DE102007024091A1

DE102007024091A1 - Verfahren zum gleichzeitigen Vergüten und Fügen

Info

Publication number: DE102007024091A1
Application number: DE200710024091
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Beerens; Roland Schacherer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2008-11-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergüten und Fügen eines ersten metallischen Bauteils, insbesondere eines Antriebteils wie beispielsweise eines Nockens (6), über einen Schrumpfsitz auf/mit einem zweiten Bauteil, insbesondere auf einer Nockenwelle (7), bei dem das erste Bauteil ausschließlich in einer Randzone (8) zumindest auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt wird, ein Härten des ersten Bauteils durch ein schnelles Abfließen der Hitze aus der erhitzten Randzone (8) in die nicht erhitzte Kernzone (9) erfolgt und durch die Restwärme in der Randzone (8) ein Anlassen des ersten Bauteils erfolgt. Dabei wird das erste Bauteil insgesamt so stark erwärmt, dass es zu einem thermischen Aufweiten kommt, welches ein Fügen mit dem zweiten Bauteil erlaubt, so dass das erste Bauteil durch Abkühlen und dem damit verbundenen Schrumpfen fest mit dem zweiten Bauteil verbunden werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergüten und Fügen eines ersten metallischen Bauteils, insbesondere eines Antriebsteils wie beispielsweise eines Nockens, über einen Schrumpfsitz auf oder mit einem zweiten Bauteil, insbesondere mit einer Nockenwelle.
Um zwei Bauteile fest miteinander verbinden zu können und um insbesondere einen Nocken fest mit einer Nockenwelle verbinden zu können, werden seit langem sogenannte thermische Fügeverfahren verwendet, bei welchen eines der Bauteile erwärmt und/oder das andere Bauteil abgekühlt wird, so dass sich die miteinander zu verbindenden Bauteile im erwärmten beziehungsweise abgekühlten Zustand problemlos in- beziehungsweise aufeinander schieben lassen. Durch den dann einsetzenden Temperaturausgleich schrumpft das erwärmte Bauteil beziehungsweise dehnt sich das abgekühlte Bauteil wieder aus, wodurch die beiden Bauteile fest und zuverlässig miteinander verbunden werden können. Bei diesem Verfahren werden die miteinander zu verbindenden Teile üblicherweise nicht passgenau angefertigt, sondern ein Teil geringfügig zu klein und das andere geringfügig zu groß, so dass die Teile bei Normaltemperatur nicht miteinander verbunden werden können. Erst durch die Erhitzung beziehungsweise Abkühlung und die damit verbundene Ausdehnung beziehungsweise Schrumpfung sowie ein anschließendes schnelles miteinander Verbinden kann die feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen hergestellt werden.
Da darüber hinaus insbesondere Nocken einer Nockenwelle nicht unerheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, werden diese üblicherweise vergütet, worunter man die Kombination aus Härten und Anlassen versteht. Hierdurch soll einerseits eine hohe Festigkeit und andererseits eine hohe Zähigkeit erreicht werden. Das Härten erfolgt durch eine schnelle Abkühlung aus dem Austenitgebiet heraus, wobei in der Regel beim Härten ein sogenanntes martensitisches Gefüge mit hoher Härte erreicht werden soll. Da die Abkühlgeschwindigkeit zum Härten des Werkstoffes sehr schnell erfolgen soll, werden üblicherweise Abschreckmedien wie beispielsweise Wasser, Öl oder Luft verwendet. Anschließend werden die Nocken noch angelassen, das heißt gezielt auf einer bestimmten Temperatur gehalten, um insbesondere Spannungen abzubauen. Dabei gilt die Regel, dass Stahl umso weicher wird, je höher man ihn anlässt. Das Anlassen steigert die Zähigkeit, verringert jedoch die Härte.
Generell erfolgte bisher das Vergüten von metallischen Stahlnocken vor einem Fügen in einem getrennten Arbeitsschritt, wodurch sich der Herstellungsvorgang für eine Nockenwelle einerseits verlängert und andererseits verteuert.
Die Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit dem Problem, ein Verfahren zum Vergüten und Fügen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil zeitlich zu verkürzen.
Gelöst wird dieses Problem durch die Merkmale des geltenden Patentanspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Prozess des Vergütens und des Fügens zusammenzulegen. Dabei wird das erste Bauteil ausschließlich in einer außenliegenden Randzone zumindest auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt, wobei ein Härten des ersten Bauteils anschließend durch ein schnelles Abfließen der Hitze aus der erhitzten Randzone in die nicht erhitzte Kernzone erfolgt. Durch den Temperaturausgleich zwischen der Randzone einerseits und der Kernzone andererseits erfolgt ein Anlassen des Bauteils, wodurch dessen Zähigkeit erhöht werden kann. Durch den Temperaturausgleich zwischen Randzone und Kernzone des ersten Bauteils wird das erste Bauteil insgesamt so stark erwärmt, dass es sich thermisch aufweitet und zwar soweit, dass ein Fügen mit dem zweiten Bauteil möglich ist. Nach dem Fügen mit dem zweiten Bauteil kühlt das erste Bauteil langsam ab und wird über einen Schrumpfsitz fest mit dem zweiten Bauteil verbunden. Von besonderem Vorteil ist hierbei die Integration eines Härtungsvorgangs, eines Anlassvorganges und des Fügens in einen