DE102012112539A1

DE102012112539A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bruchtrennen eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102012112539A1
Application number: DE201210112539
Authority: DE
Inventors: Siegfried Gruhler; Helmut Kutz; Horst Schöllhammer; Matthias Drinkmann
Original assignee: Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Current assignee: Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-09-12
Also published as: MX2014010985A; US20150108195A1; CN104271308B; CN104271308A; JP2015516888A; EP2825340A1; WO2013135652A1; KR20140132411A

Abstract

Offenbart sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bruchtrennen eines Werkstücks sowie ein Werkstück, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oder mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bruchgetrennt ist. Erfindungsgemäß wird im Abstand zu einer Bruchtrennkerbe zumindest eine Bruchleitkerbe ausgebildet, die den Verlauf der Bruchtrennebene mit bestimmt. Die Vorrichtung zum Bruchtrennen des Werkstücks hat eine Lasereinheit zum Ausbilden der Bruchtrennkerbe und eine mechanische Bearbeitungseinheit zum Ausbilden der Bruchleitkerbe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bruchtrennen eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, eine Vorrichtung zum Bruchtrennen eines Werkstücks sowie ein nach dem Verfahren oder mittels der Vorrichtung bruchgetrenntes Werkstück.
In der EP 0 808 228 B2 der Anmelderin ist ein gattungsgemäßes Bruchtrennverfahren beschrieben, bei dem in einem bruchzutrennenden Lagerauge, beispielsweise einem Pleuelauge mittels Laserenergie eine die Bruchtrennebene vorgebende Kerbe ausgebildet wird. Diese Kerbe besteht aus einer Vielzahl von Kerbabschnitten, deren Abstand sich im Wesentlichen aus der Impulsrate des Lasers und der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls mit Bezug zum Pleuelauge ergibt. Es zeigte sich, dass durch diese Kerbabschnitte die Kerbwirkungszahl gegenüber durchgehenden Kerben erheblich erhöht werden kann, so dass eine Ausbildung einer Kerbe und einer optimierten Bruchtrennfläche mit vergleichsweise geringer Laserleistung ermöglicht ist. Durch die geringer Laserleistung und die damit einhergehende geringe eingebrachte Wärmeenergie in das Werkstück wird eine unerwünschte, tief gehende Gefügeänderung im Kerbbereich vermieden, wobei gewisse Randzonen der Kerbe eine Gefügeumwandlung erfahren und somit das Bruchtrennverhalten verbessern.
In der DE 2005 031 335 A1 der Anmelderin wird ein verbessertes Verfahren beschrieben, bei dem die Kerbe nicht gerade sondern etwa sinusförmig mit gerade auslaufenden Endabschnitten ausgebildet ist. Es zeigte sich überraschender Weise, dass durch eine derartige Kerbgestaltung das Bruchtrennverfahren weiter verbessert werden kann.
In der DE 10 2010 014 085 A1 der Anmelderin wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Lasertyp, die Impulsrate, das Werkstückmaterial und die Laserleistung so auf einander abgestimmt ist, dass der Abstand der oben beschriebenen Kerbabschnitte wesentlich größer als derjenige Abstand ist, der sich rechnerisch aus der Vorschubgeschwindigkeit, der Relativbewegung und der Impulsrate des Lasers ergibt. Ein derartiges Verhalten lässt sich beispielsweise mittels eines Faserlasers einstellen. Derartige Faserlaser können im Prinzip diodengepunkte Festkörperlaser sein, wobei ein Kern einer Glasfaser das aktive Medium ausbildet. Dabei wird die Strahlung des Festkörperlasers über Kopplung in die Faser eingeleitet, in der dann die eigentliche Laserverstärkung statt findet. Die Strahleigenschaften und die Strahlqualität des Lasers kann über Geometrie der Faser eingestellt werden, so dass der Laser weitestgehend unabhängig von äußeren Einflüssen bleibt und einen sehr einfachen Aufbau zeigt.
Nach dem Austritt aus der genannten aktiven Faser wird der Laserstrahl in eine Glasfaser eingeleitet, über die die Strahlung dann zum eigentlichen Laserkopf geführt und über eine Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet ist. Derartige Faserlaser zeichnen sich durch einen sehr guten elektrisch-optischen Wirkungsgrad und eine herausragende Strahlqualität bei einem sehr kompakten Aufbau aus, so dass bei geringem Bauraum kostengünstigere Lösungen als mit herkömmlichen Lasern geschaffen werden können.
Die vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen werden mit großem Erfolg beim Bruchtrennen von unterschiedlichsten Werkstücken aus Stahllegierungen verwendet.
Insbesondere in der Automobilindustrie bestehen Bestrebungen dahingehend, zur Verminderung des Leistungsgewichtes von Fahrzeugen und zur Verringerung des Spritkonsums Leichtbaukomponenten zu verwenden. Auch im Motorenbau werden Leichtmetalllegierungen verwendet. So sollen beispielsweise Aluminiumpleuel bei Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.
