发明的优选的设计方案中设置成，（步骤a））在贝氏体化（步骤b））之前将钻孔的先前轮廓机械地钻入到转向小齿轮中或借助于电化学加工带入到转向小齿轮中。

优选地设置成，钻孔的最终轮廓在转向小齿轮的贝氏体化（步骤b））之后借助于电化学加工来后处理（步骤c）），以用于改变钻孔的先前轮廓的表面品质和表面结构。

在此，在备选的实施变型方案中设置成，先前轮廓和/或最终轮廓在步骤a）和c）中通过电化学加工（ECM）或通过脉冲的电化学加工（PECM）被带入/被后处理。

根据本发明转向小齿轮由根据EN ISO 683-17的以标示100Cr6的滚动轴承钢构造成坯件，该坯件具有重量%为0.93至1.05碳（C:）、0.15至0.35硅（Si:）和0.25至0.45锰（Mn:）以及1.35至1.6铬（Cr:）和如有可能其它少量的化学物质的化学物质成分。根据本发明，如下转向小齿轮被视为坯件，其仍不具有钻孔。换句话说，其它的在图1中示出的结构可已经被构造。

通过使转向小齿轮的坯件（不带有钻孔）或设有钻孔作为先前轮廓的转向小齿轮经受如下的子步骤，本身已知的贝氏体化在步骤b）中发生并且根据本发明在转向小齿轮处执行。

将转向小齿轮加热（步骤b1））到奥氏体化温度上。

将转向小齿轮在盐浴中冷却（步骤b2））到在马氏体-钢曲线以上的在250 ℃与500℃之间的温度上。

将在马氏体-钢曲线3以上的在250 ℃与500 ℃之间的温度在盐浴中保持（步骤b3））在贝式体硬度曲线2上几分钟至几小时之间。

将转向小齿轮冷却（步骤b4））到室温上。

在进行该方法之后存在高强度的贝氏体化的转向小齿轮。

转向小齿轮独立于待设置的钻孔具有上述特性。

如果转向小齿轮包括依照根据权利要求2至7中所述的方法步骤中的至少一个制造的钻孔，则通过根据EN ISO 683-17的先前贝氏体化的滚轮轴承钢的电化学加工来后处理或可后处理转向小齿轮的钻孔的最终轮廓。

由此，至少通过电化学加工构造钻孔的最终轮廓的侧壁，使得钻孔的最终轮廓的侧壁具有平滑且结构统一的表面，该表面对于电化学加工而言是典型的。

钻孔的最终轮廓的侧壁的表面相较于机械加工的表面以有利的方式更平滑且更结构统一，并且具有对于电化学加工而言典型的可光学检查的表面结构。

本领域技术人员可通过光学显微镜的检查将机械加工的表面结构与通过电化学加工产生的表面结构相区分。

以有利的方式在电化学加工的情况中典型地引起转向小齿轮的钻孔的表面的结构上的抛光作用以及结构上的平整，其中尤其可确定的是，在其中执行电化学加工的整个区域上确定没有表面参数的结构上的差异，如其相对地在机械加工的情况中以这里典型的方式是这种情况。

在本发明的优选的设计方案中可通过电化学加工使钻孔的最终轮廓的侧壁具有平均的粗糙深度（R_z），其甚至为小于/等于 ＜/＝ 5 μm。

由此，除了平滑的表面的可实现性（平均粗糙深度（R_z）可小于/等于 ＜/＝ 5 μm），特别有利的是，通过电化学加工（ECM、PECM）在所有如此制造的转向小齿轮上的钻孔的表面具有非常相似的结构，其中以有利的且典型的方式不存在在机械加工的情况中形成的痕迹。在每种以某一方式类型化的机械加工的情况中可确定这样的痕迹，其中尤其在机械加工的钻孔的情况中，显微镜的检查显示出在表面结构中部分强的（非期望的）差异。

确定的是，在传统的机械硬化加工的情况中在表面品质，例如平均粗糙深度（R_z）方面存在几乎相同的测量值，然而存在光学上明显不同的表面结构。

该不同的表面结构尤其通过工具磨损形成，所述工具磨损在电化学加工（ECM、PECM）的情况中以有利的方式不出现，由此避免光学上不同的表面结构。

表面的该可光学上可确定的结构差异在机械加工的情况中显著地影响之后接下来在钻孔的最终轮廓的表面结构与旋转杆的表面结构之间的接合过程（所谓的旋转杆接合），执行该接合过程以便将转向小齿轮和旋转杆带到组装状态中，如接下来详细阐述的那样。

对于旋转杆在转向小齿轮的钻孔中在组装状态中作为组装单元的持续的可保持性而言，钻孔和旋转杆的表面结构特别有意义，尤其在如下背景下，即由转向小齿轮经由旋转杆待承受的力始终经受更高的要求。

