-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines bruchgetrennten
Werkstücks
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein nach dem Verfahren herstellbares
Werkstück
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 13 und ein bruchgetrenntes Werkstück nach den Oberbegriff des
Anspruchs 14.
-
Ein
bekanntes Verfahren zum Bruchtrennen eines Werkstücks ist
aus der
US 5,208,979 bekannt. In
dieser ist beschrieben, dass in ein Lagerauge eines Pleuel mittels
eines Laserstrahls zwei diametral zueinander verlaufende linienartige
Bruchtrennkerben eingebracht werden, entlang denen das Werkstück anschließend in
einen Lagerboden und einen Lagerdeckel bruchtrennbar ist. Beim Bruchtrennen ergeben
sich auf den entstehenden Bruchtrennflächen des Lagerbodens und des
Lagerdeckels Mikro- und Makroverzahnungen, die beim Fügen eine
einfache Positionierung des bruchgetrenntes Werkstücks erlauben
sollen.
-
Es
hat sich jedoch gezeigt, dass trotz der Mikro- und Makroverzahnungen
der Lagerboden und der Lagerdeckel beim Fügen relativ zueinander verrutschen
können,
so dass sich ein passungenauer Lagersitz ausbildet. Das Verrutschen
kann darauf beruhen, dass der Lagerboden und der Lagerdeckel in der
zu fügenden
Position nur schwer zugänglich
sind, so dass eine genaue Relativausrichtung zueinander nur bedingt
möglich
ist. Zum anderen basiert das Verrutschen auf während des Betriebs auftretenden Querkräften, die
zu einem seitlichen Versatz der Bruchflächen führen können. Weiterhin weisen z.B. Sinter- Werkstücke oder
Werkstücke
aus hochfesten Materialien relativ glatte Bruchflächen auf,
so dass der passgenaue Lagersitz nur schwierig erreichbar ist.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bruchtrennen
zu schaffen, mittels dem ein zu bruchtrennendes Werkstück derart
bearbeitet wird, dass eine anschließende passgenaue Fügung des
bruchgetrennten Werkstücks
ermöglicht wird.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein bruchzutrennendes
Werkstück,
sowie ein bruchgetrenntes Werkstück
zu schaffen, das passgenau und einfach zu fügen ist.
-
Diese
Aufgaben werden gelöst
durch ein Verfahren zum Bruchtrennen mit den Merkmalen nach dem
Anspruch 1 und durch ein Werkstück
mit den Merkmalen nach den Ansprüchen
13 bzw. 14.
-
Erfindungsgemäß wird zum
Bruchtrennen eines Lagerauges eines Werkstücks in einen Lagerboden und
einen Lagerdeckel ein Laserstrahl zum Einbringen diametraler Bruchtrennkerben
in das Lagerauge oder das Werkstück
derart verfahren, dass mindestens ein zur Längsachse der jeweiligen Bruchtrennkerbe
angestellter Bereich hergestellt wird. Mit anderen Worten gesagt,
die Bruchtrennkerbe wird nicht gerade ausgebildet sondern mit einer
Auswölbung
(gekrümmt
oder eckig) versehen.
-
An
der erfindungsgemäßen Lösung ist
vorteilhaft, dass in der sich ausbildenden Bruchtrennfläche beispielsweise
des Lagerbodens z.B. jeweils eine Erhebung, und entsprechend in
der sich ausbildenden Bruchtrennfläche des Lagerdeckels jeweils eine
korrespondierende Senke ausbildet, die beim Fügen eine Vorzentrierung bilden
und somit eine ungewollte Verschiebung des Lagerbodens und des Lagerdeckels
in axialer Richtung (mit Bezug zur Lagerachse) vermeiden. Gleichzeitig
werden bei geeigneter Ausbildung der Bruchtrennkerbe der Lagerboden und
der Lagerdeckel auch in radialer Richtung vorzentriert, so dass
ebenfalls eine Verschiebung in radialer Richtung vermieden wird.
-
Ferner
zeigen sich die mit diesem Verfahren hergestellten Werkstücke im Vergleich
zu den mit einem bekannten Verfahren hergestellten Werkstücken durch
die Stützwirkung
der korrespondierenden Bereiche sehr schubsicher. Ferner erlaubt
die Vorzentrierung ebenfalls den Verzicht externer Einrichtungen
zum Führen
des Lagerdeckels und Lagerbodens beim Fügen.