Da sich die vorbeschriebenen Verfahren zum Bruchtrennen des Pleuelauges in eine Lagerschale und einen pleuelstangenseitigen Teil in der Motorenfertigung aufgrund der gut beherrschbaren Technologie und der vergleichsweise geringen Investitionskosten durchgesetzt hat, soll dieses Verfahren auch bei Aluminiumpleueln eingesetzt werden. Es zeigte sich jedoch, dass herkömmliche Verfahren nicht geeignet sind, um Aluminiumpleuel mit der gewünschten Präzision bruchzutrennen, da bei Vorversuchen zeigten die Bruchtrennebene nicht im vorbestimmten Bereich liegt sondern ausläuft, so dass es zu so genannten Kegeltassenbrüchen kommt, bei denen die Bruchtrennebene hin zu einer Schraublochbohrung des Pleuels ausläuft, so dass sich im Schraublochbereich bei einem bruchgetrennten Teil ein kegeliger Vorsprung und beim anderen bruchgetrennten Teil entsprechend ein kegeliger Trichter ergibt. Ein derartiger Kegeltassenbruch ist jedoch keinesfalls akzeptabel, da das Fügeverhalten der bruchgetrennten Teile unzureichend ist. Ein derartiges Bruchverhalten stellte sich insbesondere bei geschmiedeten Aluminiumpleueln ein, da diese üblicher Weise einen relativ geringen Siliziumgehalt haben. Bei gegossenen Aluminiumpleueln tritt dieses unerwünschte Bruchverhalten in geringerem Maße auf, da der Siliziumgehalt höher ist.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bruchtrennen eines Werkstücks und ein Werkstück zu schaffen, das auch bei Verwendung eines bruchzähen Werkstoffs ein verbessertes Bruchverhalten gewährleistet.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmalskombination des Patentanspruches 1, in Hinblick auf die Vorrichtung durch die Merkmalskombination des nebengeordneten Patentanspruches 13 und im Hinblick auf das Werkstück durch die Merkmalskombination gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bruchtrennen eines Werkstücks entlang eines Lagerauges, wobei an diesem diametral angeordnete Bruchtrennkerben in einer Umfangswandung ausgebildet werden, die in etwa die Bruchtrennebene vorgeben. Das Bruchtrennen erfolgt dann mittels eines Crackdorns, der in das Lagerauge eingesetzt und radial gespreizt wird, um eine Bruchtrennkraft auf das Lagerauge aufzubringen. Erfindungsgemäß ist im Abstand zu den Bruchtrennkerben zumindest eine Bruchleitkerbe ausgebildet, die den Verlauf der Bruchtrennebene mitbestimmt. Diese Bruchleitkerbe wird erfindungsgemäß so ausgebildet, dass die Bruchtrennebene im vorbestimmten Bereich liegt und somit das Entstehen von Kegeltassenbrüchen oder dergleichen auch bei bruchzähen Werkstoffen vermieden werden kann.
Die erfindungsgemäße Bruchleitkerbe bietet einen hervorragenden Schutz gegen Bruch-Fehlleitungen. Diese können beispielsweise bei einem Werkstück mit einer Gewindebohrung auftreten. In dem Fall, in dem die Gewindebohrung als Durchgangsbohrung ausgebildet ist und die Gewindegänge relativ nahe an der gewünschten Bruchtrennebene liegen, kann es vorkommen, dass der Bruch in Richtung des Gewindes ausläuft und somit nicht den vorbestimmten Verlauf aufweist. Durch die damit einhergehende Beschädigung des Gewindes ist das Werkstück unbrauchbar. Bei Werkstücken mit Gewindesacklochbohrung können beim Gewindeschneiden sogenannte Rückzugsriefen entstehen. Beim Bruchtrennen eines derartigen Werkstücks kann es dann ebenfalls vorkommen, dass die Bruchtrennebene durch diese Rückzugsriefen fehlgeleitet wird. All diese Fehlleitungen können mittels der Bruchleitkerbe vermieden werden.
Die Bruchtrennkerbe am Außenumfang bildet insbesondere bei geschmiedeten Werkstücken einen Schutz gegen Fehlleitungen, bei denen die Schmiedehaut zum Beispiel durch Kugelstrahlen kalt verfestigt ist. Derartige Schmiedepleuel mit kaltverfestigter Schmiedehaut werden beispielsweise bei Hochleistungsmotoren eingesetzt. Ohne eine derartige Bruchtrenn-/Bruchleitkerbe würde bei einem derartigen Werkstück die Bruchtrennebene im Bereich der kaltverfestigten Schmiedehaut von dem gewünschten Verlauf abweichen (Fehlleitung).
