DD270087A1

DD270087A1 - Verfahren zur thermischen oberflaechenhaertung mit energiestrahlen

Info

Publication number: DD270087A1
Application number: DD31382288A
Authority: DD
Inventors: Siegfried Panzer; Matthias Mueller; Rainer Bartel; Norbert Frenkler; Friedhold Kunz
Original assignee: Ardenne Forschungsinst
Priority date: 1988-03-21
Filing date: 1988-03-21
Publication date: 1989-07-19
Also published as: DE3908562A1

Abstract

Das Verfahren zur thermischen Oberflaechenhaertung mit Energiestrahlen dient der Erzeugung gehaerteter Bahnen, insbesondere Laufbahnen von Fuehrungsleisten von Werkzeugmaschinen. Erfindungsgemaess wird auf der der Haertebahn gegenueberliegenden Seite eine Kompensationshaertebahn nach Massgabe der von den Energieuebertragungsbedingungen abhaengigen Verzugscharakteristik des Bauteils vor Energieuebertragung auf die Haertebahn erzeugt. Nach Temperaturausgleich wird der Restverzug gemessen und nach Vergleich mit den zulaessigen Werten werden eine oder mehrere weitere Kompensationshaertebahnen erzeugt, bis der zulaessige Verzugswert erreicht wird.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung energlestrahlgehärteter Bahnen auf vorzugsweise prismatischen Bauteilen mit großem Länge· zu Querschnittverhältnis, insbesondere zur Elektronenstrahlhärtung der Laufbahnen von Führungsleisten und Kompaktführungsleisten von Werkzeugmaschinen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, durch thermische Energiestrahlprozesse, die in der festen oder flüssigen Phase ablaufen, die Werkstoffeioenschaften im Sinne einer Verbesserung der Gebrauchseigenschaften in oberflächennahen Randschichten metallischer Bauteile zu modifizieren. Die lokalisierte Energieübertragung verbunden mit sich vollziehender Werkstoff umwandlung führt zu Formänderungen, d. h. einem Verzug des Bauteils. Dieser kann insbesondere dann störende Ausmaße annehmen, wenn es sich um Bauteile mit einer vergleichsweise zum Querschnitt großen Länge, wie z. B. bei Führungsund Kompaktführungsleisten von Werkzeugmaschinen, handelt.

Aus anderen Verfahren, wie z. B. der Oberflächeninduktionshärtung ist es bekannt, durch Vorspannen den nach der Behandlung verbleibenden Verzug zu minimieren. Bei der genannten Bauteilgeometrie kann damit jedoch den gestellten hohen Anforderungen bezüglich des verbleibenden Bauteilverzuges nicht entsprochen werden. Es wurde bereits vorgeschlagen, mit Energiestrahlen Härtebahnen auf den beanspruchten Laufflächen zu erzeugen. Zur Minimierung des Verzuges beim Härten

worden gleichzeitig zusatzliche Härtebahnen, auch Kompensationshärtebahnen genannt, auf das Werkstück aufgebracht. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß bei Verwendung von Elektronenstrahlen der geratetechnische Aufwand durch die erforderliche zusätzliche Elektronenkanone und den damit zusammenhängenden Einrichtungen sehr hoch ist. Außerdem wird der von Teil zu Teil durch die unterschiedlichen inneren Spannungen des Bauteils verbleibende Restverzug, der stark streut, nicht den hohen Anforderungen entsprechend beseitigt.

