DE10141645C1 - Vorrichtung zum Härten der Lagerflächen von Kurbelwellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Härten der Lagerflächen (2-5) von während ihrer Bearbeitung um ihre Längsachse rotierenden Kurbelwellen (6). Bei einer solchen Vorrichtung wird bei hohem Durchsatz und geringem Verschleiß ein optimiertes Berbeitungsergebnis gewährleistet, indem sie mit mindestens einem Induktor (12-15) zum induktiven Erwärmen der jeweiligen Lagerfläche (2-5), mit einer Stelleinrichtung (28-32), welche den Induktor (12-15) trägt und ihn im Einsatz mit einer bestimmten Auflagekraft (Ka) auf der von ihm jeweils erwärmten Lagerfläche (2-5) lasten läßt, mit einer Überwachungseinrichtung (11) zum Erfassen der jeweiligen Drehwinkelstellung (delta) der jeweils bearbeiteten Kurbelwelle (6), und mit einer Steuereinrichtung (33) ausgestattet ist, welche bei im Einsatz befindlichem Induktor (12-15) unter Brücksichtigung der jeweils erfaßten Drehwinkelstellung (delta) der bearbeiteten, sich drehenden Kurbelwelle (6) Stellsignale zum Anheben oder Absenken des Induktors (12-15) an die Stelleinrichtung (28-31) abgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Härten der Lagerflächen von während ihrer Bearbeitung um ihre Längsachse rotierenden Kurbelwellen, in der die jeweils bearbeitete Lagerfläche durch die Wirkung eines elektromagnetischen Feldes erwärmt wird. Die Induktion des elektromagnetischen Feldes erfolgt dabei mittels mindestens eines Induktors, der während der Erwärmung den von den Lagerflächen infolge der Rotation der Kurbelwelle ausgeführten Bewegungen folgt.

Der Koppelabstand, mit dem der Induktor während der Erwärmung auf der jeweils bearbeiteten Lagerfläche gehalten ist, ist in der Regel durch einen Gleitschuh festgelegt, der auf der Lagerfläche gleitet. Dieser üblicherweise als Teil des Induktors ausgebildete Gleitschuh stellt sicher, daß auch beim Härten der exzentrisch in Bezug auf die Drehachse der Kurbelwelle angeordneten, sich während der Bearbeitung auf einer Kreisbahn bewegenden Pleuellager stets ein definierter Abstand zwischen der elektrisch aktiven Leiterschleife des Induktors und dem bearbeiteten Werkstück gegeben ist.

Aufgrund des direkten Kontaktes zu der jeweiligen Lagerfläche unterliegt der Gleitschuh während der Bearbeitung jedoch sowohl einer hohen thermischen Belastung als auch einem starken abrasiven Verschleiß.

Dem abrasiven Verschleiß wird durch eine weitgehende Gewichtsentlastung des Gleitschuhs begegnet. Zu diesem Zweck werden bei bekannten Vorrichtungen der in Rede stehenden Art sämtliche Bauelemente, deren Gewicht während des Betriebs auf dem Gleitschuh lasten könnte, gemeinsam mit einer Einrichtung zur Gewichtsentlastung verkoppelt. Diese Einrichtung soll die betreffenden Bauteile so halten, daß der Induktor unabhängig vom tatsächlichen Gewicht dieser Bauteile mit seinem Gleitschuh mit einer möglichst geringen Kraft auf der zu härtenden Lagerfläche liegt. Üblicherweise handelt es sich bei den von der Gewichtsentlastungseinrichtung getragenen Bauteilen um den Induktor, um die für das nach dem induktiven Erwärmen erfolgende Abschrecken benötigte Brause mit den zugehörigen Versorgungseinrichtungen, um die für die Energieversorgung des Induktors benötigten Einrichtungen sowie um das System zur Kühlwasserversorgung von Induktor und Energieversorgung.

Mit der Gewichtsentlastungseinrichtung sind diese Bauteile gemeinsam über in der Regel komplex ausgebildete Gestänge verbunden, durch die es den Bauteilen ermöglicht wird, den von der jeweils bearbeiteten Lagerfläche ausgeführten Bewegungen selbsttätig zu folgen. Die Gewichtsentlastung selbst erfolgt dabei mittels Kontergewichten oder Federn.