Das erfindungsgemäße Werkstück wird nach einem derartigen Verfahren hergestellt. Die Vorrichtung insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens hat eine Lasereinheit zum Ausbilden der Bruchtrennkerben, eine Crackeinheit und eine Bearbeitungseinheit zum Ausbilden der zumindest einen Bruchleitkerbe, wobei diese Bearbeitungseinheit vorzugsweise eine mechanische Bearbeitungseinheit ist.
Die Bruchleitkerbe wird bei einem Ausführungsbeispiel spanabhebend ausgebildet. Alternativ kann die Bruchleitkerbe selbstverständlich auch auf andere Weise, beispielsweise durch Laserenergie oder durch Umformen, beispielsweise durch Schmieden ausgebildet werden. Bei diesem Schmiedeverfahren wird das Werkstück im gewünschten Bereich gestaucht, so dass die Bruchleitkerbe entsteht. Die Ausbildung der Bruchleitkerbe kann auch elektrochemisch erfolgen (Electrochemical Machining). Dabei sind eine Werkzeugelektrode und das Werkstück in einem Elektrolyten aufgenommen. Bei Anlegen einer Spannung wird dann das Werkstück lokal abgetragen, wobei die Abtraggeometrie von der Werkzeugelektrodengeometrie abhängt. Die Spannung kann als Gleichspannung oder aber auch zur Erhöhung der Präzision gepulst angelegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere bei Werkstücken, beispielsweise einer Gewindebohrung eingesetzt, die im Bereich der vorgesehenen Bruchtrennebene einen Durchbruch, hat, an dessen Umfang dann die Bruchleitkerbe ausgebildet wird.
Die Bruchtrennkerben werden vorzugsweise in der eingangs beschriebenen Weise durch Laserenergie, vorzugsweise mittels eines Faserlasers eingebracht.
Das Bruchtrennverhalten lässt sich weiter verbessern, wenn die Bruchtrennkerben umlaufend am Lagerauge ausgebildet sind.
Zum umlaufenden Ausbildung kann entweder der Laser und/oder das Werkstück um eine Dreh- oder Schwenkachse verschwenkt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, die Bruchtrennkerbe und/oder die Bruchleitkerbe jeweils durch eine Vielzahl von Kerbabschnitten auszubilden, die sich zur Bruchtrennkerbe ergänzen.
Bei einer Variante der Erfindung ist das Werkstück ein Pleuel, dessen Pleuelauge in eine Lagerschale und einen pleuelstangenseitigen Teil bruchgetrennt wird. Dabei werden an der Umfangswandung des Lagerauges diametral zu einander die Bruchtrennkerben und in Schraublöchern des Pleuels jeweils eine Bruchleitkerbe ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf eine Anwendung bei Pleueln beschränkt, sondern kann auch bei anderen bruchzutrennenden Werkstücken eingesetzt werden, bei denen beispielsweise ein Lagerdeckel von einem Block oder dergleichen getrennt werden soll. Derartige Aufgabenstellungen ergeben sich beispielsweise bei Kurbelwellengehäusen, Nockenwellengehäusen etc.
Das Bruchverhalten kann weiter verbessert werden, wenn das Werkstück vor dem eigentlichen Bruchtrennen zumindest partiell im Bereich der Bruchtrennkerbe und/oder der Bruchleitkerbe thermisch behandelt wird.
Das Bruchtrennen kann in herkömmlicher Weise durch das sogenannte Stoß- oder Schlag-Cracken durchgeführt werden, wobei ein Spreizdorn mit einer Bruchtrennkraft beaufschlagt ist, die ausreicht, das Cracken einzuleiten. Alternativ kann auch das sogenannte Ermüdungsriss-Cracken oder Rissfortpflanzungs-Cracken durchgeführt werden, bei dem der Spreizdorn mit einer die Bruchtrennkraft überlagernden oder der Bruchtrennkraft vorgeschalteten alternierenden dynamischen Kraft beaufschlagt ist, so dass sich ein Ermüdungsriss ausbildet. Dieses Verfahren hat besonders bei einem sehr feinen Gefüge Vorteile. Einzelheiten dieses Verfahrens sind in der DE 10 137 975 A1 der Anmelderin offenbart.
Das Bruchtrennverhalten kann des Weiteren auch dadurch verbessert werden, in dem die Bruchtrennkerben und/oder die Bruchleitkerben nicht in etwa geradlinig sondern mit quer zu ihrer Längsrichtung angestellten Abschnitten (Wölbungen) ausgeführt werden, so dass sich in erster Näherung eine sinus- oder zick-zack-förmige Bruchtrennkerbengeometrie ausbildet. Dadurch bildet sich beim Bruchtrennen ein wellenförmiger Anrissbereich aus, der beispielsweise bei einem späteren Verschrauben eine sichere Vorzentrierung der bruchgetrennten Werkstückteile ermöglicht.