Ziel der Erfindung

Das Verfahren soll ohne erhöhten Aufwand an Gerätetechnik und Energie den Verzug der mit Härtebahnen zu versehenden Bauteile auf ein tolerierbares Mindestmaß reduzieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermischen Oberflächenhärtung von Bauteilen großer Länge, aber vergleichsweise zu dieser geringen Querschnitts zu schaffen. Der Verzug des Bauteils soll vergleichsweise zur Härtetiefe auf einen kleinen Wert begrenzt sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Energies*rahl, vorzugsweise Elektronenstrahl der rechtwinklig zur Werkstückbewegungsrichtung im Bereich der zu erzeugenden Härtebahn abgelenkt wird und durch Aufbringen mindestens einer Kompensationshärtebahn dadurch gelöst, daß abhängig von dem unvermeidlichen Ausgangsverzug des Bauteiies und nach Maßgabe der von den EnergieQbertagungsbedingungen abhängigen Verzugscharakteristik des Bauteils, vorzugsweise vor der Energieübertragung auf die als Nutzbahn dienenden Härtebahn auf einer dieser gegenüberliegenden Bautoilseite eine Kompensationshärtebahn mit bis auf den der Verzugscharakteristik entnommenen Parameter zur Härtebahn identischen Parametern aufgebracht wird. Der Energieeintrag erfolgt so, daß der Bauteilverzug nach der Energieübertragung auf die Härtebahn mit Sicherheit nicht überkompensiert ist. Nach dem Temperaturausgleich über dem Bauteilquerschnitt wird der Restverzug gemessen und nach Vergleich mit dem zulässigen Wert werden gegebenenfalls eine, und wenn noch nicht ausreichend nach erneutem Temperaturausgleich mit dem zulässigen Wert weitere Kompensationshärtebahnen vorzugsweise mit beiderseits der ersten Kompem ationshärtebahn liegenden Bahnanteilen erzeugt. Dabei wird wiederum bis auf den einer Verzugschai akteristik entnommenen Parameter mit zur Härtebahn identischen Er^rgieübertragungsbodingungen gearbeitet, und diese Verfahrensweise soweit, bis der zulässige Verzugswert erreicht ist.Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Bauteil zumindest senkrecht zur Längsrichtung während de. gesamten Prozeßdauer wärmeleitMngsisoliert aufgenommen und die Mittendurchbiegung des Bauteils als Maß für den Bauteilverzug erfaßt. Als variabler Parameter der Kompensationshärtebahnen und der Verzugscharakteristik wird zweckmäßig die Bahnbreite gewählt und jede Kompensationshärtebahn thermisch wechselwirkungsarm zu den vorangehend erzeugten angeordnet. Die zweiten und eventuell weiteren Kompensationshärtebahnen werden unter Nutzung der bekannten Prinzipien der Sprungstrahltechnik bzw. Strahlteilung mit Bahnanteilen beiderseits der bereits vorhandenen Kompensationshärtebahnen vorteilhaft so ausgeführt, daß das wählbare Verhältnis der Teilbahnbreiten nach Maßangabe des Bauteilverzuges in der r.'r Hauptverzugsrichtung senkrechten Ebene festgelegt wird.

Zur automatisierten Durchführung des Verfahrens ist es zweckmäßig, von einer aus den Vorversuchen oder durch Extrapolation von Erfahrungen an anderen Bauteilen gewonnenen Grobverzugscharakteristik auszugehen und 'JIe erfaßten Meßwerte zur fortlaufenden Verbesserung der in der Steuerung der Einrichtung abgespeicherten Verzugscharakteristik zu nutzen. Es ist ferner zweckmäßig, den Energiestrahlprozeß an mehreren ineiner Aufnahmevorrichtung angeordneten Bauteilen auszuführen, um während der notwendigen Temperaturausgleichszeiten den Energiestrahlprozeß an anderen Bauteilen fortzusetzen.

Ausführungsbeispiel Die zugehörige Zeichnung zeigt in

Fig. 1: einen Queischnitt einer Führungsleiste mit elektronenstrahlgehärteten Bahnen, Fig. 2: eine Verzugscharakteristik des Baueils «ernäß Fig. 1 schematise.

Auf der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellten Führungsleiste 1 einer Werkzeugmaschine ist einseitig eine Härtebahn 2 der Breite b über eine Tiefe h mit Elektronenstrahlen zu erzeugen. Es ist vorgegeben, daß die Führungsleiste 1 nach dem Härten auf der Seite der Härtebahn 2 eine konkave Durchbiegung bis zu einem Maximalwert z, mit z, < h nicht überschreiten darf. Die Härtung soll nach dem bekannten Prinzip der isothermen Energieübertragung durch zweidimensional hochfrequente Strahlablenkung ausgeführt werden.

