DE102013006792A1

DE102013006792A1 - Nachbehandlung einer zur Übertragung von Drehmomenten bestimmten Welle

Info

Publication number: DE102013006792A1
Application number: DE102013006792.8A
Authority: DE
Inventors: Sascha Sturm; Oliver Clemm
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung einer zur Übertragung von Drehmomenten bestimmten Welle (1), beispielsweise einer Kurbelwelle oder einer Antriebswelle, welche aus mehreren, durch eine Schweißverbindung (4) dauerhaft verbundenen Bereichen (2, 3) besteht. Hierzu wird in einem sich der Schweißverbindung (4) anschließenden Rohrbereich (3) durch Rollieren mit einem Rollierwerkzeug (5) am Umfang der Welle (1) eine nutenförmige Ausnehmung (6) eingebracht und so Druckeigenspannungen in der Welle (1) erzeugt. Die Druckeigenspannungen führen zu einer Steigerung der Festigkeit im Bereich der Wärmeeinflusszone der zuvor eingebrachten Schweißverbindung (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung einer zur Übertragung von Drehmomenten bestimmten Welle, beispielsweise einer Kurbelwelle oder einer Antriebswelle, welche aus mehreren, durch eine Schweißverbindung dauerhaft verbundenen Teilen besteht.
Für Brennkraftmaschinen sind verschiedenartige Ausführungen von geschmiedeten und gegossenen Kurbelwellen bekannt. Diese einteiligen Kurbelwellen weisen zwar eine hohe Festigkeit auf, für ihre Herstellung sind jedoch kostenaufwendige Werkzeuge notwendig. Alternativ zur Fertigung als komplettes Bauteil können einzelne Abschnitte einer Kurbelwelle zunächst als separate Baugruppen gefertigt und nachfolgend zur eigentlichen Kurbelwelle zusammengebaut werden. Neben Kostenvorteilen und einem geringeren Aufkommen an Schmutz und Spänen bei der Herstellung ergeben gebaute Kurbelwellen auch funktionelle Vorteile. So können bei einer solchen Kurbelwelle ungeteilte Pleuelstangen mit einem geschlossenen Pleuelauge verwendet, einteilige Pleuellager (z. B. Wälzlager) auf der Kurbelwelle abgestützt oder auch ungeteilte Gleitlagerschalen montiert werden.
Bei der Herstellung solcher Wellen aus mehreren Bauteilen kommt es zu einer lokalen Verspannung in Form von Zugeigenspannungen in einem Bereich der Schweißverbindung bzw. eines Schweißverbindungsüberganges.
Schweißverbindungen bei derartigen drehmomentbelasteten Wellen werden häufig durch dynamische oder wechselnde Belastungen beansprucht, sodass deren Lebensdauer vorrangig durch die Ermüdungsfestigkeit bestimmt ist. Durch die in der Praxis bei mehrteiligen Wellen eingesetzten Schweißverbindungen wird jedoch die Ermüdungsfestigkeit wesentlich vermindert. Die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit führt allerdings in den meisten Fällen zu einer Erhöhung des Eigengewichtes, insbesondere durch den damit verbundenen erhöhten Materialeinsatz.
Bei Metallkonstruktionen ist es bereits bekannt, durch ein Überschleifen oder Ausschleifen eine Verbesserung der Nahtgeometrie zu erzeugen und dadurch die kritischen Kerbspannungen zu reduzieren. Dabei wird davon ausgegangen, dass eine Rissfortschreitung, beispielsweise durch Ermüdung, in einer Schicht von Druckeigenspannungen erschwert bzw. verhindert wird.
Die DE 39 08 653 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten hochfesten Stählen. Durch eine WIG-Nachbehandlung der Schweißverbindungsübergänge soll die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindungen erhöht werden.
Aus dem Maschinenbau ist auch bereits das Kugelstrahlen bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2007 026 540 A1 eine Oberflächenbehandlung eines Stahlwerkstoffes mittels Kugelstrahlen, bei der eine plastische Verformung der Oberfläche des behandelten Werkstoffes durch das Auftreffen der Kugeln und infolge davon Eigenspannungen erzeugt werden.