Eine derartige Formlaserkerbe ist beispielsweise in der DE 10 2005 031 335 A1 der Anmelderin offenbart.
Bei der Verwendung einer Aluminiumlegierung erfolgt diese thermische Behandlung durch Erwärmen des Werkstücks. Diese Erwärmung kann beispielsweise mittels Laserenergie und/oder über ein geeignetes Verfahren, beispielsweise durch Induktion erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit einem Wendetisch für das Werkstück ausgebildet sein, wobei ein zugeordneter Laser selbst mit einer Schwenkachse ausgeführt sein kann.
Die Taktzeiten lassen sich verringern, wenn ein Werkstück mit zwei Lasereinheiten bearbeitet wird.
Wie bereits angedeutet, ist die Kombination aus Bruchleit- und Bruchtrennkerbe vorteilhaft bei bestimmten Materialien (bruchzähes Material, Material mit kaltverfestigter Außenhaut) und/oder auch bei Werkstücken verwendet werden, bei denen durch die Geometrie, beispielsweise durch die Bruchtrennebene kreuzende Gewindebohrungen die Gefahr einer Fehlleitung besteht.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine dreidimensionale Darstellung eines geschmiedeten Aluminiumpleuels;
2 eine teilweise Schnittdarstellung des Pleuels aus 1;
3 den Verlauf einer Bruchtrennebene nach dem Bruchtrennen des Werkstücks gemäß 1;
4 eine Prinzipdarstellung einer Lasereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der zwei Bruchtrennkerben in dem Pleuel gemäß 1 ausgebildet werden;
5 eine Variante der Vorrichtung gemäß 4 und
6 und 7 Ausführungsbeispiele eines Pleuels mit Formlaserkerben.
Das in 1 dargestellte Pleuel 1 eines Verbrennungsmotors besteht aus einer Aluminiumlegierung, die einen vergleichsweise hohen Anteil an Silizium, beispielsweise zwischen 0.3 bis 2 Gewichtsprozent aufweist und somit, wie eingangs erläutert, beim Cracken in der herkömmlichen Weise Schwierigkeiten bereitet, da Kegeltassenbrüche auftreten können.
Ähnlich wie bei Stahlpleueln hat das Aluminium-Pleuel 1 ein großes Pleuelauge 2 und ein kleines Pleuelauge 4, zwischen denen sich eine Pleuelstange 6 erstreckt. Durch den im Folgenden beschriebenen Bruchtrennvorgang (Cracken) soll das Pleuel im Bereich des großen Pleuelauges 2 in einen pleuelstangenseitigen Teil 8 und eine Lagerschale 10 bruchgetrennt werden. Nach dem Bruchtrennen werden die beiden Elemente wieder gefügt und mittels zwei Schrauben 12 verschraubt, von denen in der Darstellung gemäß 1 nur eine sichtbar ist. Bei diesen Schrauben 12 kann es sich um herkömmliche Stahlschrauben handeln. Ähnlich wie beim herkömmlichen Verfahren wird die Bruchtrennebene durch diametral angeordnete Bruchtrennkerben in der Umfangswandung 14 des großen Pleuelauges 2 vorgegeben. Im Unterschied zu der herkömmlichen Lösung sind diese Bruchtrennkerben 16, 18 jedoch nicht nur im Bereich der Umfangswandung 14 sondern umlaufend ausgebildet, d.h. diese Bruchtrennkerben 16, 18 erstrecken sich entlang der Umfangswandung 14 und entlang der benachbarten Stirnfläche 20, der jeweiligen Seitenfläche 22 und der in 1 nicht sichtbaren rückseitigen Stirnfläche zurück, so dass die gesamte Umfangsfläche des jeweiligen Pleuelaugenstegs umgriffen ist. Vorversuche zeigten, dass eine derartige umlaufende Bruchtrennkerbe jedoch nicht immer ausreicht, um das Entstehen von kegeltassenförmigen Brüchen zu vermeiden. Dementsprechend wird erfindungsgemäß im Abstand zur jeweiligen umlaufenden Bruchtrennkerbe 16, 18 eine Bruchleitkerbe 24 ausgebildet. Diese ist in der Schnittdarstellung gemäß 2 gezeigt, die einen Vertikalschnitt durch den in 1 linken Teil des großen Pleuelauges 2 zeigt. In dieser teilgeschnittenen Darstellung erkennt man eine Schraubenbohrung 26, die von der Schraube 12 durchsetzt ist, wobei in 2 im Bereich der geschnittenen Schraubenbohrung 26 die Schraube weggelassen ist. In der von der umlaufenden Bruchtrennkerbe 18 aufgespannten Ebene, die in der strichpunktiert angedeuteten Bruchtrennebene 28 liegt ist die Bruchleitkerbe 24 ausgebildet. Diese bildet somit einen umlaufenden Einstich in der Schraubenbohrung 26. Dieser Einstich wird vorzugsweise mechanisch, beispielsweise durch ein Einstichwerkzeug und somit durch Zirkularstechen/-drehen ausgebildet. Dabei kann der Winkel, in dem die Schneide des Einstickwerkzeugs mit Bezug zur Umfangswandung der Schraubenbohrung 26 angestellt ist, etwa 60° bis 90° betragen.