Aus Vorversuchen ist die in Fig. 2 dargestellte Verzugscharakteristik bekannt. Sie gibt die gemessenen vorzeichenbehafteten Verzugswerte z_H nach Ausführung einer Kompensationshärtebahn 3, der angeschlossenen Ausführung der Härtebahn 2 und erfolgtem Temperaturausgleich über dem Querschnitt der Führungsleiste 1 in Abhängigkeit vom Breitenverhältnis <% der Bahnen bei vernachlässigbarem Ausgangsverzug der Führungsleiste 1 an. Sie besagt, daß auf Grund unbekannter Einflußgrößen, wie innerer Spannungen im Bauteil, bei einem Bahnbreitenverhäitnis α_Λ = a_VKmi_n·· ·ανιοη«χ ein Verzug in den Grenzen -z_H-... +z_H+ verbleibt. Der zur exakten Verzugskompensation erforderliche Wert kann also nicht vorbestimmt werrion. Die Kompensationshärtebahn 3 wird deshalb in einer Breite bvxmtn = Ov_Kmin b ausgeführt. Nach Erzeugen der Kompensationshärtebahn 3 und der Härtebahn 2 und nach Temperaturausgleich über dem Bauteilquerschnitt wird der Restverzug zu gemessen, der wegen der getroffenen Wahl der Breite der Kompensationshärtebahn 3 in den Grenzen 0 s zA £ z_H+

liegt. Im vorliegenden Fall ist ΐμ > z₍. Es wird deshalb eine wettere Kompensationshärtebahn 4 r lit den beiden symmetrisch zur Kompensationshärtebahn 3 liegenden Teilbaren 4a und 4b ausgeführt, deren Qesamtbreite in taalogie zum vorstehend erläuterten gewählt wird. Nach erneutem Temperaturausgleich wird ein Verzug zfi < z, gemessen, womit die Verzugskompensation beendet ist.

Bei bereits vor dem Energiestrahlprozeß mit Z₀ verzogenen Bauteilen ergeben sich vom Vorverzug abhängige Verzugscharakteristiken, die im wesentlichen auf einen von z_oabhänglgen Wert ανκπίη M hinauslaufen, wodurch sich eine von Z₀ abhängige Bahnbreite bvKmin (z₀) ergibt.

Claims

1. Verfahren zur thermischen Oberflächenhärtung mit Energiestrahlen, vorzugsweise einem Elektronenstrahl, der senkrecht zur Werkstückbewegungsrichtung entsprechend der Breite der zu erzeugenden Härtebahn hochfrequent abgelenkt wird und Erzeugen von mindestens einer Kompensationshärtebahn, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom Ausgangsverzug des Bauteiles und nach Maßgabe der von den Energieübertragungsbedingungen abhängigen Verzugscharakteristik des Bauteils vor der Energieübertragung auf die Härtebahn auf einer dieser gegenüberliegenden Seite eine Kompensationshärtebahn mit bis auf einen der Verzugscharakteristik entnommenen Parameter identischen Energieübertragungsbedingungen derart erzeugt wird, daß der Bauteilverzug durch die Energieübertragung auf die Härtebahn mit Sicherheit nicht überkompensiert wird, daß nach Energieübertragung auf die Härtebahn und Temperaturausgleich über dem Querschnitt des Bauteils der Restverzug gemessen und nach Vergleich mit dem zulässigen Wert gegebenenfalls eine oder nach erneutem Temperaturausgleich, Verzuyserfassung und Vergleich mit dem zulässigen Wert weitere Kornpenaationshärtebahnen wiederum mitbisauf den der Verzugscharakteristik entnommenen Parameter mit zur Härtebahn identischen Energieübertragungsbedingungen erzeugt werden, bis der zulässige Verzugswert ei ι eicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Erzeugen weiterer . Kompensationshärtebahnen zu einer bereits erzeugten Kompensationshärtebahn beiderseits zu dieser Bahnanteile erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil während des Energieübertragungsprozesses und der Temperaturausgleichzeit zumindest senkrecht zu seiner Längsrichtung wärmeleitungsisoliert aufgenommen wird und daß die Mittendurchbiegung des Bauteils als Maß für den Bauverteilverzug erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationshärtebahnen mit bis auf die Bahnbreite identischen Energieübertragungsbedingungen erzeugt werden und daß die Bahnbreite nach Maßgabe der Verzugskompensationscharakteristik und des zu kompensierenden Verzugs ausgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten und weiteren Kompensationshärtebahnen unter Anwendung bekannter Prinzipien der Sprungstrahltechnik bzw. Strahlteilung beiderseits der bereits vorhandenen Kompensationshärtebahn bzw. -bahnen und ohne nennenswerte thermische Wechselwirkung zu diesen ausgeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbahnbreiten entsprechend dem Verzug in einer senkrecht zur Hauptverzugsachse liegenden Ebene ausgeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daßder Energiestrahlprozeß chargenweise ausgeführt wird, wobei die Energieübertragung und der Temperaturausgleich für die Bauteile einer Charge zeitlich verschachtelt werden.