-
Bevorzugte
Werkstücke
zum Bruchtrennen sind metallische Werkstücke wie zum Beispiel Pleuel, Kurbelgehäuse und
Kreuzgelenke.
-
Ein
vorzugsweise mit dem Verfahren hergestelltes Werkstück weist
im noch nicht bruchgetrennten Zustand im Lagerauge zwei diametral
zueinander verlaufende Bruchtrennkerben auf, die jeweils quer zu
ihrer Längsachse
zumindest einen ausgelenkten Bereich aufweisen.
-
Nach
dem Bruchtrennen weist ein erfindungsgemäßes Werkstück einen Lagerboden und ein
Lagerdeckel mit Bruchtrennflächen
auf, in denen jeweils im Bereich ihrer Bruchtrennkerbe zumindest ein
quer zur Längsachse
der Bruchtrennkerbe ausgelenkter korrespondierender Bereich vorgesehen ist,
der sich in radialer Richtung weg von der Bruchtrennkerbe ausläuft, so
dass die Bruchtrennfläche
von einem ausgewölbten
Bereich in einen flachen Bereich übergeht.
-
Durch
das radiale Auslaufen des erfindungsgemäßen Bereichs erfolgt die bereits
oben erwähnte Vorzentrierung
auch in radialer Richtung, so dass durch das Zusammenwirken der
axialen und radialen Führung
der Lagerboden und der Lagerdeckel nur einen vordefinierten passgenauen
Lagersitz bilden können.
-
Zur
Vermeidung eines unkontrollierten Bruchverlaufs wird der angestellte
Bereich bevorzugterweise als eine Wölbung mit abgerundeten bzw. weichen
Kurvenverlauf ausgebildet, die sich etwa im Bereich einer die Bruchtrennebene
durchsetzende Schraubbohrung zur Aufnahme von einer Fügeschraube
befindet.
-
Bei
einer Ausführungsform
wird die Wölbung einseitig
quer zur Längsachse
ausgebildet.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
wird der Laserstrahl oder das Werkstück wiederholend quer zur Längsachse
verfahren, so dass sich in dem Werkstück eine Vielzahl von Wölbungen
bzw. Kreisegmentenzügen
ergeben. Vorteilhafterweise ergeben die Wölbungen eine Wellenform, die
sich beidseitig etwa symmetrisch quer zur Längsachse erstreckt und in geraden
Endabschnitten ausläuft.
Eine besonders harmonische Wellenform ist eine Sinuswelle mit einer
maximalen Amplitude von 1,1 mm.
-
Die
Sinusform ist besonders bei Lageraugen vorteilhaft, in die eine
Wälzlagerführung zur
Führung eines
rotierenden Bauteils eingesetzt ist, da bei einem derartigen Verlauf
der Bruchtrennkerbe die Rollabwälzung
der Walzkörper
verbessert ist und beim Überqueren
der Bruchtrennkerbe kein Schlag wie bei bekannten gerade verlaufenden
Bruchtrennkerben in den jeweiligen Wälzkörper und somit in die wälzlagerführung eingeleitet
wird.
-
Die
erforderliche Laserleistung zum Ausbilden der Bruchtrennkerben in
das Werkstück
lässt sich
dadurch verringern, dass die Bruchtrennkerbe aus einer Vielzahl
von zueinander beabstandeten Sacklochbohrungen ausgebildet wird.
Dabei wird die Ausbildung der Bruchebene durch eine Schrägstellung
der Sacklochbohrungen und durch eine fingerförmige Ausbildung derselben
begünstigt.
Eine derartig ausgebildete Bruchtrennkerbe hat des Weiteren den
Vorteil, dass mit begrenzter Impulsenergie eine Härteschicht
des Lagerauges sicher durchtrennbar ist, so dass eine eindeutig
definierte Kerbwirkung vorhanden ist. Vorteilhafterweise erstrecken
sich die Sacklochbohrungen durch die Härteschicht hindurch. weiterhin
ist vorteilhaft, dass insbesondere bei eingesetzten Wälzlagerführungen
sich nach dem Zusammenfügen
des Lagerauges ausbildende Restkerbtrichter der Sacklochbohrungen
als Mikroschmierkammern mit oder ohne Verbund wirken können.