Für diese mechanische Bearbeitung kann beispielsweise eine vierspindlige Bearbeitungseinheit vorgesehen werden, die es erlaubt, mehrere Pleuel und/oder beide Schraubenbohrungen gleichzeitig zu bearbeiten. Dabei wird es bevorzugt, wenn diese mechanische Bearbeitungseinheit nach dem Inverskonzept ausgeführt ist, bei dem die Spindeln ortsfest angeordnet werden, während das Werkstück die zur Bearbeitung erforderlichen Relativbewegungen zu den Spindeln durchführt.
Erfindungsgemäß wird somit im Abstand zur Bruchtrennkerbe 16, 18 im Bereich der beabsichtigten Bruchtrennebene 28 eine Bruchleitkerbe 24 ausgebildet, so dass das Entstehen von Kegeltassenbrüchen zuverlässig verhindert werden kann. Beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden die Bruchtrennkerben 16, 18 beispielsweise nach den in der Beschreibungseinleitung erläuterten Verfahren durch Laserenergie, vorzugsweise mittels eines Faserlasers eingebracht, so dass die thermische Belastung und somit die Gefügeumwandlung im Bereich der Bruchtrennkerbe minimal ist.
3 zeigt einen typischen Bruchflächenverlauf, der sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens einstellt. Dargestellt ist beispielsweise die Bruchfläche im Bereich des in 2 dargestellten Pleuelaugenstegs der Lagerschale 10. Man erkennt die Schraubenbohrung 26 und die den lagerschalenseitigen Teil der am Umfang der Schraubenbohrung 26 ausgebildeten Bruchleitkerbe 24, die nach dem Bruchtrennen eine Art Fase ausbildet. Ebenfalls gut sichtbar ist die umlaufende Bruchtrennkerbe 18, die mittels eines Faserlasers hergestellt ist. Wie eingangs beschrieben, besteht die Bruchtrennkerbe 18 aus einer Vielzahl von Kerbabschnitten 30, die zu einander beabstandet sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl in einem Winkel von 30°, d.h. schräg zur Umfangsfläche eingekoppelt. Selbstverständlich sind auch andere Einkoppelwinkel realisierbar.
Man erkennt in dieser Darstellung, dass die eigentliche Bruchtrennfläche 32 sehr eben von der umlaufenden Bruchtrennkerbe 18 hin zu der innen liegenden Bruchleitkerbe 24 verläuft – ein Kegeltassenbruch ist nicht einmal ansatzweise festzustellen.
Prinzipiell kann die Ausbildung der Bruchleitkerbe 24 auch durch Laserenergie oder auf andere Weise erfolgen. Vorstellbar ist es beispielsweise, die Bruchleitkerbe 24 durch eine gezielte Stauchung des Materials in diesem Bereich auszubilden, so dass die Bruchleitkerbe 24 praktisch durch eine aufgrund der Stauchung ausgebildete Einwölbung im Schraubenbohrungsbereich entsteht. Ein derartiger Stauchprozess ist beispielsweise in der DE 43 03 592 beschrieben.
Der Bruchtrennvorgang und somit die Qualität der Bruchtrennebene lässt sich weiter verbessern, wenn das Pleuel vor dem Bruchtrennen zumindest partiell im Bereich der vorgesehenen Bruchtrennebene 28 erwärmt wird. Dabei wird sich die Besonderheit von manchen Aluminiumlegierungen zu Nutze gemacht, bei denen die Bruchzähigkeit mit steigender Temperatur abnimmt. Stahllegierungen zeigen genau das umgekehrte Verhalten, bei diesen nimmt die Bruchzähigkeit mit steigender Temperatur zu. Diese Erwärmung kann beispielsweise induktiv erfolgen. Prinzipiell ist es auch möglich, diese Erwärmung zusätzlich oder alternativ mittels des Lasers durchzuführen.
In entsprechender Weise kann bei anderen Legierungen die Bruchzähigkeit verringert werden, indem eine partielle Abkühlung des jeweiligen Werkstücks durchgeführt wird.