Der Vorteil der voranstehend erläuterten Art und Weise der Gewichtsentlastung des Gleitschuhs eines Induktors besteht darin, daß die von der Gewichtsentlastungseinrichtung getragenen Bauteile den Bewegungen der jeweils bearbeiteten Lagerfläche auch dann noch ordnungsgemäß folgen können, wenn sich die Kurbelwelle aufgrund der Erwärmung in nicht voraussagbarer, nicht konstanter Weise verformt. Unabhängig davon, ob die für die Gewichtsentlastung benötigte Kraft mit Hilfe von Gewichten oder Federn erzeugt wird, zeigt sich jedoch, daß es bei der Bearbeitung exzentrisch angeordneter Lagerflächen von Kurbelwellen bei den bekannten Vorrichtungen insbesondere dann, wenn die Kurbelwelle während der Bearbeitung mit höheren Drehzahlen läuft, nicht möglich ist, eine im wesentlichen konstante Auflagekraft des Gleitschuhs über einen vollständigen Umlauf der betreffenden Lagerfläche zu gewährleisten. Dies führt dazu, daß in den bekannten Vorrichtungen exzentrische Lagerstellen nur mit verminderter Drehzahl bearbeitet werden können. Dies schränkt nicht nur den für die Bearbeitung verfügbare Drehzahlbereich ein, sondern führt auch zu einer Verlängerung der Bearbeitungszeiten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ausgehend vom voranstehend erläuterten Stand der Technik eine Vorrichtung zu schaffen, die bei hohem Durchsatz und geringem Verschleiß ein optimiertes Bearbeitungsergebnis gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Härten der Lagerflächen von während ihrer Bearbeitung um ihre Längsachse rotierenden Kurbelwellen gelöst, die mit mindestens einem Induktor zum induktiven Erwärmen der jeweiligen Lagerfläche, mit einer Stelleinrichtung, welche den Induktor trägt und ihn im Einsatz mit einer bestimmten Auflagekraft auf der von ihm jeweils erwärmten Lagerfläche lasten läßt, mit einer Überwachungseinrichtung zum Erfassen der jeweiligen Drehwinkelstellung der jeweils bearbeiteten Kurbelwelle, und mit einer Steuereinrichtung ausgestattet ist, welche bei im Einsatz befindlichem Induktor unter Berücksichtigung der jeweils erfaßten Drehwinkelstellung der bearbeiteten, sich drehenden Kurbelwelle Stellsignale zum Anheben oder Absenken des Induktors an die Stelleinrichtung abgibt.

Gemäß der Erfindung wird mindestens das Gewicht des direkt mit dem Werkstück in Kontakt kommenden Induktors durch eine Stelleinrichtung ausgeglichen, die von der Steuereinrichtung gesteuert ist. Mit einer solchen Einrichtung kann anders als beim Stand der Technik zum Gewichtsausgleich die Verstellung des Induktors aktiv erfolgen. Zu diesem Zweck wertet die Steuereinrichtung die von der Überwachungseinrichtung gelieferten, die jeweilige Drehstellung der bearbeiteten Kurbelwelle anzeigenden Signale aus. Auf diese Weise wird die Kraft, mit der der Induktor auf der zu härtenden Lagerfläche aufliegt, als Funktion des jeweiligen Drehwinkels der Kurbelwelle geregelt.

Die dabei zu berücksichtigenden dynamischen Kräfte werden durch die Masse des von der Stelleinrichtung getragenen Induktors, der Exzentrizität des jeweils bearbeiteten Lagers, der Drehzahl der Kurbelwelle, der bei aktivem Induktor wirksamen Stromkräfte beeinflußt. Da all diese Einflußgrößen zu jedem Zeitpunkt der Bearbeitung bekannt sind, kann die Auflagekraft des Induktors für jeden Punkt eines Umlaufs der jeweils bearbeiteten Lagerfläche ideal geregelt werden. Dies ermöglicht es einerseits, auch die exzentrisch angeordneten Pleuellagerflächen einer Kurbelwelle mit hoher Drehzahl und dementsprechend kurzen Zykluszeiten zu härten. Andererseits können die Auflagekräfte gezielt auf ein Minimum reduziert werden, so daß die in direkten Kontakt mit der jeweils in Bearbeitung befindlichen Kurbelwelle kommenden Elemente des Induktors verschleißminimiert betrieben werden können.

Die höheren Drehzahlen führen darüber hinaus insbesondere dann, wenn konstruktionsbedingt besonders kurze Heizzeiten vorgesehen sind, zu verbesserten Arbeitsergebnissen. Durch die verminderten Auflagekräfte werden zudem der Umfang der durch die Auflagekraft andernfalls hervorgerufenen Deformationen der Kurbelwelle vermindert, so daß auf erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtungen gehärtete Kurbelwellen im Ergebnis einen insgesamt verminderten Härteverzug aufweisen.