-
Beim
Fügen hat
sich gezeigt, dass die Vorzentrierung durch ein hintereinander geschaltetes Verschrauben
der Fügeschrauben
begünstigt
wird, da auf diese Art und Weise die Wölbungen leicht ineinander rutschen
können.
-
Sonstige
vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand weiterer Unteransprüche.
-
Im
Folgenden erfolgt eine ausführliche
Erläuterung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung anhand schematischer Darstellungen. Es zeigen
-
1 einen
Abschnitt eines Lagerauges, in dem eine erfindungsgemäße Bruchtrennkerbe
eingebracht ist,
-
2 eine
Bruchtrennfläche
des Lagerauges aus 1 nach dem Bruchtrennen,
-
3 einen
Abschnitt eines Lagerauges, in dem eine alternative erfindungsgemäße Bruchtrennkerbe
eingebracht ist,
-
4 einen
Verlauf der Bruchtrennkerbe aus 3,
-
5 eine
Bruchtrennfläche
des Lagerauges aus 3 nach dem Bruchtrennen,
-
6 einen
weiteren Verlauf einer Bruchtrennkerbe und
-
7 eine
geometrische Darstellung der Wellenform aus 6.
-
1 zeigt
einen Abschnitt eines Lagerauges 2 eines Pleuels, an dessen
Innenumfangsfläche 4 eine
sich in axialer Richtung erstreckende erfindungsgemäße Bruchtrennkerbe 6 eingebracht
ist. Diametral zu dieser Bruchtrennkerbe 6 ist eine zweite Bruchtrennkerbe
in der Innenumfangsfläche 4 des Lagerauges 2 vorgesehen,
auf dessen Betrachtung jedoch aufgrund ihrer Identität mit der
Bruchtrennkerbe 6 verzichtet wird.
-
Die
Bruchtrennkerbe 6 definiert die beim Bruchtrennen sich
ausbildende und gestrichelt angedeutete Bruchtrennebene 8,
entlang der das Lagerauge 2 in einen Lagerboden 10 und
einen Lagerdeckel 12 bruchgetrennt wird. Die Bruchtrennkerbe 6 ist mit
linienförmigen,
zur Lagerachse achsparallelen Endabschnitten versehen. In ihrem
Mittelabschnitt ist eine einseitige, sich quer zur Längsachse
ausgelenkte Wölbung 14 ausgebildet,
wodurch sich nach dem Bruchtrennen in dem Lagerboden 10 eine
Erhebung und in dem Lagerdeckel 12 eine korrespondierende Senke
ausbildet. Zur Vermeidung von Spannungsspitzen weist die Wölbung 14 einen "weichen" Kurvenverlauf ohne
scharfkantige Spitzen auf. Eine räumliche Betrachtung der Wölbung 14 erfolgt
unter 2.
-
2 zeigt
eine Draufsicht auf eine Bruchtrennfläche 16 des Lagerbodens 10 nach
dem Bruchtrennen. Aus dieser Ansicht ist erkennbar, dass sich die
Wölbung 14 von
der Bruchtrennkerbe 6 nach innen hin zu einer Schraubbohrung 18 zur
Aufnahme einer Fügeschraube
zum Fügen
des bruchgetrennten Lagerauges 2 erstreckt, die den Lagerboden 10 und
den Lagerdeckel 12 senkrecht zur Bruchtrennfläche 16 bzw.
zur Bruchtrennebene 8 durchsetzt. Weiterhin ist zu erkennen,
dass die Wölbung 14 im
weiteren Verlauf zur Außenumfangsfläche 20 des
Lagerauges 2 ausläuft,
so dass die Bruchtrennfläche 16 dann
im wesentlichen als eine ebene Fläche ausgebildet ist. Selbstverständlich weist
die Bruchtrennfläche 16 dennoch
die für
das Bruchtrennen spezifischen Mikro- und Makroverzahnungen auf.
