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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten einer Kurbelwelle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die
DE 10 2007 049 197 B4 zeigt ein Verfahren zum Randschichthärten einer eine Mehrzahl von über jeweilige Kurbelzapfen verbundene Kurbelwangen aufweisende Kurbelwelle, bei welchem wenigstens ein erster, rotationssymmetrischer Oberflächenbereich der Kurbelwelle induktiv und wenigstens ein zweiter, auf einer Kurbelwange liegender Bereich der Kurbelwelle mittels eines Strahlhärteverfahrens gehärtet wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem eine verbesserte Härtung einer Kurbelwelle erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Härten einer Kurbelwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Zur Erzielung einer verbesserten Härtung einer Kurbelwelle ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass wenigstens ein (erster) Bereich eines der Kurbelzapfen mittels des Strahlhärteverfahrens gehärtet wird. Dadurch können neben der Härtung im Lagerbereich der Kurbelwelle auch andere, geometrisch komplexe Bereiche mit einer gewünschten Härtung versehen werden, die mit der konventionell eingesetzten Induktionshärtung nicht oder nur schwierig zu bewerkstelligen sind. Im Unterschied zum in der
DE 10 2007 049 197 B4 gezeigten Verfahren ist es also nicht ausschließlich vorgesehen, ein Strahlhärteverfahren im Bereich der Wangen der Kurbelwelle einzusetzen. Vielmehr werden gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere filigrane Bereiche an bzw. neben den Lagerstellen mittels eines Strahlhärteverfahrens gehärtet. Durch den Einsatz eines Strahlhärteverfahrens insbesondere an filigranen Bauteilpartien der Kurbelwelle lassen sich relativ präzise die gewünschten Härtekonturen unter dem verfahrensbedingten relativ geringen Verzug erzielen. Neben dem (ersten) Bereich des Kurbelzapfens, in dem eine Strahlhärtung erfolgt, wird ein weiterer (zweiter) Bereich des Kurbelzapfens mit Hilfe eines induktiven oder thermochemischen Härtungsverfahrens oder durch ein mechanisches Verfestigungsverfahren bearbeitet. Aufgrund der Rotationssymmetrie des Kurbelzapfens lassen sich insbesondere Induktionshärtung und eine Rollierung in diesem (zweiten) Bereich mit einfachen Mitteln bewerkstelligen. Im Unterschied zur dem in
DE 10 2007 049 197 B4 beschriebenen Verfahren, in dem die Strahlhärtung auf nichtrotationssymmetrische Bereiche der Kurbelwelle beschränkt wird, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren das Strahlhärten auch und insbesondere in (näherungsweise) rotationssymmetrischen Bereichen, nämlich im Bereich der Kurbelzapfen, eingesetzt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste, mittels des Strahlhärteverfahrens gehärtete Bereich des Kurbelzapfens nahe an oder neben einer Lagerstelle der Kurbelwelle vorgesehen wird. Dadurch kann dieser Bereich mit einer wunschgemäßen Härtekontur versehen werden, welche mit konventionellen Härteverfahren, insbesondere mit Induktionshärten oder einem mechanischen Verfestigungsverfahren, nicht erzielbar wären.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mittels des Strahlhärteverfahrens gehärtete erste Bereich des Kurbelzapfens an einem Kontursprung der Kurbelwelle, insbesondere an einem einstückig mit der Kurbelwelle ausgebildeten Kurbelwellenkettenrad, vorgesehen wird. Insbesondere bei einem einstückig mit der Kurbelwelle ausgebildeten Kurbelwellenkettenrad wäre das Anwendungspotential der Induktionshärtung und der mechanischen Verfestigung erschöpft bzw. mit sehr großen Nachteilen verbunden. Insbesondere würde eine Anwendung einer Induktionshärtung zu einem sehr starken Verzug und/oder zu unzureichenden Härtebildern sowie unter Umständen zu einem örtlichen Aufschmelzen dieser Bauteilpartie führen. Durch Einsatz des Strahlhärteverfahrens können auch solche filigranen Bauteilbereiche der Kurbelwelle zuverlässig und in gewünschter Weise mit einer Härtung versehen werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Strahlhärteverfahren ein Elektronenstrahlhärteverfahren oder ein Laserhärteverfahren eingesetzt wird. Beiden Härteverfahren ist es gemeinsam, dass sich mit diesen Härteverfahren relativ präzise gewünschte Härtekonturen bei einem relativ geringen Verzug erzielen lassen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Strahlhärteverfahren vorgenommen wird, nachdem die Kurbelwelle einem zumindest örtlichen Härten mittels Induktionshärten, thermochemischem Härten oder mechanischem Verfestigen unterzogen wurde. Beim Strahlhärten kommt es verfahrensbedingt zu einem relativ geringen Wärmeeintrag in benachbarte Werkstoffpartien. Dadurch wird beispielsweise ein Anlasseffekt und damit die Härtereduzierung eines benachbarten Bereiches, der zuvor durch Induktion, thermochemisch oder durch mechanisches Verfestigen gehärtet wurde, deutlich verringert. Auch ist der Bauteilverzug, der durch ein nachgeschaltetes Strahlhärten erfolgt, nur noch gering.