Rollieren ist eine spanlose Bearbeitung mit Wälzkörpern zur Glättung und Verfestigung von Werkstoffoberflächen. Dabei ebnet eine gehärtete Walze durch punktuellen Eingriff die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes. Der stufenlos einstellbare Walzendruck bewirkt, dass die Fließgrenze des Werkstoffes überschritten wird, sich die mikroskopisch kleinen Profilspitzen an der Werkstückoberfläche in die angrenzenden Vertiefungen drücken und Mikrorisse geschlossen werden. Das Rollieren verfestigt die Oberfläche des Werkstückes in der Einflusszone, sodass die Verschleißfestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit, die Werkstoffermüdungsgrenze sowie die Dauerschwingfestigkeit verbessert werden.
Die DE 10 2006 012 820 A1 betrifft eine gebaute Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine. Hierbei werden die Lagerzapfen und Hubzapfen zumindest auf einem Teilbereich ihrer stirnseitigen Umfangskonturen mit den Kurbelwangen verschweißt. Indem der Übergangsbereich zwischen der Kurbelwange und den aus den Bohrungen dieser Kurbelwange herausführenden Wellenabschnitten der Lagerzapfen und Hubzapfen Materialausnehmungen aufweist, beispielsweise eine umlaufende Hohlkehle, die etwa mittels Rollieren als Einstich erzeugt werden, können hohe Belastbarkeitswerte erreicht werden.
Die DE 10 2008 014 994 A1 beschreibt eine Gewindespindel, die aus einer Stangenware mit rollierter Kugelrille hergestellt ist, wodurch sich eine hohe Gewindequalität der Gewindespindel ergibt.
Die DE 10 2011 102 208 A1 bezieht sich auf eine Zylinderlaufbuchse für ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, wobei das Kopfteil und das Schaftteil mittels einer Schweißverbindung miteinander verbunden sein können. Ein umlaufender Flansch kann beispielsweise durch eine plastische Verformung, etwa durch Rollieren, eingeformt werden.
Die 10 2009 012 973 A1 betrifft eine stoffschlüssige Anschlussverbindung zwischen zwei zylindrischen Elementen aus Metall, insbesondere Rohrleitungselementen, mittels Pressschweißen oder Reibschweißen und unter Ausbildung wenigstens eines äußeren Schweißwulstes. Dieser Schweißwulst wird an eines der zylindrischen Elemente, beispielsweise durch Rollieren, angelegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachbehandlung der Schweißverbindung derart zu verbessern, dass die dynamische Festigkeit der so gefügten Teile der Welle wesentlich verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Nachbehandlung von Wellen vorgesehen, bei dem im Bereich der Schweißverbindung durch Rollieren mit einem Rollierwerkzeug am Umfang der Welle zumindest eine nutenförmige Ausnehmung und dadurch Druckeigenspannungen in die Welle eingebracht werden, um so die dynamische Festigkeit der Welle durch eine Verfestigung zu erreichen. Durch das Einbringen der umfangsseitigen Ausnehmung in die Außenfläche der Welle im Bereich der Wärmeeinflusszone des vorangegangenen Schweißprozesses wird erfindungsgemäß die Festigkeit eingestellt. Insbesondere werden durch das Rollieren die Druckeigenspannungen in dem Material der Welle erhöht und dadurch die gewünschte Verfestigung erzielt. Indem in der Wärmeeinflusszone oder in einem diesen einschließenden Bereich Druckeigenspannungen in den oberflächennahen Randschichtbereich eingebracht werden, wird die ertragbare Zugspannung gesteigert, was zu einer Steigerung der dynamischen Festigkeit führt. Für den Fachmann hat es sich in unerwarteter Weise gezeigt, dass durch die Erhöhung der Druckeigenspannungen die Ermüdungsfestigkeit maßgebend gesteigert werden konnte. Das Einbringen der Ausnehmung kann dabei unmittelbar im Anschluss an die Schweißverbindung durchgeführt werden. Dabei sollen unter dem Begriff der Welle alle zur Übertragung von Drehmomenten bestimmten, vorzugsweise zumindest abschnittsweise rotationssymmetrischen Maschinenelemente verstanden werden, unabhängig davon, ob der gewöhnliche Einsatzzweck im Betrieb einen Rotationsbewegung erfordert oder nicht.