Das radiale Auslaufen der Wölbung 14 erfolgt
relativ schnell, so dass das Lagerauge 2 beim Fügen im wesentlichen
in axialer Richtung und in radialer Richtung nur geringfügig vorzentriert
ist. D.h., durch diese Vorzentrierung kann bei der Montage noch
ein Versatz in Radialrichtung bewusst zugelassen werden.
-
3 zeigt
einen Abschnitt eines Lagerauges 2 eines Pleuels, in dessen
Innenumfangsfläche 4 in
axialer Richtung eine etwas anders gestaltete Bruchtrennkerbe 22 eingebracht
ist.
-
Die
Bruchtrennkerbe 22 hat eine Vielzahl von Wölbungen 24,
die sich beidseitig quer zur Längsachse
der Bruchtrennkerbe 22 erstrecken, so dass sich eine Wellenform
mit etwa symmetrisch zur Längsachse
ausgebildeten Tälern
und Wellen ergibt, die vorzugsweise in geraden Endabschnitten auslaufen.
Vorzugsweise ist die Wellenform als eine Sinuswelle mit weichen
Kurvenverlauf mit einer maximalen Amplitude von 0,8 mm dargestellt.
Zur Verdeutlichung der Wellenform quer zur Längsachse sei auf
-
4 verwiesen.
Dabei entspricht die x-Achse des Diagramms der Längsachse der Bruchtrennkerbe 22 und
die z-Achse des Diagramms der Quererstreckung der Bruchtrennkerbe 22,
wobei eine bevorzugte maximale Amplitude von 0,4 mm gezeigt ist. Zur
räumlichen
Verdeutlichung der Wellenform wird auf 5 verwiesen.
-
5 zeigt
eine Draufsicht auf eine Bruchtrennfläche 16 eines Lagerbodens 10 des
bruchgetrennten Lagerauges 2. Die Bruchtrennkerbe 22 ist gemäß der 3 wellenförmig ausgebildet,
wobei zumindest eine der Wölbungen 24 im
Bereich einer Schraubbohrung 18 angeordnet ist, die die
Bruchtrennfläche 16 senkrecht
durchsetzt.
-
Ähnlich wie
beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
erstrecken sich die Wölbungen 24 von der
Bruchtrennkerbe 6 weg. D.h. auch diese Wölbungen 24 laufen
in radialer Richtung weg von der Bruchtrennkerbe 22 aus
und gehen dann in eine flache, herkömmliche Bruchtrennfläche über. Dabei
laufen die Wölbungen 24 später als
beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
gemäß 2 aus
und erstrecken sich bis in den Bereich der Schraubbohrung 18 oder über diese
hinaus. Aufgrund der Vielzahl der Wölbungen 24 ist eine
verbesserte axiale und radiale Vorzentrierung möglich.
-
Gemäß 6 kann
die Bruchtrennkerbe 22 auch nur zwei entgegengesetzt verlaufende
Wölbungen 24 haben,
so dass eine Wellenform mit einem Tal 26 und einem Berg 28 ausgebildet
ist, die jeweils in flachen Endabschnitten auslaufen. In Radialrichtung erstreckt
sich das Tal 26 und der Berg 28 etwa bis zur Hälfte einer
nicht dargestellte Schraubbohrung hinaus und enden in einer flachen,
herkömmlichen Bruchtrennebene.
Die Wellenform kann sich jedoch auch über die Schraubbohrung hinaus erstrecken und
dann auslaufen. Wann die Wellenform in radialer Richtung ausläuft, richtet
sich im Wesentlichen nach der Geometrie der Wellenform. So kann
die Wellenform auch bereits vor oder erst nach der Sacklochbohrung
in eine flache Bruchtrennebene übergehen. Die
Wellenform ist symmetrisch zur Längsachse
der Bruchtrennkerbe 22 ausgebildet und hat einen sinusförmigen Verlauf,
so dass gemäß Figur
eine linke positive Sturzfläche 30 einer
rechten negativen Sturzfläche 32 entspricht.
Vorzugsweise hat die Wellenform eine Periode, wodurch die radiale
Vorzentrierung gegenüber
mehrperiodenartigen nochmals Wellenformen verbessert ist.