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Im Anschluss an den ersten und/oder den zweiten Härteprozess kann ein Anlassprozess zum Entspannen des gehärteten Gefüges erfolgen. Die Kurbelwelle kann dabei vollständig oder lokal angelassen werden. Das Anlassen der gesamten Kurbelwelle erfolgt vorteilhafterweise im Ofen. Ein lokaler Anlassprozess kann durch Restwärme aus dem Härteprozess oder durch Schnellanlassen mittels Induktion oder einer Strahlquelle erfolgen.
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In einer weiterhaften Ausführungsform der Erfindung wird zunächst der erste Bereich des Kurbelzapfens durch ein Strahlhärteverfahren gehärtet wird und anschließend wird der zweite Bereich der Kurbelwelle mittels eines mechanischen Verfestigungsverfahrens gehärtet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der erste Bereich, der mittels eines Strahlhärteverfahrens gehärtet werden soll, vorher zumindest teilweise mechanisch bearbeitet wird. Falls beispielsweise aus Bauraum- und Kostengründen das Kurbelwellenkettenrad nicht mehr separat gefertigt werden soll, sondern aus der Kurbelwelle herausgearbeitet wird, muss dieser Bereich nachträglich gehärtet werden, da das Kurbelwellenkettenrad nur im weichen Zustand, z. B. durch Wälzstoßen oder dergleichen, in einer unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten attraktiven Weise bearbeiten lässt. Dadurch, dass das Strahlhärteverfahren erst nach einer mechanischen Bearbeitung dieses Bereichs erfolgt, ergeben sich entsprechende Spielräume im Prozessablauf.
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Schließlich ist es in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Strahlleistung und der Strahlvorschub während des Strahlhärtens in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Verlauf einer Einhärttiefe des ersten Bereichs des Kurbelzapfens eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, ein belastungsangepasstes Härteprofil prozesssicher zu erzielen. Dies wiederum liefert einen Beitrag zur weiteren Verzugsminimierung, zur Taktzeit- und somit zur Kosteneinsparung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine Schnittansicht einer ausschnittsweise dargestellten Kurbelwelle, welche ein einstückig mit der Kurbelwelle ausgebildetes Kurbelwellenkettenrad umfasst;
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2 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts der in 1 gezeigten Kurbelwelle, wobei schematisch jeweilige Härtezonen der Kurbelwelle gekennzeichnet sind;
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3 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts der Kurbelwelle, in welcher ein herkömmliches Härtebild dargestellt ist; und in
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4 eine schematische Schnittansicht desselben wie in 3 dargestellten Ausschnitts der Kurbelwelle, wobei ein belastungsangepasstes Härtebild gezeigt ist.
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Das in 1 bis 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist exemplarisch zu verstehen; die erfindungsgemäße Kurbelwelle kann verschiedene alternative Ausprägung haben.
