-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Bauteilen mit mehreren
rotationssymmetrischen zu härtenden
Abschnitten, welche unterschiedliche, zueinander parallele Mittelachsen
aufweisen, gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
-
Zur
Oberflächenhärtung von
Bauteilen aus Stahl, insbesondere von Bauteilen mit rotationssymmetrischen
Abschnitten, an welche hohe Anforderungen in Bezug auf die Oberflächenkontur
und die Verschleißfestigkeit
gestellt werden, können
verschiedene Härteverfahren
wie Einsatzhärten,
Flammhärten oder
Induktionshärten
eingesetzt werden.
-
Aus
der
DE 100 24 990
A1 ist ein Verfahren zum induktiven Härten eines solchen Bauteiles
bekannt. Dort wird eine Kurbelwelle, welche wenigstens einen exzentrischen
Pleuelzapfen beinhaltet, mittels eines berührungslos arbeitenden Induktors
gehärtet, indem
sie während
des Härtens
eine Rotationsbewegung um die Mittelachses eines Pleuelzapfens ausführt.
-
Ein
solches induktives Härteverfahren
erfordert jedoch einen erheblichen apparativen Aufwand. Einfacher
und auch in der Großserienfertigung
besser einsetzbar ist wegen der hohen Flexibilität und Automatisierbarkeit das
Härten
mit Hilfe eines energiereichen Strahls, beispielsweise eines Elektronen- oder
Laserstrahls.
-
Weiterhin
ist aus der
DE 42 09
938 C1 ein Verfahren zum Härten einer Kurbelwelle bekannt,
bei welchem die Kurbelwelle rotiert wird, während zum Umschmelzhärten eine
still stehende Laserstrahlquelle verwendet wird. Dort muss jedoch
die Kurbelwelle während
des Härtevorgangs
mehrmals umgespannt und neu gehandhabt werden, was eine Automatisierung
des Verfahrens erschwert.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen,
mit dem ein Bauteil mit mehreren rotationssymmetrischen Abschnitten,
welche unterschiedliche, zueinander parallele Mittelachsen aufweisen,
mit geringem apparativen Aufwand an allen Umfangsflächen gehärtet werden
kann.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Danach wird ein ortsfester energiereicher Strahl zum Härten verwendet,
während
das Bauteil mit Hilfe des Greifers eines sechsachsigen Industrieroboters
rotiert wird und während
der gesamten Dauer der Bearbeitung durch den energiereichen Strahl
in einer einzigen Einspannung im Greifer gehalten wird. Dadurch, dass
nicht der zum Härten
verwendete Strahl, sondern das Bauteil selber bewegt wird, wird
der apparative Aufwand zum Härten
erheblich gesenkt. Weiterhin ist durch die Verwendung eines Industrieroboters eine
einfache Handhabung des Bauteils in dessen drei Freiheitsgraden
möglich.
Daher ist das Verfahren sehr gut für den Einsatz in der Großserienfertigung
geeignet.
-
Industrieroboter
befinden sich weiterhin in breitem industriellem Einsatz und sind
dort seit langem erprobt.
-
Vorteilhafterweise
wird als energiereicher Strahl ein Laserstrahl verwendet. So kann
beim Härten
das Prinzip der Selbstabschreckung genutzt werden, was das Verfahren
vereinfacht, da keine zusätzlichen
Medien und Apparate zum Kühlen
bereitgestellt werden müssen
(Anspruch 2).
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung werden mehrere energiereiche Strahlen
gleichzeitig verwendet. Auf diese Weise kann das Verfahren in kürzerer Zeit
durchgeführt
werden, was in der Fertigung die Taktzeiten sowie die Kosten senkt
(Anspruch 3).
-
Weiterhin
kann vorteilhaft das Bauteil mit Hilfe eines Handhabungsroboters
der Härtestation
zugeführt
werden. Auch durch diese Maßnahme
können
die Bearbeitungszeiten für
das Härten
deutlich reduziert werden (Anspruch 4).
-
Zweckmäßigerweise
entspricht die Handachse des Manipulators der Rotationsachse eines der
Abschnitte des Bauteils. So kann die Rotation des Bauteils auf eine
sehr einfache Weise durchgeführt
werden (Anspruch 5).
-
Weiterhin
wird vorteilhafterweise die Rotation um eine zur Handachse des Manipulators
exzentrische Drehachse durchgeführt.
So kann die Härtung mittels
eines feststehenden energiereichen Strahls durch eine intelligente
Steuerung des Manipulators mit geringem apparativem Aufwand durchgeführt werden,
da das Bauteil nicht während
des Verfahrens umgespannt werden muss (Anspruch 6).
-
Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung
hervor.