Das Bruchtrennen des Pleuels kann mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden, die eine Vielzahl von Bearbeitungseinheiten aufweisen kann, die örtlich getrennt von einander angeordnet sind oder aber auch in eine Anlage integriert sein können. Prinzipiell erforderlich ist eine Lasereinheit zum Einbringen der Bruchtrennkerben 16, 18, eine Crackeinheit zum Bruchtrennen und eine Fügeeinheit zum Zusammenfügen der bruchgetrennten Elemente durch Einsetzen oder Anziehen der Schrauben 12, wobei diese während des Bruchtrennens im Pleuel verbleiben können. Erforderlich ist des Weiteren eine mechanische Bearbeitungseinheit zum Ausbilden der Bruchleitkerben 24, wobei diese Bearbeitungseinheit vorzugsweise nicht in die eigentliche Bruchtrenneinheit integriert ist, sondern durch eine Inversmaschine oder dergleichen ausgebildet ist. In dieser könnte auch ein Ölloch 33 (siehe 1) im kleinen Pleuelauge ausgebildet werden.
Die eigentliche Lasereinheit hat gemäß 4 einen Faserlaser der eingangs beschriebenen Bauweise, in dessen Laserkopf 34 eine Fokussieroptik angeordnet ist, so dass der Laserstrahl 36 unter einem vorbestimmten Winkel zur bearbeiteten Oberfläche eingekoppelt wird. Dieser Winkel beträgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa 30°.
Der Laserkopf kann um seine Vertikalachse a gedreht werden (siehe gestrichelte Darstellung in 4). Des Weiteren ist der Laserkopf 34 auf einer Führung angeordnet, über die er in x- und y-Richtung verfahrbar ist. Das Pleuel, von dem in 4 lediglich das geschnittene große Pleuelauge 2 sichtbar ist, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem Wendetisch angeordnet, der seinerseits um eine Achse b verschwenkbar ist, wobei die Schwenkachse senkrecht zur Zeichenebene verläuft. In 4 ist beispielhaft eine Möglichkeit einer Vielzahl von Möglichkeiten zur Ausbildung der umlaufenden Bruchtrennkerben 16, 18 dargestellt. Zu Beginn des Bearbeitungsvorgangs wird der Laserkopf 34 in die in 4 dargestellte Position „1“ gebracht und dann entlang der y-Achse verfahren, so dass der in der Umfangsfläche 14 liegende Abschnitt der Bruchtrennkerbe ausgebildet ist. Anschließend wird der Laserkopf 34 wieder in seine Ausgangsposition herausgefahren und in x-Richtung in die mit „2“ gekennzeichnete Position verfahren und der in 4 rechts oben liegende Umfangsabschnitt der anderen Bruchtrennkerbe 16 ausgebildet. Nach diesem Schritt wird der Laserkopf 34 in die gestrichelt dargestellte Position verfahren und um die Achse a um 180° verschwenkt, so dass der in der Umfangsfläche 14 liegende Abschnitt der Bruchtrennkerbe 16 ausgebildet wird („4“), wobei dies in der Pfeilrichtung gemäß 4 schleppend oder von oben nach unten stechend erfolgen kann. Danach wird der Laserkopf 34 entlang der x-, y-Führung nach links verfahren und gemäß „5“ der oben liegende Umfangsabschnitt der anderen Bruchtrennkerbe 18 ausgebildet.
In einem anschließenden Arbeitsschritt „6“ wird das Pleuel um die Achse b um 180° gedreht und dann der in 4 unten liegende, nach der Drehung des Wendetischs dann links oben liegende Umfangsabschnitt der Bruchtrennkerbe 16 ausgebildet – die Bruchtrennkerbe 16 ist dann fertiggestellt. Nach diesem Arbeitsschritt „7“ wird der Laserkopf 34 wieder in seine ursprüngliche Position zurückverschwenkt (Arbeitsschritt „8“) und der verbleibende Oberflächenabschnitt der Bruchtrennkerbe 18 bearbeitet, der in der vorbeschriebenen Schwenkposition des Wendetischs in der Darstellung gemäß 4 rechts oben zu liegen kommt. Dieser Arbeitsschritt ist mit „9“ in 4 gekennzeichnet. D.h. durch einfaches Verschwenken des Pleuels und des Lasers können die beiden umlaufenden Bruchtrennkerben 16, 18 vergleichsweise schnell ausgebildet werden. Selbstverständlich sind auch andere Arbeitsfolgen realisierbar.
5 zeigt eine Variante, bei der die Ausbildung der Bruchtrennkerben 16, 18 deutlich schneller ausgeführt werden kann. Bei dieser Variante ist zusätzlich zu dem einen Laser mit dem Laserkopf 34 eine weitere Lasereinheit mit einem Laserkopf 38 vorgesehen. Dieser kann ähnlich wie das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel um eine vertikal verlaufende Achse a₂ verschwenkt und in x₂-, y₂-Richtung verfahren werden. Mit einer derartigen Anordnung ist es beispielsweise möglich, jeweils zwei Umfangsabschnitte der jeweiligen Laserkerben 16, 18 gleichzeitig auszubilden. In der Relativposition der Laserköpfe 34, 38 in 5 wird somit über den Laserkopf 34 der links oben liegende Bereich der Bruchtrennkerbe 18 ausgebildet, während der Laserkopf 38 den in der Umfangsfläche 14 liegenden Bereich der Laserkerbe 18 ausbildet. Selbstverständlich könnte diese Anordnung auch so angesteuert werden, dass der eine Laserkopf 34 die eine Bruchtrennkerbe 18 und der andere Laserkopf 38 die andere Bruchtrennkerbe 16 bearbeitet.