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Ein Ausschnitt einer Kurbelwelle 10 ist in einer Schnittansicht in 1 gezeigt. Die Kurbelwelle 10 umfasst ein einstückig mit der Kurbelwelle 10 ausgebildetes Kurbelwellenkettenrad 12, welches einen filigranen Kontursprung im Bereich eines Kurbelzapfens 14 darstellt. Alternativ kann das Bezugszeichen 12 auch ein Kurbelwellenstirnrad, ein Sensorrad, einen Ring, eine Lagerstelle oder eine sonstige erhabene Funktionseinheit bezeichnen. Ferner weist die Kurbelwelle 10 im Bereich des Kurbelzapfes 14 eine Lagerstelle 16 auf, welche beispielsweise zur Lagerung der Kurbelwelle 10 in einem hier nicht dargestellten Kurbelwellenlagergehäuse dient. An das Kurbelwellenkettenrad 12 schließt sich zudem ein Nutbereich 18 an, an welchem sich ein Bund 20 anschließt. Nachfolgend wird ein Verfahren zum Härten der Kurbelwelle 10 erläutert.
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Ein Ausschnitt der teilweise in 1 dargestellten Kurbelwelle 10 ist in einer Schnittansicht in 2 gezeigt. An der Kurbelwelle 10 sind Bereiche 22, 24, 26, 28, 30, 32 gekennzeichnet, welche randschicht- oder durchgehärtet werden sollen. Härtungen können in all diesen Bereichen 22, 24, 26, 28, 30, 32 oder auch nur teilweise erforderlich sein, je nachdem, welche Anforderungen an die Kurbelwelle 10 gestellt werden.
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Der Bereich 22 stellt dabei die als Funktionsfläche dienende Lagerstelle 16 dar, der Bereich 24 bildet einen Übergang zwischen der Lagerstelle 16 und dem Kurbelwellenkettenrad 12. Der Bereich 26 ist der zu härtende Bereich des Kurbelwellenkettenrades 12 und der Bereich 28 ist ein Übergangsbereich zwischen dem Kurbelwellenkettenrad 12 und dem Nutbereich 18. Der Bereich 30 stellt den Nutgrund des Nutbereichs 18 dar, und der Bereich 32 ist ein Übergang zwischen dem Nutbereich 18 und einer Wandung des Bundes 20. Einige dieser Bereiche, insbesondere die Funktionsoberfläche 26 des Kettenrades 12 und die benachbarten Übergangs- und Nutbereiche 28, 30, 32 sind filigran und lassen sich induktiv nur schwer härten. Diese Bereiche 24, 26, 28, 30, 32, die im Folgenden mit dem Begriff „erster Bereich” bezeichnet werden, werden daher (alle oder teilweise) strahlgehärtet. Weitere Bereiche, die sich vergleichsweise einfach induktiv härten lassen, insbesondere der Lagerbereich 22 und evtl. der Übergangsbereich 24, werden im Folgenden als „zweiter Bereich” bezeichnet.
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Sofern der zweite Bereiche 22 und/oder 24 martensitisch zu härten ist, erfolgt diese Härtung bevorzugt induktiv. Die Induktivhärtung kann sich auch teilweise oder vollständig auf die angrenzenden Bereiche 26, 28, 30, 32 erstrecken. Wesentlich ist aber, dass zumindest einer der ersten Bereiche 26, 28, 30, 32 alternativ oder zusätzlich mittels eines Strahlhärteverfahrens gehärtet wird. Mit anderen Worten sind die mittels des Strahlhärteverfahrens zu härtenden ersten Bereiche 26, 28, 30, 32 des Kurbelzapfens 14 nahe an oder neben der Lagerstelle 16 der Kurbelwelle 10 vorgesehen. Als Strahlhärteverfahren wird entweder ein Elektronenstrahlhärteverfahren oder ein Laserhärteverfahren eingesetzt. Die Kombination des gängigen Induktionshärtens der Kurbelwelle 10 mit zusätzlichem örtlichen Randschicht- und/oder Durchhärten durch Laser- und/oder Elektronenstrahlverfahren dient dazu, funktionell notwendige Härtungen an geometrisch komplexen Kurbelwellenbereichen zu realisieren, welche mit Hilfe der konventionell eingesetzten Induktionshärtung nicht mehr möglich sind. Insbesondere sollen in diesen Bereichen 26, 28, 30, 32 zu starke Einhärtungen, zu starke Verzüge durch die Induktionshärtung sowie ein ungewünschtes örtliches Aufschmelzen der zu härtenden Bereiche 26, 28, 30, 32 verhindert werden. Weierhin lassen sich durch Einsatz eines Strahlhärteverfahrens relativ präzise gewünschte Härtekonturen bei einem relativ geringen Verzug herstellen.