Die Druckeigenspannungen könnten flächig in die Wellenoberfläche eingebracht werden. Besonders Erfolg versprechend ist es hingegen, wenn die Druckeigenspannungen zumindest partiell in einen Bereich eingebracht werden, der sich als Wärmeeinflusszone der Schweißverbindung in axialer Richtung anschließt, wobei unter dem Begriff der Wärmeeinflusszone der Bereich verstanden wird, in dem beim Schweißen kurzzeitig Temperaturen zwischen Raum- und Schmelztemperatur erreicht werden, die zu dementsprechenden Gefügeänderungen führen. Dabei kann die durch Rollieren eingebrachte nutenförmige Ausnehmung entlang der axialen Erstreckung gegebenenfalls auch eine unterschiedliche, beispielsweise zunehmende oder abnehmende Zustelltiefe aufweisen, um so die einzubringenden Druckeigenspannungen an das Temperaturprofil des Schweißprozesses anzupassen. In vorteilhafter Weise kann die Ausnehmung einschließlich der sich der Ausnehmung beidseitig anschließenden Bereiche einen stetigen Verlauf aufweisen, um so unerwünschte, sprunghafte Veränderungen im Verlauf der Druckeigenspannungen zu vermeiden. Durch das Einbringen von Druckeigenspannungen wird zudem die Rissfortschrittsgeschwindigkeit reduziert. Beide Effekte erhöhen die Ermüdungsfestigkeit. Durch plastische Verformungen können zusätzlich Ausrundungen der Ausnehmung erreicht und damit die Beanspruchungen aus geometrischer Kerbwirkung reduziert werden.
Das Rollierwerkzeug könnte eine die Kontaktfläche definierende Umfangsfläche aufweisen, deren Breite an die Wärmeeinflusszone angepasst ist, sodass eine axiale Verfahrbewegung des Rollierwerkzeuges relativ zu der Welle entbehrlich ist. Eine besonders effiziente Umformung der Wellenaußenfläche wird hingegen dann erreicht, wenn das Rollierwerkzeug eine geringere Breite als die einzubringende Ausnehmung aufweist und in axialer Richtung entlang einer der Wärmeeinflusszone entsprechenden Zustellbreite verfahren wird, weil dadurch die Belastung für das Werkzeug vergleichsweise gering gehalten werden kann. Das Einbringen der Ausnehmung erfolgt dabei in einem kontinuierlichen Umformprozess.
Indem die Ausnehmung kraftgesteuert in die Welle eingebracht wird, können die gewünschten Druckeigenspannungen zuverlässig mit einem Sollwert mit einer vorbestimmten Toleranz realisiert werden. Vorzugsweise wird hierzu die Zustellbewegung ausgehend von einem der Schweißverbindung abgewandten Bereich der Wärmeeinflusszone durchgeführt.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders sinnvollen Abwandlung der Erfindung wird die Zustelltiefe entsprechend dem Betrag der einzubringenden Druckeigenspannungen bestimmt und das Erreichen der Zustelltiefe mittels eines Sensors erfasst. Hierdurch wird ein reproduzierbarer Prozess als Regelkreis realisiert, um so zugleich die erfolgreiche Durchführung des Prozesses nachprüfbar zu gestalten.
Grundsätzlich kann die Welle rotationsbeweglich angetrieben werden, um so die zum Rollieren erforderliche Relativbewegung zu realisieren. Bei einer anderen, ebenfalls besonders vielversprechenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßens Verfahren wird die Welle fixiert und das Rollierwerkzeug rotationsbeweglich angetrieben, wobei ein gegensinniger oder gleichsinniger Antrieb der Welle nicht ausgeschlossen ist. Das Verfahren kann dabei mittels an sich bekannter CNC-Bearbeitungszentren durchgeführt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Schweißverbindung zwei mit unterschiedlicher Festigkeit versehene Rohrbereiche verbindet und dass die Rollierung zumindest in den Rohrbereich mit der geringeren Festigkeit eingebracht wird. So kann die Nachbehandlung auf diesen Rohrbereich beschränkt werden.