Arbeitsschritt sowie die Möglichkeit, mit größeren Toleranzen reduziert bearbeitete Fügeteile zu verwenden. Ist das erste Bauteil darüber hinaus als Nocken und das zweite Bauteils als Nockenwelle ausgebildet, entfällt vorzugsweise ein Bohrungsschleifen des Nockens sowie ein Schleifen der Welle, da das weiche Innengefüge des Nockens tolerant gegenüber größeren Überdeckungen ist. Insgesamt kann durch die Integration des Vergütungsvorgangs in den Fügevorgang die Herstellzeit beispielsweise für eine Nockenwelle deutlich reduziert werden, wodurch sich Kosten einsparen lassen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird die Randzone des ersten Bauteils induktiv erhitzt. Eine Induktionsheizung, bei welcher ein wechselndes Magnetfeld erzeugt wird, das in einem elektrisch leitenden Körper einen Wirbelstrom erzeugt, bietet den großen Vorteil, dass durch die Formung des Induktors beziehungsweise der genutzten Frequenz der Metallkörper, hier das erste Bauteil, ausschließlich an bestimmten Stellen, hier nämlich der äußeren Randzone, erhitzt werden kann. Darüber hinaus entsteht die Hitze sofort und unmittelbar im ersten Bauteil selbst, beziehungsweise in dessen Innerem, muss also nicht erst durch Wärmeleitung dorthin geleitet werden. Ein induktives Erhitzen ermöglicht so eine besonders exakte und genau ausrichtbare Erhitzung des Bauteils in einem stark begrenzten Bereich, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren erst ermöglicht wird.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Vergüten und Fügen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil,
2 eine mögliche Ausführungsform eines ersten und zweiten Bauteils.
Entsprechend 1 weist ein möglicher Verfahrensablauf zum Vergüten und Fügen eines ersten metallischen Bauteils über einen Schrumpfsitz mit einem zweiten Bauteil vorzugsweise fünf Verfahrensschritte 1 bis 5 auf. Das erste metallische Bauteil kann dabei, wie in 2 gezeigt, beispielsweise ein Antriebsteil, insbesondere ein Nocken 6 sein, während das zweite Bauteil beispielsweise eine Nockenwelle 7 sein kann.
Im ersten Verfahrensschritt 1 wird nun das erste Bauteil, insbesondere der Nocken 6, ausschließlich in einer Randzone 8 (vergleiche 2) zumindest auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt. Im nachfolgenden Verfahrensschritt 2 wird durch ein schnelles Abfließen der Hitze aus der erhitzten Randzone 8 in die nicht erhitzte Kernzone 9 (vergleiche ebenfalls 2) das erste Bauteil, insbesondere der Nocken 6 gehärtet. Hierbei bildet sich ein martensitisches Gefüge.
Im Verfahrensschritt 3 erfolgt ein Anlassen des ersten Bauteils durch die Restwärme in der Randzone 8, wodurch die Zähigkeit des ersten Bauteils erhöht werden kann. Durch das Härten und Anlassen erwärmt sich das erste Bauteil insgesamt so stark, dass es im Verfahrensschritt 4 zu einem thermischen Aufweiten kommt, welches ein Fügen mit dem zweiten Bauteil, hier mit der Nockenwelle 7, erlaubt. Im fünften Verfahrensschritt 5 erfolgt das Abkühlen des ersten Bauteils auf dem zweiten Bauteil und damit verbundenem Festschrumpfen des ersten Bauteils auf dem zweiten Bauteil.
Durch die Verwendung einer Induktionsheizung kann das erste Bauteil ausschließlich in der Randzone 8 erhitzt werden, ohne dass die Kernzone 9 zunächst erwärmt wird. Die durch die Induktionsheizung hervorgerufenen Wirbelströme erwärmen dabei das erste Bauteil von innen heraus, so dass eine ungenaue Wärmeleitung beziehungsweise Wärmeübertragung auf das erste Bauteil vermieden werden kann.
Generell ist dabei ein Innendurchmesser des Nockens 6 in kaltem Zustand etwas kleiner als ein Außendurchmesser der Nockenwelle 7, so dass diese im nicht erwärmten Zustand nicht miteinander verbunden werden könnten. Durch das Aufheizen des Nockens 6 dehnt sich dieser jedoch so weit aus, dass der Nocken 6 problemlos auf die Nockenwelle 7 aufgeschoben werden kann und sich mit letzterer beim Abkühlen über einen Schrumpfsitz fest verbindet.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit den großen Vorteil, den Herstellungsprozess zu rationalisieren, indem der Vergütungsprozess gleichzeitig mit einem Fügeprozess ausgeführt wird.

Claims

Verfahren zum Vergüten und Fügen eines ersten metallischen Bauteils, insbesondere eines Antriebteils wie beispielsweise eines Nockens (6), über einen Schrumpfsitz auf/mit einem zweiten Bauteil, insbesondere auf einer Nockenwelle (7), bei dem – das erste Bauteil ausschließlich in einer Randzone (8) zumindest auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt wird, – ein Härten des ersten Bauteils durch ein schnelles Abfließen der Hitze aus der erhitzen Randzone (8) in die nicht erhitzte Kernzone (9) erfolgt, – durch die Restwärme in der Randzone (8) ein Anlassen des ersten Bauteils erfolgt, – sich das erste Bauteil insgesamt so stark erwärmt, dass es zu einem thermische Aufweiten kommt, welches ein Fügen mit dem zweiten Bauteil erlaubt, – das erste Bauteil durch Abkühlen und dem damit verbundenen Schrumpfen fest mit dem zweiten Bauteil verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (8) des ersten Bauteils induktiv erhitzt wird.
Ein mit dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 vergüteter und gefügter Nocken (6) auf einer Nockenwelle (7).