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Im Zuge des induktiven Härtens der zweiten Bereiche 22 und 24 können infolge des Wärmeflusses auch zumindest einer der ersten Bereiche 26, 28, 30, 32 vollständig oder teilweise mit erfasst werden, ohne dass dabei dort ein zufriedenstellendes Härteergebnis im Sinne der Bauteilfunktionalität resultiert. In diesem Falle wird durch ein nachgeschaltetes Strahlhärten von zumindest einem der ersten Bereiche 26, 28, 30, 32 die anforderungsgerechte Härtung sichergestellt.
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Beim Härten der Kurbelwelle 10 wird das Strahlhärteverfahren vorteilhafterweise als zweiter Härteschritt nach einem induktiven oder thermochemischen Härten und/oder einem mechanischen Verfestigungsverfahren vorgenommen. Dadurch wird ausgenutzt, dass beim Strahlhärten verfahrensbedingt ein relativ geringer Wärmeeintrag in benachbarte Werkstoffpartien erfolgt. Die zuvor durch Induktion, durch ein thermochemisches und/oder ein mechanisches Verfahren gehärteten Bereiche 22, 24 werden dadurch nicht oder in einem wesentlich verringerten Ausmaß einem unerwünschten Anlasseffekt und damit einer entsprechenden Härte- und Festigkeitsreduzierung ausgesetzt. Des Weiteren ist ein Bauteilverzug, der durch ein nachgeschaltetes Strahlhärten erfolgt, nur noch sehr gering, was ggf. eine zusätzliche nachfolgende, z. B. spanende, Bearbeitung überflüssig macht. Des Weiteren ist es vorgesehen, dass der erste Bereich 26 am Kurbelwellenkettenrad 12 zunächst mechanisch bearbeitet wird, bevor dieser mittels des Strahlhärteverfahrens gehärtet wird. Das Kurbelwellenkettenrad 12 wird während der Herstellung der Kurbelwelle 10 aus dieser herausgearbeitet, beispielsweise durch Wälzstoßen oder dergleichen, und erst nachträglich gehärtet, da das Kurbelwellenkettenrad 12 sich nur im noch weichen Zustand kostengünstig bearbeiten lässt.
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Eine jeweilige Strahlleistung und ein jeweiliger Strahlvorschub werden während des Strahlhärtens in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Verlauf einer Einhärttiefe der ersten Bereiche 26, 28, 30, 32 eingestellt.
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In 3 ist in einer Schnittansicht ein Ausschnitt der Kurbelwelle 10 gezeigt, wobei ein herkömmliches Härtebild 34 mit einem entsprechenden Verlauf einer Einhärtetiefe gezeigt ist.
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In 4 ist derselbe Ausschnitt der Kurbelwelle 10 gezeigt, wobei in diesem Fall ein belastungsangepasstes Härtebild 36 gezeigt ist. Eine entsprechende Verfahrensregelung beim Laserhärten und/oder Elektronenstrahlhärten ermöglicht eine gezielte Steuerung der Einhärttiefe auf ein gewünschtes Maß. Dadurch kann das belastungsangepasste Härtebild 36, wie in 4 gezeigt, prozesssicher erzielt werden. Zum einen liefert dies einen Beitrag zu einer weiteren Verzugsminimierung der Kurbelwelle 10 und zum anderen auch zu Taktzeit- und somit zu Kosteneinsparungen.
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Durch das erläuterte Verfahren zum Härten der Kurbelwelle 10 können also komplexe Härtebilder realisiert werden, die ohne eine Kombination konventioneller Härteverfahren (wie Induktionshärten, thermochemischem Härten oder mechanischem Verfestigen) mit dem Laserstrahlhärten und/oder dem Elektronenstrahlhärten so unter Umständen gar nicht darstellbar wären. Insbesondere ist dadurch auch eine Realisierung komplexer Bauteile mit einer Funktionsintegration, beispielsweise in Form des einstückig mit der Kurbelwelle 10 ausgebildeten Kurbelwellenkettenrads 12, möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007049197 B4 [0002, 0005, 0005]