Eine besonders Erfolg versprechende Abwandlung der Erfindung wird beispielsweise auch dadurch realisiert, dass die Schweißverbindung einen Rohrbereich und einen Zapfenbereich verbindet und dass die Rollierung zumindest in den Rohrbereich eingebracht wird. Dabei macht sich die Erfindung zunutze, dass der Festigkeitsverlust im Bereich des massiven Zapfenbereiches deutlich geringer als in dem Rohrbereich ist, sodass die Nachbehandlung auf diesen Rohrbereich beschränkt werden kann.
Dabei hat es sich bereits als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die Ausnehmung aufgrund der plastischen Verformung mittels des Rollierwerkzeuges schrittweise in mehreren Zyklen eingebracht und die Zustelltiefe in jedem Zyklus verstärkt wird, sodass die in jedem Zyklus erzielten Umformgrade vergleichsweise gering sind. Hierdurch wird zugleich auch das Entstehen von Zugeigenspannungen in dem Randbereich der Werkzeugeinwirkung vermieden.
Bei einer alternativen Ausgestaltung werden die gewünschten Druckeigenspannungen dadurch in die Welle eingebracht, dass einander abgewandte Bereiche der Welle in einer Aufnahme fixiert werden und in die Endbereiche beiderseits der Schweißverbindung ein gegensinniges Drehmoment eingeleitet wird, um auf diese Weise eine Verfestigung durch einwirkende Torsionskräfte zu erzeugen. Hierdurch kann auf ein Rollierwerkzeug verzichtet werden, indem die gewünschte Festigkeitssteigerung allein aufgrund der Torsionskräfte, welche die im Betrieb der Welle auftretenden Drehmomente wesentlich übertreffen, ausgelöst werden. Zu diesem Zweck kann die Welle beispielsweise mit einem Endbereich ortsfest fixiert und an dem gegenüberliegenden Endbereich mit einem entsprechenden Drehmoment beaufschlagt werden. In Abhängigkeit der ausgewählten Wellenabschnitte, welche zum Fixieren sowie zur Übertragung des Drehmomentes genutzt werden, kann der Einflussbereich der Verfestigung entsprechend auf den Zwischenraum begrenzt werden. Vorzugsweise wird das Drehmoment mehrfach mit Lastwechseln eingeleitet, bis die gewünschte Verfestigung eingetreten ist.
Die Schweißverbindung kann mittels an sich bekannter Schweißverfahren erzeugt werden. In vorteilhafter Weise kann beispielsweise auch ein Pressschweißverfahren, insbesondere mit magnetisch bewegtem Lichtbogen unter Schutzgas (Magnetarc-Schweißverfahren) eingesetzt werden. Mit dem Verfahren lassen sich Hohlprofile mit Wandstärken zwischen 0,5 und 10 mm verbinden.
Als Werkstoff für die Welle eignen sich grundsätzlich eine Vielzahl an sich bekannter Metalle und Metallverbindungen, insbesondere elektrisch leitfähige und schmelzbare Materialien, wie beispielsweise unlegierte oder niedriglegierte Stähle, Automatenstähle oder Stahl- und Temperguss. Mit dem Verfahren lassen sich auch Kombinationen dieser Werkstoffe hervorragend miteinander bearbeiten.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in jeweils in einer Prinzipdarstellung in
1 eine Welle mit einem Rohrbereich, welcher durch eine Schweißverbindung mit einem Zapfen verbunden ist;
2 ein Verfahren zur Nachbehandlung einer Welle durch Einbringen einer nutenförmigen Ausnehmung;
3 ein weiteres Verfahren zur Nachbehandlung einer Welle durch Torsionsbeanspruchung.
1 zeigt einen Ausgangszustand einer zur Übertragung von Drehmomenten bestimmten Welle 1, bei der ein Rohrbereich eines Zapfens 2 mit einem weiteren Rohrbereich 3 durch eine Schweißverbindung 4 zu einer unlösbaren Einheit verbunden ist.