-
In
den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigen
-
1 eine
Kurbelwelle während
der Durchführung
des Verfahrens,
-
2 den
ersten Verfahrensschritt,
-
3 einen
weiteren Verfahrensschritt,
-
4 einen
weiteren Verfahrensschritt sowie
-
5 einen
weiteren Verfahrensschritt.
-
In 1 ist
ein Bauteil 1 mit mehreren rotationssymmetrischen Abschnitten
dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem Bauteil 1 um eine Kurbelwelle 2.
Diese weist verschiedene rotationssymmetrische Abschnitte in Form von
in den folgenden Figuren genauer gezeigten Lagerstellen auf, welche
einzeln über
ihren gesamten Umfang gehärtet
werden sollen. Weiterhin zeigt 1 einen
energiereichen Strahl 17, mit welchem die Oberflächenbehandlung
der Lagerstellen durchgeführt
wird. Die Kurbelwelle 2 ist in einen Greifer 19 eines
Manipulators 21 mit drei Bewegungsachsen eingespannt, durch
welchen sie während
der Durchführung
des Verfahrens gehandhabt wird. Der Manipulator 21 weist
dabei zwei translatorische sowie einen rotatorischen Freiheitsgrad
auf, so dass das Bauteil 1 in seiner Längsrichtung und quer zu seiner Längsrichtung
translatorisch verschoben werden sowie um eine Mittelachse rotiert
werden kann.
-
In
diesem Ausführungsbeispiel
ist als Manipulator ein sechsachsiger Industrieroboter 22 vorgesehen.
Unter einem Industrieroboter 22 versteht man dabei eine
in sechs Freiheitsgraden frei programmierbare, mit Greifern und
Werkzeugen ausgerüstete automatische
Handhabungseinrichtung, welche für den
industriellen Einsatz konzipiert ist. Die wichtigsten Teilsysteme
eines Industrieroboters 22 sind die Kinematik, das Steuerungssystem,
das Antriebssystem, das Wegmesssystem und das Sensorsystem. Bei
der Kinematik unterscheidet man rotatorische und translatorische
Elemente. Die Steuerung des Industrieroboters 22 kann als
Punktsteuerung, bei der nur einzelne Punkte im Raum anfahrbar sind,
oder als Bahnsteuerung ausgeführt
sein. Die Antriebssysteme sind Elektromotoren, Hydraulikmotoren
oder – zylinder
sowie vereinzelt auch positionierbare pneumatische Antriebssysteme.
Als Wegmesssysteme werden lineare oder rotatorische, digitale oder
analoge Weg- und Winkelmesssysteme eingesetzt. Die Sensoren können berührend (taktil)
oder berührungslos
(meist optisch) arbeiten und sind zur Erfassung des Umfeldes im
Arbeitsraum eines Industrieroboters 22 eingesetzt.
-
2 zeigt
die Kurbelwelle 2 während
der Durchführung
des ersten Verfahrensschritts.
-
Die
Kurbelwelle 2 hat die Aufgabe, die über die Pleuelstange eingeleiteten
Kolbenkräfte
aufzunehmen, sie in ein Drehmoment zu wandeln und dieses Drehmoment
an das Getriebe weiterzuleiten. Die Kurbelwelle 2 weist
dabei eine Anzahl an Lagerstellen auf, an denen sie abgestützt wird.
Diese werden im Folgenden als Hauptlager 3,4,5,6,7 bezeichnet.
In diesem Ausführungsbeispiel
handelt es sich um die Kurbelwelle 2 eines Vierzylinder-Reihenmotors
mit fünffacher
Lagerung, die Anzahl der Hauptlager 3,4,5,6,7 beträgt also
fünf. Die
Hauptlager 3,4,5,6,7 weisen
alle dieselbe, im Folgenden als Hauptlagerachse 13 bezeichnete
Rotationsachse auf. Neben den Hauptlagern 3,4,5,6,7 umfasst
die Kurbelwelle 2 eine Anzahl von Hublagern 8,9,10,11.
An diesen Hublagern 8,9,10,11 greifen
die Pleuelstangen an. Sie werden daher auch als Kurbelzapfen bezeichnet. Dementsprechend
entspricht die Anzahl der Hublager 8,9,10,11 der
Anzahl der Zylinder, in diesem Fall vier. Die Hublager 8 und 11 weisen
dieselbe, im Folgenden als erste Hublagerachse 14 bezeichnete Rotationsachse
auf, während
die beiden anderen Hublager 9,10 die zweite Hublagerachse 15 als
Rotationsachse besitzen. Sowohl die erste Hublagerachse 14 als
auch die zweite Hublagerachse 15 liegen exzentrisch im
Bezug auf die Hauptlagerachse 13. Aufgrund der hohen Anforderungen
an ihre Verschleißfestigkeit
müssen
alle Lagerstellen 3,4,5,6,7,8,9,10,11 gehärtet werden.