优选地设置成，通过电化学加工（ECM）或通过脉冲的电化学加工（PECM）构造/被构造先前轮廓和/或最终轮廓。

附图说明

接下来以实施例根据从属的附图阐述本发明。其中：

图1以透视图显示了转向小齿轮；

图2以侧视图显示了在制造钻孔的最终轮廓之前的转向小齿轮，其中截面地显示了在轴向方向上延伸的中间线以上的转向小齿轮；

图3以根据图2的侧视图显示了在制造转向小齿轮的钻孔的最终轮廓期间的转向小齿轮，

图4显示了温度[T]-时间[t]-图表，以用于清楚说明根据本发明的方法。

附图标记清单

10 转向小齿轮

10.1 第一轴承区域

10.2 第二轴承区域

10.3 过载保护区域

10.4 齿部区域

10.5 本体

12 钻孔

12V 先前轮廓

12V-1 先前轮廓的侧壁

12E 最终轮廓

12E-1 最终轮廓的侧壁

K 阴极

A 加工余量

1 奥氏体硬度曲线

2 贝氏体硬度曲线（等温淬火）

3 马氏体-钢-曲线。

具体实施方式

图1以透视图显示了转向小齿轮10。

转向小齿轮10包括在轴向方向上延伸的第一轴承区域10.1和在轴向方向上延伸的第二轴承区域10.2，在其间构造同样在轴向方向上延伸的齿部区域10.4。

经由在轴承区域10.1和10.2中所构造的轴承，转向小齿轮10作为转向系统的部分支承在车身侧的轴承支承架中。在第一轴承区域10.1处在转向小齿轮10的轴向方向上联接有过载保护区域10.3，该过载保护区域10.3具有过载保护形状。

在转向小齿轮10的过载保护区域10.3的侧上在组装状态中在钻孔12中压入未示出的旋转杆，使得在旋转杆与钻孔12的侧壁12E-1之间制造形状和摩擦配合的连接。旋转杆将与旋转杆处于有效连接中的未示出的方向盘的转向运动传递到转向小齿轮10上，所述转向小齿轮10经由齿部区域10.4例如与齿条处于连接中。

明显的是，在旋转杆接合之后，在旋转杆与钻孔12之间的固定连接（因此将旋转杆压入到钻孔12中）是特别有意义的。

现在如下来进行：钻孔12首先以先前轮廓12V机械地（在所谓的软状态中）带入到转向小齿轮10中。紧接着整体上使转向小齿轮10硬化，其中大多使用感应硬化或表面硬化（Einsatzhärten），以便于尤其使齿部区域10.4的齿部硬化。在感应硬化的情况中，围绕钻孔12的先前轮廓12V的材料结构保持软的，而在转向小齿轮10的边缘区域中的材料结构被硬化。

紧接着通过另一机械步骤机械地再加工先前轮廓12V，使得材料以可预设的加工余量A机械地被剥蚀。

在材料的该剥蚀之后最终构造钻孔12的最终轮廓12E。

现在通过主轴或摩擦实现最终的机械加工，其中加工考虑到，围绕钻孔12的材料结构是在所谓的软状态（根据感应硬化）中还是在所谓的硬状态（根据表面硬化）中。

已经证实，表面特性在该做法中不取决于使用的硬化方法而波动，使得寻求解决方案以便避免在表面特性方面的该波动。

根据本发明设置成，在步骤a）中在第一实施变型方案中进一步机械地制造钻孔12的先前轮廓12V。

在第二实施变型方案中设置成，在步骤a）中通过电化学加工构造钻孔12的先前轮廓12V。

根据本发明，紧接这两个变型方案中的一个是步骤b）——转向小齿轮10的贝氏体化，使得在步骤c）中为了最终加工，也就是说为了制造钻孔12的最终轮廓12E，存在钻孔12的软的先前轮廓12V并且在贝氏体化之后存在钻孔12的硬的先前轮廓12V。

在两种实施变型方案中，在步骤c）中根据本发明可能的是，通过电化学加工（ECM）或通过脉冲的电化学加工（PECM）构造最终轮廓12E，如在图2和3中以总览示出的那样。

放在图2中的是穿过柱状实施的转向小齿轮10的上半部分的截面，使得变得明显的是，不仅齿部区域10.4而且紧接着转向小齿轮10的本体10.5通过贝氏体化在步骤b）中硬化，其中此外明显的是，在转向小齿轮10的第一轴承区域10.1中构造钻孔12的先前轮廓12V。

钻孔12联接到转向小齿轮10的过载形状的开口处，其中开口被轮缘作为过载形状而围绕，其在轴向方向上看形成过载保护区域10.3。

在图2中记录清楚说明材料区域的所设置的加工余量A，该材料区域应通过电化学加工（ECM）或通过脉冲的电化学加工（PECM）被剥蚀，使得由先前轮廓12V可构造钻孔12的最终轮廓12E。

在图2中因此显示了先前轮廓12V的侧壁12V-1。

在图3中清楚说明了用于制造钻孔12的最终轮廓12E的方法步骤c）的原理。

为了电化学加工（ECM或PECM），在步骤c）中用作工具的阴极K和工件（尤其转向小齿轮10）相对彼此移动，使得在钻孔12的先前轮廓12V以内塑造阴极K的几何形状。