In einem in 2 gezeigten Verfahrensschritt zur Nachbehandlung wird in einem sich der Schweißverbindung 4 anschließenden Rohrbereich 3 durch Rollieren mit einem Rollierwerkzeug 5 am Umfang der Welle 1 eine nutenförmige Ausnehmung 6 eingebracht, um so Druckeigenspannungen in der Welle 1 zu erzeugen, die zu einer Steigerung der Festigkeit führen. Die Ausnehmung 6 wird durch eine reversierende Bewegung des Rollierwerkzeuges 5 in Richtung des Doppelpfeiles mit einer gewünschten Zustellbreite b und einer Zustelltiefe t in einen Abschnitt des Rohrbereiches 3 eingebracht, welcher der Wärmeeinflusszone aufgrund des thermischen Energieeintrages beim Einbringen der Schweißverbindung 4 entspricht.
Bei einem in 3 gezeigten alternativen Verfahren wird die gewünschte Verfestigung dadurch in die Welle 1 eingebracht, dass der Rohrbereich 3 in einer Aufnahme 7 ortsfest fixiert und in den Zapfenbereich 2 ein Drehmoment eingeleitet wird. Hierbei entstehen Torsionskräfte, die zu einer Kaltverfestigung in der Wärmeeinflusszone, die eine geringere Festigkeit gegenüber dem Grundmaterial besitzt, und damit zu der gewünschten dynamischen Festigkeitssteigerung führen.
Bezugszeichenliste

1: Welle
2: Zapfenbereich
3: Rohrbereich
4: Schweißverbindung
5: Rollierwerkzeug
6: Ausnehmung
7: Aufnahme
b: Zustellbreite
t: Zustelltiefe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3908653 A1 [0006]
DE 102007026540 A1 [0007]
DE 102006012820 A1 [0009]
DE 102008014994 A1 [0010]
DE 102011102208 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Nachbehandlung einer zur Übertragung von Drehmomenten bestimmten Welle (1), welche aus mehreren, durch eine Schweißverbindung (4) dauerhaft verbundenen Teilen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Schweißverbindung (4) durch Rollieren mit einem Rollierwerkzeug (5) am Umfang der Welle (1) zumindest eine nutenförmige Ausnehmung (6) in die Welle (1) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Rollierwerkzeuges (5) Druckeigenspannungen zumindest in einen Bereich eingebracht werden, welcher einer Wärmeeinflusszone der Schweißverbindung (4) entspricht.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollierwerkzeug (5) in axialer Richtung entlang einer der Wärmeeinflusszone entsprechenden Zustellbreite (b) verfahren wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustellbewegung ausgehend von einem der Schweißverbindung (4) abgewandten Bereich der Wärmeeinflusszone durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zustelltiefe (t) entsprechend dem Betrag der einzubringenden Druckeigenspannungen bestimmt und das Erreichen der vorbestimmten Zustelltiefe (t) mittels eines Sensors erfasst wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weile (1) fixiert und das Rollierwerkzeug (5) rotationsbeweglich angetrieben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung (4) einen Rohrbereich (3) und einen Rohrbereich auf einem Zapfen verbindet und dass die Rollierung zumindest in den Rohrbereich (3) eingebracht wird, der die geringere Festigkeit aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (6) aufgrund der plastischen Verformung mittels des Rollierwerkzeuges (5) schrittweise in mehreren Zyklen eingebracht und die Zustelltiefe (t) in jedem Zyklus verstärkt wird.
Verfahren zur Nachbehandlung einer zur Übertragung von Drehmomenten bestimmten Welle (1), welche aus mehreren, durch eine Schweißverbindung (4) dauerhaft verbundenen Teilen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass einander abgewandte Bereiche (Rohrbereich 3; Zapfenbereich 2) der Welle (1) beiderseits der Schweißverbindung (4) in einer Aufnahme (7) fixiert werden und ein Drehmoment eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment mehrfach mit Lastwechseln eingeleitet wird.