-
Im
Folgenden wird das Verfahren zum Härten der Lagerstellen 3,4,5,6,7,8,9,10,11 detailliert
beschrieben; die Anzahl der Verfahrensschritte richtet sich dabei
nach der Anzahl der Lagerstellen 3,4,5,6,7,8,9,10,11:
Das
Bauteil 1 bzw. die Kurbelwelle 2 befindet sich
mit einer Einspannstelle 27 in der Einspannung des Greifers 19 des
Industrieroboters 22. Die Einspannung erfolgt dabei derart,
dass die Handachse 25 des Industrieroboters 22,
also die Achse, um welche der Greifer 19 rotieren kann,
mit der Hauptlagerachse 13 übereinstimmt.
-
Weiterhin
dargestellt ist ein ortsfester energiereicher Strahl 17,
der in diesem Fall als Laserstrahl 23 ausgeführt ist.
Dieser Laserstrahl 23 bewegt sich während der gesamten Durchführung des
Verfahrens nicht. Vielmehr wird die Kurbelwelle 2 durch den
Greifer 19 zunächst
so positioniert, dass der Laserstrahl 23 auf das erste
Hauptlager 3, welches in diesem Beispiel ganz links liegt,
auftrifft. Weiterhin wird die Robotersteuerung so programmiert,
dass der Greifer 19 dann eine Rotation 29 um seine
Handachse 25 und somit die Kurbelwelle 2 eine
Rotation 29 um die Hauptlagerachse 13 durchführt. Während der
Bewegung des Hauptlagers 3 unter dem Laserstrahl 23 hindurch
wird das Material der Umfangsfläche
des Hauptlagers 3 lokal erhitzt. Bei dem darauf folgenden
raschen Abkühlen,
wenn das Material keiner Bestrahlung mehr ausgesetzt ist, findet
eine Gefügeveränderung
statt, die zu der gewünschten
Aufhärtung
des bestrahlten Bereichs, also der gesamten Umfangsfläche des
Hauptlagers 3 führt.
-
In 3 ist
als folgender Verfahrensschritt das Härten eines weiteren Hauptlagers 4 dargestellt. Dazu
wird die Kurbelwelle 2 in Pfeilrichtung 30 durch den
Greifer 19 entlang der Hauptlagerachse 13 um den
Abstand zwischen erstem Hauptlager 3 und zweitem Hauptlager 4 translatorisch
verschoben, bis der Laserstrahl 23 auf das zweite Hauptlager 4 auftrifft.
Anschließend
erfolgt analog zum ersten Verfahrensschritt das Härten des
zweiten Hauptlagers 4 durch Rotation 29 um die
Hauptlagerachse 13.
-
Der
in 3 beschriebene Verfahrensschritt wird nun so oft
wiederholt, bis alle Hauptlager 3,4,5,6,7 gehärtet sind.
-
Anschließend erfolgt
die Härtung
der Hublager in den folgenden Schritten:
In 4 ist
zunächst
das Härten
des ersten Hublagers 8 dargestellt. Dazu wird die Kurbelwelle 2 zunächst wieder
translatorisch durch den Greifer 19 in eine derartige Position
bewegt, dass das erste Hublager 8 durch den Laserstrahl 23 bestrahlt
wird. Dann erfolgt, ohne die Einspannung der Kurbelwelle 2 zu ändern, zum
Härten
des Hublagers 8 eine Rotation 31 der Kurbelwelle 2 um
die in Bezug auf die Handachse 25 des Greifers 19 exzentrisch
gelegene erste Hublagerachse 14. So kann die Härtung des
Hublagers 8 erfolgen, ohne dass die Position des Laserstrahls 23 verändert werden
muss. Eine solche exzentrische Rotation 31, bei der die
Rotationsachse nicht der Handachse 25 des Greifers 19 entspricht, ist
mit modernen Robotersteuerungen ohne weiteres durchzuführen. Es
ist leicht möglich,
der Bahnsteuerung des Industrieroboters 22 als Sollbewegung
eine Rotation um einen beliebigen Punkt im Raum vorzugeben. Die
Robotersteuerung rechnet diese Sollbahn dann intern in die entsprechende
komplexe Bewegung entlang der Roboterachsen um, so dass vom Verfahrensaufwand
her kein Unterschied zu einer einfachen Rotation 29 um
die Handachse 25 besteht.
-
Analog
erfolgt im nächsten
Schritt die Härtung
des vierten Hublagers 11 durch eine vorausgehende translatorische
Verschiebung der Kurbelwelle 2 um den Abstand zwischen
erstem Hublager 8 und viertem Hublager 11 mit
anschließender
exzentrischer Rotation 31 um die gleiche Hublagerachse 14 zum
Härten
der Lagerstelle 11.