为此在阴极K与转向小齿轮10之间施加电压，其中转向小齿轮10充当阳极。为了加工，如仅例如在文献DE 10 2006 046 765 A1中阐述的那样，利用电解液冲洗在阴极与转向小齿轮10之间存在的优选地小于1mm的间隙。在钻孔12的先前轮廓12V处的材料剥蚀由此以电化学方式来实现，并且溶解的材料作为金属氢氧化物被电解液从加工区中冲洗出来。

尤其PECM方法具有在阴极K与转向小齿轮10之间的小得多的间隙宽度，优选地0.01至0.2mm的间隙宽度，并且因此具有比ECM方法本质上更高的加工准确性（阴极几何形状的更高的图像保真度），因此PECM方法示出了优选的实施变型方案。对于PECM方法而言独特的是，加工电流没有如同在ECM方法的情况中那样持续地存在，而是作为脉冲的电流被输送。电化学加工的方法此外通过快速的过程时间和高的加工稳定性出众。

此外已证实的是，在材料以加工余量A剥蚀的情况中在步骤c）中在阴极K与转向小齿轮10之间的机械震荡运动是有利的，因为在此以足够的方式交换电解液。

电化学加工（ECM或PECM）的优点尤其在于，加工在硬的通过贝氏体化造成的结构状态的情况中引起最终轮廓12E的侧壁12E-1的特别平滑的表面，并且转向小齿轮10整体上构造成高强度的转向小齿轮10。

贝氏体化在步骤b）中由此产生多种效果。转向小齿轮10整体上在贝氏体化之后是高强度的。也就是说，不仅在待带入的钻孔12的区域中的材料结构是高强度的，而且转向小齿轮10整体上以有利的方式被硬化。

钻孔12的最终轮廓12E的贝氏体化的表面在电化学加工（ECM或PECM）之后在表面品质方面满足期望的且可再生产的参数。

对此产生如下效果：转向小齿轮在硬化之后通过电化学加工（ECM或PECM）不再一次受热或受机械负荷，因此在转向小齿轮10中也不产生固有应力。

用于制造钻孔12的最终轮廓12E的方法步骤相对于加工工具（阴极）无接触地发生，其中尤其至少可实现带有表面品质为R_z＜/＝5μm（R_z = 来自测得的粗糙深度的平均粗糙深度或平均值）的最终轮廓12E的侧壁12E-1的表面质量。将以有利的方式避免加工引起的网纹和毛刺，该网纹和毛刺可在传统的做法的情况中形成。

此外作为效果不仅可得到钻孔12的最终轮廓12E的R_z＜/＝5μm的相对于传统的方法的非常高的表面品质，而且作为另外的效果，所实现的例如R_z＜/＝5μm的表面品质是可再生产的，并且在其结构上的表面特性方面本质上不具有波动宽度，其中尤其光学上显微镜地可识别出在表面特性上没有结构差异，其中形成根据本发明的做法的本质优点。

于是，当在待剥蚀的材料的通过贝氏体化的硬的结构状态的情况中执行电化学的加工（ECM或PECM）时，尤其在可产生的表面品质的下面的区域中无问题地实现R_z＜/＝5μm的表面品质。

最终，优点还在于，加工工具（阴极）近似无磨损。此外需要少的过程时间。在例如为18mm的钻孔的深度和例如4mm/s的进给速度的情况下针对方法步骤c）而言得出4至5s的周期时间。

显然，贝氏体化原则上独立于钻孔12的带入并且可被执行，以用于提高所有未提到的并且前面明确提到的区域10.1、10.2、10.3和10.4（尤其齿部区域10.4）的转向小齿轮10的硬度。

以有利的方式根据本发明产生协同效果，使得在上述做法的情况中，转向小齿轮10整体上的材料硬度以及关于钻孔12不仅钻孔12的表面品质，而且钻孔12的最终轮廓12E的统一的对于电化学加工而言典型的表面结构能够被可再生产地来构造。

根据本发明可制造组装单元，在其中通过旋转杆到钻孔12中的旋转杆接合将旋转杆压入到贝氏体化的转向小齿轮10的钻孔12的完成的电化学加工的最终轮廓12E中。

组装单元根据本发明是转向系统的部分，其通过如下出众，即旋转杆通过接合连接被压入到钻孔12的最终轮廓12E中，其中钻孔12的最终轮廓12E的侧壁12E-1具有平滑的且结构统一的表面，该表面对于电化学加工而言是典型的。

图4附加地显示了用于清楚说明根据本发明的方法在步骤b）中的温度[T]-时间[t]-图表。

曲线1清楚说明，在将奥氏体钢加热到奥氏体化温度上之后的短时间内实现冷却到位于250℃与500℃之间的马氏体-钢曲线3以下的温度上。

曲线2清楚说明，根据本发明在步骤b1）中执行可贝氏体化的钢加热到奥氏化温度，其紧接着在步骤b2）中在盐浴中被冷却到在马氏体-钢曲线3以上的在250℃与500℃之间的温度上。在此设置成，在步骤b3）中将在马氏体-钢曲线3以上的在250 ℃与500 ℃之间的温度在盐浴中保持在所谓贝式体硬度曲线2上几分钟至几小时之间，之后最终在步骤b4）中执行冷却到室温上。