-
Die
Formulierung "sinusförmiger Verlauf" kann sowohl als
eine Sinuskurve im mathematischen Sinn verstanden werden als auch
als eine sinusartige Kurve. Die hier in den 6 und 7 beispielhaft beschriebene
Wellenform entspricht einer sinusartigen Kurve, die sich aus einer
Vielzahl von Bögen 34, 36, 38, 40 und
einer die Bögen 34, 36 verbindenden Geraden 42 zusammensetzt.
Eine derartige Form ist im Hinblick auf CNC-Maschinen einfacher
und schneller zu programmieren als eine mathematische Sinuskurve.
Die dargestellte Kurve hat eine Amplitude A von etwa 1,1 mm und
einen jeweiligen Radius R von etwa 1,5 mm in den scheitelpunktbezogenen
Bögen 34, 36 des
Tals 26 bzw. Bergs 28, die über die Gerade 42 miteinander
verbunden sind. Ebenfalls weisen die Bögen 38, 40 in
den Übergangsbereichen von
dem Tal 26 bzw. dem Berg 28 in ihren jeweiligen flachen
Endabschnitt einen Radius R von etwa 1,5 mm auf.
-
Die
Geometrie der Wellenform, beispielsweise die Amplitude, richtet
sich unter Anderem nach der Größe des zu
bruchtrennenden Werkstücks.
So kann die Wellenform z. B. bei einem Pleuel für einen Motorradmotor eine
andere Geometrie als ein Pleuel für einen LKW-Motor haben.
-
Die
Einbringung der Bruchtrennkerben
6,
22 kann über eine
entsprechende Bewegung des Pleuels oder eines Laserstrahls quer
zur Längsachse
der Bruchtrennkerben
6,
22 erfolgen. Dabei kann
das Pleuel auf einer 3-Achseinheit
angeordnet sein bzw. der Laserstrahl kann über die 3-Achseinheit verfahren
werden. Des Weiteren kann eine Optik zur Teilung des Laserstrahls
in zumindest zwei Laserstrahle vorgesehen sein, so dass zeitgleich über einen
Laser zwei diametrale Bruchtrennkerben
6,
22 in
ein Lagerauge
2 eingebracht werden können. Zur Ausführung einer
derartigen Vorrichtung wird auf die deutsche Anmeldung
DE 103 25 910 A1 und das
europäische Patent
EP 0 808 228 B1 der
Anmelderin verwiesen.
-
Zur
Reduzierung der Energieeinbringung beim Ausbilden der Bruchtrennkerben
6,
22 in
das Pleuel werden diese als eine Vielzahl zueinander beabstandeter
Sacklochbohrungen ausgebildet. Idealerweise sind die Sacklochbohrungen
schräg
zueinander angestellt und fingerförmig ausgebildet. Eine ausführliche
Erläuterung
der Einbringung und Ausbildung der Sacklochbohrungen ist dem europäischen Patent
EP 0 808 228 B1 der
Anmelderin zu entnehmen.
-
Eine
derartig perforierte Ausbildung der Bruchtrennkerbe 6, 22 hat
sich aufgrund des reduzierten Energieeintrags in das Werkstück insbesondere
beim Bruchtrennen von Lageraugen 2 mit einer gehärteten Innenumfangsfläche 4 als
vorteilhaft herausgestellt. Dabei ist die Tiefe der Sacklochbohrungen
größer als
die radiale Erstreckung, d.h., die Dicke, der Härteschicht zu wählen, so
dass sich die Sacklochbohrungen durch die Härteschicht radial hindurch
erstrecken.
-
Lageraugen 2 mit
einer gehärteten
Innenumfangsfläche 4 werden
vorrangig dann eingesetzt, wenn das aufzunehmende Bauteil, bei Pleueln
zum Beispiel eine Kurbelwelle, über
eine Wälzlagerung
in dem Lagerauge 2 drehbar gelagert ist. Die Wälzlagerung
umfasst ein Vielzahl von Wälzkörpern, die
entlang der Innenumfangsfläche 4 rollen,
wobei durch die Härtung
der Innenumfangsfläche 4 ein
verbessertes Rollverhalten erzielbar ist. Dabei wird aufgrund der
sinusförmigen
Ausbildung der Bruchtrennkerbe 6, 22 verhindert,
dass in die Wälzkörper beim Überqueren
der Bruchtrennkerbe 6, 22 Schläge bzw. Stöße wie bei herkömmlichen
geraden Bruchtrennkerben eingeleitet werden, wodurch das Rollverhalten der
Wälzkörper bzw.
die Lagerung des zu lagernden Bauteil noch weiter verbessert ist.