-
In 5 ist
das Härten
des zweiten Hublagers 9 verdeutlicht. In Analogie zu dem
in 4 dargestellten Vorgehen führt hier der Greifer 19 mit
der darin eingespannten Kurbelwelle 2 wieder eine Rotation 33 um
eine exzentrische Rotationsachse, in diesem Fall die zweite Hublagerachse 15,
durch. Dabei wird die Härtung
des zweiten Hublagers 9 durchgeführt.
-
Anschließend wird
die Kurbelwelle 2 wieder translatorisch so verschoben,
dass das dritte Hublager 10 unter dem Laserstrahl 23 liegt.
Dieses dritte und letzte Hublager 10 wird nun durch eine
weitere Rotation 33 um die zweite Hublagerachse 15 gehärtet.
-
Nach
diesem Verfahrensschritt ist das Härten sämtlicher Lagerflächen der
Kurbelwelle 2 abgeschlossen. Mit Hilfe des Verfahrens ist
es möglich, alle
Lagerstellen 3,4,5,6,7,8,9,10,11 in
einer einzigen Einspannung ohne Anpassung der Position des energiereichen
Strahls 17, nur durch eine intelligente Steuerung des Industrieroboters 22,
mit minimalem Aufwand zu härten.
-
Abweichend
von dem obigen Ausführungsbeispiel
können
statt eines einzelnen Laserstrahls 23 auch mehrere Laserstrahlen
zum Einsatz kommen. Beispielsweise ist es bei einer gemäß 2 gestalteten
Kurbelwelle 2 möglich,
bis zu fünf
parallel angeordnete Laserstrahlen einzusetzen, die bei einer Rotation 29 um
die Hauptlagerachse 13 alle Hauptlager gleichzeitig härten. Anschließend könnten jeweils zwei
Laserstrahlen diejenigen Hublager 8 und 11 bzw. 9 und 10,
die gleiche Rotationsachsen aufweisen, während einer Rotation 31 bzw. 33 um
die entsprechende Hublagerachse 14 bzw. 15, gleichzeitig härten.
-
Weiterhin
kann im Hinblick auf die Serientauglichkeit des Verfahrens neben
dem oben verwendeten Industrieroboter 22 noch ein weiterer
Handhabungsroboter eingesetzt werden, so dass der Industrieroboter 22 allein
das Härten
mit den entsprechenden Rotations- und Translationsbewegungen übernimmt,
während
der Handhabungsroboter fertig bearbeitete Bauteile 1 aus
der Einspannung entnimmt und beiseite legt sowie das nächste Bauteil
aufnimmt und zum Industrieroboter 22 hinbewegt. So kann
die Taktzeit noch weiter gesenkt werden, und der Laserstrahl 23 befindet
sich ununterbrochen im Einsatz.
-
Das
vorgestellte Verfahren ist somit wesentlich einfacher und günstiger
als ein Verfahren zum Laserhärten,
bei dem der Laserstrahl 23 beweglich ist und sensorisch
der Kontur des Bauteils 1 nachgeführt werden muss. Neben dem
Aufwand für
die Sensorik muss in diesem Fall auch die Laseroptik in allen drei
Raumrichtungen frei bewegbar sein.
-
Neben
dem in dem Ausführungsbeispiel
verwendeten Laserstrahl 23 kann auch ein Elektronenstrahl
als energiereicher Strahl 17 zum Härten verwendet werden. Dann
muss allerdings die Anlage so ausgeführt werden, dass in der Umgebung
des Elektronenstrahls und seines Arbeitsbereichs ein Vakuum vorgesehen
ist.
-
Das
Verfahren ist nicht beschränkt
auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele.
-
Neben
dem dargestellten Härten
einer Kurbelwelle 2 ist es mit diesem Verfahren auch möglich, die
Oberflächen
anderer Bauteile 1 mit einer ähnlichen Geometrie zu härten. Denkbar
ist beispielsweise die Anwendung auf Nockenwellen.
-
Weiterhin
ist das Verfahren unabhängig
von der Anzahl der rotationssymmetrischen Abschnitte. Die oben dargestellte
Vierzylinder-Kurbelwelle 2 ist nur zur Illustration der
Vorgehensweise gewählt.
-
Ferner
ist die Reihenfolge, in welcher die einzelnen Abschnitte gehärtet werden,
weitgehend beliebig. Sinnvoll ist allerdings aus Gründen der
Zeitersparnis eine direkt aufeinander folgende (oder sogar parallele)
Härtung
aller Abschnitte, welche dieselbe Rotationsachse besitzen.