Ein weiterer in der Praxis bedeutender Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es mit der erfindungsgemäß in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle gesteuerten Stelleinrichtung möglich ist, einen zuvor in Ruhestellung befindlichen Induktor gezielt auf eine sich schon drehende Kurbelwelle aufzusetzen. Auch dies führt gegenüber den bekannten Vorrichtungen, bei denen die Induktoren aufgrund der mechanischen Verkopplung mit der Gewichtsausgleichseinrichtung nur auf eine stillstehende Kurbelwelle aufgesetzt werden können, zu einer Verkürzung der für die Bearbeitung einer Kurbelwelle benötigten Zeit.

In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können zum gleichzeitigen Härten mehrerer Lagerflächen selbstverständlich mehrere Induktoren vorhanden sein, von denen jeder jeweils von einer Stelleinrichtung getragen wird.

Ebenso kann die Stelleinrichtung zusätzlich zu den Induktoren die für ihre Versorgung und das Härten der jeweiligen Lagerfläche erforderlichen Bauteile, wie eine Einrichtung zur Energieversorgung, eine Abschreckbrause und andere Elemente tragen, die wegen möglichst kurz zu haltender Leitungswege oder ähnlichem mit dem Induktor mitbewegt werden sollten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung erfaßt die Überwachungseinrichtung zusätzlich die sich infolge der Erwärmung einstellenden Deformationen der Kurbelwelle, und die Stelleinrichtung ermittelt die an die Steuereinrichtung abgegebenen Stellsignale unter Berücksichtigung dieser jeweils festgestellten Deformation. Auf diese Weise werden auch sämtliche Verformungen, denen die Kurbelwelle während der Bearbeitung unterworfen ist, sofort erfaßt und in die Steuerung der Stelleinrichtung einbezogen. Im Ergebnis wird so ein weiter verbessertes Arbeitsergebnis erhalten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden im Zusammenhang mit dem nachfolgend anhand einer Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen schematisch in seitlicher Ansicht:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Härten der Lagerflächen einer Kurbelwelle in Ruhestellung,

Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung in Betriebsstellung.

In der Vorrichtung 1 zum gleichzeitigen Härten der Lagerflächen 2, 3, 4, 5 der Hubzapfen der während der Bearbeitung um ihre Längsachse L rotierenden Kurbelwelle 6 wird die jeweilige Kurbelwelle 6 in einer konventionell aufgebauten Spann- und Antriebseinrichtung 7 gehalten, die mit einem ein erstes Spannfutter 8 antreibenden Drehantrieb 9 und einem rotierbar gelagerten, dem ersten Spannfutter 8 gegenüber angeordneten zweiten Spannfutter 10 ausgestattet ist. Zwischen den Spannfuttern 8 und 10 ist die Kurbelwelle 6 fest gespannt.

Mit dem Spannfutter 10 verkoppelt ist dabei ein Drehwinkelmeßsensor 11, der die Drehstellung des Spannfutters 10 und dementsprechend den jeweils aktuellen Drehwinkel erfaßt, den die Kurbelwelle 6 ausgehend von einer Ausgangsstellung zu Beginn der Bearbeitung in Bezug auf ihre mit der Drehachse zusammenfallenden Längsachse L zurückgelegt hat.

Jeder Lagerfläche 2, 3, 4, 5 ist ein konventionell aufgebauter Induktor 12, 13, 14, 15 zugeordnet, in dessen enger Nachbarschaft jeweils eine hier nicht dargestellte Abschreckbrause angeordnet ist. Die Induktoren 12-15 sind in ihrer Ruhestellung oberhalb der Kurbelwelle 6 angeordnet und bilden in an sich bekannter Weise jeweils eine Baueinheit 16, 17, 18, 19 mit der jeweiligen Abschreckbrause und den zu ihrer Energieversorgung eingesetzten Einrichtungen, wie dem Mittelfrequenztrafo und den zu dessen Versorgung erforderlichen Anschlüssen. Diese Einrichtungen sind jeweils oberhalb der Induktoren 12-15 angeordnet und weisen eine geringe Breite auf, so daß die Baueinheiten 16-19 insgesamt eine schmale, hohe Bauform besitzen. An ihrem unteren, der jeweiligen Lagerfläche 2-5 der Kurbelwelle 6 zugeordneten Ende weisen die Induktoren 12-15 eine im Querschnitt halbkreisförmige, hier nicht gezeigte Ausnehmung auf, die bei zum Erwärmen auf die Kurbelwelle 6 aufgesetzten Induktoren 12-15 die jeweilige Lagerfläche 2-5 aufnimmt, so daß die ebenfalls nicht dargestellten Heizleiter des jeweiligen Induktors 12-15 die betreffende Lagerfläche 2-5 annähernd um 180°C umgreifen. Im Bereich der Ausnehmung sind wie von herkömmlichen Induktoren bekannt jeweils hier ebenfalls nicht dargestellte Gleitschuhe angeordnet, über die die Induktoren 12-15 im auf die Kurbewelle 6 aufgesetzten Zustand auf der ihnen jeweils zugeordneten Lagerfläche 2 bis 5 lasten und geführt sind.