Wie erwähnt, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Lasereinheit, mechanische Bearbeitungseinheit für die Bruchleitkerbe 24) auch zur Bearbeitung anderer Werkstücke verwendet werden, bei denen im Bereich der Bruchtrennebene im Abstand zur Bruchtrennkerbe ein Durchbruch oder dergleichen ausgebildet ist, der das Ausbilden einer Bruchleitkerbe im Abstand zur Bruchtrennkerbe ermöglicht. Auch das Werkstück kann entlang einer x-, y-Führung verfahrbar gelagert sein.
Das Setzverhalten der Bruchflächen kann des Weiteren durch eine partielle Laserbestrahlung verbessert werden.
Das Bruchtrennen kann in herkömmlicher Weise durch das sogenannte Stoß- oder Schlag-Cracken ausgeführt werden, bei dem die über den Spreizdorn aufgebrachte Bruchtrennkraft solange erhöht wird, bis der Riss erfolgt. Wie eingangs erläutert, ist es insbesondere bei sehr feinen Gefügen vorteilhaft, wenn das in der DE 10 137 975 A1 beschriebene Ermüdungsriss-Cracken verwendet wird, bei dem der Spreizdorn über eine Schwingeinrichtung mit einer die Bruchtrennkraft überlagernden oder dieser vorgeschalteten alternierenden Kraft beaufschlagt wird, so dass der Bruchtrennbereich des Werkstücks in Schwingungen versetzt wird, die dann zur Ausbildung eines Ermüdungsrisses führen.
Beim Bruchtrennen von Pleueln oder ähnlichen Werkstücken werden die bruchgetrennten Teile nach dem Bruchtrennen miteinander verschraubt. Dieses Verschrauben kann deutlich vereinfacht werden, wenn die Bruchtrennkerbe wellen- oder zick-zack-förmig ausgebildet ist, so dass quer zur Bruchtrennkerbenlängsachse versetzte Abschnitte entstehen. Diese Sinus- oder Wellenform läuft dann in der Bruchtrennebene weg von der Bruchtrennkerbe mehr oder weniger eben aus und ermöglicht ein Vorzentrieren der bruchgetrennten Teile. Die Feinzentrierung erfolgt dann durch die durch das Gefüge vorgegebenen Unregelmäßigkeiten in der Bruchtrennebene.
6 zeigt eine derartige „Formlaserkerbe“, die zum Bruchtrennen eines Pleuels ausgebildet ist. Gemäß 6 sind die Bruchtrennkerben nicht wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 geradlinig und umlaufend ausgebildet sondern haben eine wellenförmige Struktur, die umlaufend ausgebildet ist. Beim dargestellten Ausbildungsbeispiel wurde eine leichte Sinusform gewählt, wobei in jedem Wandungsbereich (Innenumfangswandung, Stirnflächenbereiche und Außenumfangswandung) jeweils eine nach unten oder nach oben ausgelenkte „Welle“ 40 ausgebildet wird. Erfindungsgemäß wird es dabei bevorzugt, wenn diese Wellen 40 in geraden Abschnitten 42 auslaufen, die in erster Näherung in der Bruchtrennebene liegen, die sich bei einer geraden Bruchtrennkerbengeometrie ausbilden würde. Dem entsprechend können dann auch die Bruchtrennkerben in den Eckbereichen, d. h., in den Übergangsbereichen von der Umfangswandung oder der Außenumfangswandung zu den stirnseitigen Wandungsbereichen geradlinig ausgebildet werden. Diese geraden Abschnitte 42 verlaufen im Bereich der inneren Umfangsfläche 14 und der außenliegenden Seitenflächen/Außenumfangsflächen in etwa parallel zur Lagerachse. Prinzipiell reicht es aus, wenn in jedem Flächenabschnitt der umlaufenden Bruchtrennkerbe 14, 16 lediglich eine in der Darstellung gemäß 6 sich nach oben oder unten erstreckende Wölbung (Welle 42) ausgebildet ist.
7 zeigt eine Ausführung, bei der die Formlaserkerbe mit ihrer Wellenform bzw. den sich nach oben und/oder unten erstreckenden Wölbungen lediglich im Bereich der innenliegenden Umfangsfläche 14 ausgebildet ist. Die Bereiche der Bruchtrennkerbe an den beiden Stirnflächen 20 und an den außenliegenden Seitenflächen 22 sind entsprechend des Ausführungsbeispiels in 1 geradlinig ausgebildet.