-
Weiterhin
ist an der perforierten Ausbildung der Bruchtrennkerben 6, 22 vorteilhaft,
dass in Kombination mit der Wälzlagerung
die Sacklochbohrungen nach dem Fügen
Restkerbtrichter bilden, in denen ein Schmiermittel aufgenommen
werden kann, so dass die Restkerbtrichter als Mikroschmierkammern
für die
Wälzlagerung
wirken.
-
Beim
Fügen des
bruchgetrennten Lagerauges 2 wirkt sich die Vorzentrierung
besonders vorteilhaft aus, wenn der Fügevorgang in ein Vorverschrauben,
d.h. ein Verschrauben einer ersten Fügeschraube, und ein Endverschrauben,
d.h. ein Verschrauben einer zweiten Fügeschraube, untergliedert wird,
wobei beim Vorverschrauben die erste Fügeschraube bis zu einem vorbestimmten
Kontakt des Lagerbodens 10 mit dem Lagerdeckel 12 voreilt
und anschließend
beim Endverschrauben die zweite Fügeschraube vorbestimmt eingedreht
wird. Durch diese Art des Fügens
können
die korrespondierenden Wölbungen 14, 24 der
Bruchtrennflächen 16 so
gegeneinander verrutschen, dass sich der Lagerboden 10 und
der Lagerdeckel 12 axial und radial an den Wölbungen 14, 24 ausrichten,
bis der passgenaue Lagersitz, der dem Lagersitz vor dem Bruchtrennen
des Werkstücks
entspricht, erreicht ist.
-
Alternativ
kann das bruchgetrennte Lagerauge
2 auch mittels einem
Kontaktstoßverfahren
gefügt werden,
bei dem zum Beispiel über
einen Schwingungsgeber die sich berührenden Bruchtrennflächen beim
Fügen mit
kurzen Schwing- bzw. Schlagimpulsen beaufschlagt werden. Detaillierte
Ausführungen zum
Kontaktstoßverfahren
sind der deutsche Anmeldung
DE 101 61 817 A1 der Anmelderin zu entnehmen.
-
Auch
wenn in den vorliegenden Ausführungsformen
unter den 1 bis 5 nur die
Einbringung der Bruchtrennkerben im Bezug auf ein Pleuel dargestellt
ist, so sind eine Vielzahl von anderen Werkstücken wie zum Beispiel Kurbelwellengehäuse und
Kreuzgelenke möglich.
Grundsätzlich lässt sich
das Verfahren bei den Werkstücken
besonders vorteilhaft einsetzen, die vornehmlich ohne externe Führung einen
passgenauen Lagersitz auszubilden haben.
-
Offenbart
ist ein Verfahren zum Bruchtrennen eines Werkstücks in einen Lagerdeckel und
einen Lagerboden, wobei durch eine Bewegung des Werkstücks oder
eines Laserstrahls zum Einbringen diametraler Bruchtrennkerben diese
mit einem quer zu ihrer Längsrichtung
angestellten Bereich ausgebildet werden, sowie ein Werkstück mit derartigen Bruchtrennkerben
vor dem Bruchtrennen und ein Werkstück mit derartigen Bruchtrennkerben
nach dem Bruchtrennen.
-
- 2
- Lagerauge
- 4
- Innenumfangsfläche
- 6
- Bruchtrennkerbe
- 8
- Bruchtrennebene
- 10
- Lagerboden
- 12
- Lagerdeckel
- 14
- Wölbung
- 16
- Bruchtrennfläche
- 18
- Schraubbohrung
- 20
- Außenumfangsfläche
- 24
- Wölbung
- 26
- Tal
- 28
- Berg
- 30
- positive
Sturzfläche
- 32
- negative
Sturzfläche
- 34
- Bogen
- 36
- Bogen
- 38
- Bogen
- 40
- Bogen
- 42
- Gerade