Die Baueinheiten 16-19 hängen jeweils am einen Ende eines Tragseils 20, 21, 22, 23, das mit seinem anderen Ende jeweils an einer Wickelrolle 24, 25, 26, 27 befestigt ist. Die Wickelrollen 24-27 sind drehfest mit der Ausgangswelle jeweils einer Stelleinrichtung 28, 29, 30, 31 verbunden. Abhängig von der Drehrichtung bewirkt so eine Drehung der Ausgangswelle der jeweiligen Stelleinrichtung 28-31 ein Anheben oder Absenken der der betreffenden Stelleinrichtung 28-31 zugeordneten Baueinheit 16-19. Zusätzlich sind die Stelleinrichtungen 28-31 mit hier nicht dargestellten Führungseinheiten ausgestattet, über die das jeweilige Tragseil 20-23 in einer jeweils normal zur Längsachse L ausgerichteten Ebene geführt wird, daß die Baueinheiten 16-19 in jeder Betriebsstellung jeweils senkrecht ausgerichtet sind.

Die Stelleinrichtungen 28-31 sind über Steuer- und Versorgungsleitungen 32 an eine Steuereinrichtung 33 angeschlossen. Mit einem der Eingänge der Steuereinrichtung 33 ist die Signalübertragungsleitung 34 des Drehwinkelmeßsensors 11 verbunden. Zusätzlich an die Eingänge der Steuereinrichtung 33 angeschlossen sind die Signalleitungen 35 von vier Überwachungssensoren 36, 37, von denen jeweils einer den zu härtenden Lagerflächen 2-­ 5 der Kurbelwelle 6 zugeordnet ist. Die Überwachungssensoren 36, 37 erfassen den sich während der Erwärmung einstellenden Verzug der Kurbelwelle 6.

Nach dem Einspannen der zu bearbeitenden Kurbelwelle 6 in die Spann- und Antriebseinrichtung 7 wird die Kurbelwelle 6 in eine Ausgangsstellung bewegt, von der ausgehend sie anschließend in der Spann- und Antriebseinrichtung 7 rotiertend angetrieben wird. Ihre jeweilige Drehwinkelstellung wird dabei von dem Drehwinkelmeßsensor 11 erfaßt und an die Steuereinrichtung 33 geliefert.

Bei in der Spann- und Antriebseinrichtung 7 rotierender Kurbelwelle 6 werden dann die sich während des Einspannens der Kurbewelle 6 in Ruhestellung befindenden Baueinheiten 16-19 abgesenkt, bis die Induktoren 12-­ 15 mit ihren Gleitschuhen auf der ihnen jeweils zugeordneten Lagerfläche 2 bis 5 sitzen. Die Höhe H, um die die jeweilige Baueinheit 16-19 dabei abgesenkt werden muß, sowie der aufgrund der Exzentrizität der Lagerfläche 2-5 gegenüber der Längsachse L sich einstellende Seitenversatz, der durch die den Stelleinrichtungen 28-31 jeweils zugeordneten Führungseinheiten ausgeglichen werden muß, wird von der Steuereinrichtung 33 in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Drehwinkel δ der Kurbelwelle 6 bestimmt. Die Steuereinrichtung 33 gibt entsprechende Steuersignale an die Stelleinrichtungen 28-31 ab, so daß die Induktoren 12-15 bei drehender Kurbelwelle 6 sicher und zielgenau auf die ihnen jeweils zugeordnete Lagerfläche 2-5 aufgesetzt werden.