Wie erwähnt, können anstelle der beschriebenen etwa sinus-förmigen Wölbungen 40 auch andere Kerbgeometrien verwendet werden.
Offenbart sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bruchtrennen eines Werkstücks sowie ein Werkstück, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oder mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bruchgetrennt ist. Erfindungsgemäß wird im Abstand zu einer Bruchtrennkerbe zumindest eine Bruchleitkerbe ausgebildet, die den Verlauf der Bruchtrennebene mit bestimmt. Die Vorrichtung zum Bruchtrennen des Werkstücks hat eine Lasereinheit zum Ausbilden der Bruchtrennkerbe und eine mechanische Bearbeitungseinheit zum Ausbilden der Bruchleitkerbe.
Bezugszeichenliste

1: Pleuel
2: großes Pleuelauge
4: kleines Pleuelauge
6: Pleuelstange
8: pleuelstangenseitiger Teil
10: Lagerschale
12: Schraube
14: Umfangsfläche
16: Bruchtrennkerbe
18: Bruchtrennkerbe
20: Stirnfläche
22: Seitenfläche
24: Bruchleitkerbe
26: Schraubenbohrung
28: Bruchtrennebene
30: Kerbabschnitt
32: Bruchfläche
33: Ölloch
34: Laserkopf
36: Laserstrahl
38: Laserkopf
40: Welle
42: gerader Abschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0808228 B2 [0002]
DE 2005031335 A1 [0003]
DE 102010014085 A1 [0004]
DE 10137975 A1 [0024, 0054]
DE 102005031335 A1 [0026]
DE 4303592 [0044]

Claims

Verfahren zum Bruchtrennen eines Werkstücks entlang eines Lagerauges, wobei diametral zu einander angeordnete Bruchtrennkerben (16, 18) in einer Umfangswandung (14) ausgebildet werden, die in etwa die Bruchtrennebene (28) vorgeben, wobei ein Crackdorn eingesetzt wird, um eine Bruchtrennkraft auf das Lager aufzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass im Abstand zu den Bruchtrennkerben (16, 18) zumindest eine Bruchleitkerbe (24) ausgebildet wird, die in der Bruchtrennebene liegt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Bruchleitkerbe (24) spanabhebend oder elektrochemisch oder durch Umformen ausgebildet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Werkstück im Bereich der Bruchtrennebene (28) zumindest einen Durchbruch hat, an dessen Umfangswandung die Bruchleitkerbe (24) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Bruchtrennkerbe (16, 18) mit Laserenergie, vorzugsweise mittels eines Faserlasers ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Bruchtrennkerben (16, 18) umlaufend ausgebildet werden.
Verfahren nach Patentanspruch 5, wobei eine Lasereinheit oder das Werkstück mit Bezug zum jeweils anderen Element drehbar angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Werkstück vor dem Bruchtrennen im Bruchtrennebenenbereich partiell erwärmt oder abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Trennen durch Ausbilden eines Ermüdungsrisses erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Bruchtrennkerbe und/oder die Bruchleitkerbe mit etwa wellen- oder zick-zack-förmigen Abschnitten ausgebildet wird.
Werkstück, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 und vorzugsweise bestehend aus einem bruchzähen Material, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung.
Werkstück nach Patentanspruch 10, wobei dieses ein Pleuel (1) ist, dessen großes Pleuelauge (2) in eine Lagerschale (10) und einen pleuelstangenseitigen Teil (8) bruchgetrennt wird, wobei an einer Umfangswandung (14) diametral zu einander Bruchtrennkerben (16, 18) und in Schraubenbohrungen (26) jeweils eine Bruchleitkerbe (24) ausgebildet ist.
Werkstück nach Patentanspruch 11, wobei die Bruchtrennkerbe (16, 18) umlaufend ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Bruchtrennen eines Werkstücks, mit einer Lasereinheit zum Ausbilden einer Bruchtrennkerbe und einer mechanischen Bearbeitungseinheit zum Ausbilden einer Bruchleitkerbe.
Vorrichtung nach Patentanspruch 13, wobei das Werkstück auf einem Wendetisch angeordnet ist und ein Laserkopf (34, 38) mit Bezug zum Werkstück und/oder letzteres mit Bezug zum Laserkopf (34, 38) drehbar und/oder verfahrbar ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 13 oder 14, mit einer Schwingeinrichtung zum Beaufschlagen des Spreizdorns während des Bruchtrennvorgangs mit einer alternierenden dynamischen Kraft.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 13 bis 15, mit einer Einheit zum Erwärmen oder Abkühlen des Bruchtrennebenenbereiches.