Nach dem Aufsetzen der Induktoren 12-15 auf die Lagerflächen 2-5 gibt die Steuereinrichtung 33 laufend weitere Steuersignale zum Anheben bzw. Absenken sowie zum Ausgleich des Seitenversatzes an die Stelleinrichtungen 28-31 ab. In Abhängigkeit vom jeweiligen Drehwinkel δ heben und senken die Stelleinrichtungen 28-31 auf diese Weise die Baueinheiten 16-19, so daß die auf die Lagerflächen 2-5 lastende Auflagekraft Ka jeweils nur einem Bruchteil der durch das Eigengewicht der Baueinheiten 16- 19 und die infolge der Heb- und Senkbewegungen entstehenden dynamischen Kräfte hervorgerufenen, vertikal nach unten gerichteten Kraft Kv entspricht. Die zwischen der Auflagekraft Ka und der Kraft Kv verbleibende Differenzkraft Kd wird von der jeweiligen Stelleinrichtung 28-31 aufgenommen. Abhängig von der Drehwinkelstellung der Kurbelwelle 6 werden die Bewegungen der Baueinheiten 16-19 dabei gebremst oder beschleunigt. Auf diese Weise werden zusätzliche Beschleunigungskräfte, die sich bei Drehstellungen, in denen die jeweilige Lagerfläche 2-5 nach unten bewegt, genauso ausgeglichen, wie die negativen Beschleunigungen, die in den Bereichen der Drehstellung der Kurbelwelle 6 entstehen, in denen sich die jeweilige Lagerfläche 2-5 nach oben bewegt.

Etwaige sich im Zuge der Erwärmung einstellende Verformungen der Kurbelwelle 6, die zu einer Änderung der Lage der Lagerflächen und der bei der Bearbeitung zu beachtenden dynamischen Kräfte führen könnten, werden mittels der Überwachungssensoren 36, 37 erfaßt und von der Steuereinrichtung 33 bei der Bestimmung der Wege, um die die Baueinheiten 16-19 angehoben bzw. abgesenkt sowie jeweils seitlich verstellt werden müssen, berücksichtigt. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Induktoren 12 -15 mit ihren Gleitschuhen nur mit einer minimierten Auflagekraft auf den Lagerflächen 2-5 lasten. Im Ergebnis sind so der Verschleiß der Gleitschuhe und der sich im Zuge des Härtevorgangs einstellende Verzug der Kurbelwelle 6 auf ein Minimum reduziert.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Härten der Lagerflächen (2-5) von während ihrer Bearbeitung um ihre Längsachse rotierenden Kurbelwellen (6)
mit mindestens einem Induktor (12-15) zum induktiven Erwärmen der jeweiligen Lagerfläche (2-­ 5),
mit einer Stelleinrichtung (28-32), welche den Induktor (12-15) trägt und ihn im Einsatz mit einer bestimmten Auflagekraft (Ka) auf der von ihm jeweils erwärmten Lagerfläche (2-5) lasten läßt,
mit einer Überwachungseinrichtung (11) zum Erfassen der jeweiligen Drehwinkelstellung (δ) der jeweils bearbeiteten Kurbelwelle (6), und
mit einer Steuereinrichtung (33), welche bei im Einsatz befindlichem Induktor (12-15) unter Berücksichtigung der jeweils erfaßten Drehwinkelstellung (δ) der bearbeiteten, sich drehenden Kurbelwelle (6) Stellsignale zum Anheben oder Absenken des Induktors (12-15) an die Stelleinrichtung (28-31) abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (28-31) zusätzlich eine Einrichtung zur Energieversorgung des Induktors (12-15) trägt.

3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (28-31) zusätzlich eine Abschreckbrause trägt.

4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (33) die an die Stelleinrichtung (28-31) abgegebenen Stellsignale unter Berücksichtigung der gesamten Masse der von der Stelleinrichtung jeweils getragenen Bauelemente, der Exzentrizität der jeweils bearbeiteten Lagerfläche (2-5) gegenüber der Längsachse (L) der Kurbelwelle (6) sowie des Sollwerts der Auflagekraft (Ka) für den Induktor (12-15) ermittelt.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung (36, 37) zusätzlich die sich infolge der Erwärmung einstellenden Deformationen der Kurbelwelle (6) erfaßt und daß die Steuereinrichtung (33) die an die Stelleinrichtung (28-31) abgegebenen Stellsignale unter Berücksichtigung der jeweils festgestellten Deformation der Kurbelwelle (6) ermittelt.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (12-15) einen Gleitschuh umfaßt, mit dem er im Betrieb auf der jeweils bearbeiteten Lagerfläche (2-5) sitzt.

7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (12-15) in jeder Betriebsstellung im wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist.