DE102014006022A1

DE102014006022A1 - Verfahren zum Fügen einer Welle und mindestens eines Bauteils

Info

Publication number: DE102014006022A1
Application number: DE102014006022.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Eßer Gerd
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Welle und mindestens eines Bauteils, wie einer Nocke, bei dem in mindestens einem Bereich der Oberfläche der Welle verwerfungsartige Materialanhäufungen erzeugt werden, auf die das mindestens eine Bauteil mittels Druckausübung auf letzteres in dem mindestens einen Bereich der Oberfläche der Welle aufgepresst und dabei mit der Welle in dem mindestens einen Oberflächenbereich letzterer gefügt wird. Um den mindestens einen Bereich der Oberfläche der Welle praktisch kräftefrei und unabhängig von Zugangsproblemen zur Welle in einen solchen funktionsgerechten Zustand zu versetzen, in dem das mindestens eine Bauteils auf den mindestens einen zugeordneten Bereich der Oberfläche der Welle kraftschlüssig aufzupressen ist, werden erfindungsgemäß die verwerfungsartigen Materialanhäufungen in dem mindestens einen Oberflächenbereich der Welle durch berührungsloses Hochleistungslaserstrukturieren des letzteren praktisch kräftefrei und bei ungehinderter Zugänglichkeit des mindestens einen Oberflächenbereichs der Welle derart erzeugt, dass in dem mindestens einen Oberflächenbereich mindestens eine lokale, vorzugsweise in Umfangsrichtung der Welle verlaufende Verwerfung (Aufdickung) gebildet wird, auf die das mindestens eine Bauteil durch auf dieses in Axialrichtung der Welle ausgeübten Druck aufgepresst und dabei mit der Welle fest gefügt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen einer Welle und mindestens eines Bauteils, wie einer Nocke, bei dem in mindestens einem Bereich der Oberfläche der Welle verwerfungsartige Materialanhäufungen erzeugt werden, auf die das mindestens eine Bauteil mittels Druckausübung auf letzteres in Axialrichtung der Welle in dem mindestens einen Bereich der Oberfläche der Welle aufgepresst und dabei mit der Welle in dem mindestens einen Oberflächenbereich letzterer gefügt wird.
Bei einem aus der EP 1 553 329 B1 bekannten derartigen Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle aus einer Welle und einer Anzahl von darauf aufgepressten Nocken werden diese in einer Reihe von Bearbeitungsschritten auf die Welle aufgepresst, indem

– ein Positionierungselement vor dem ersten Bearbeitungsschritt an der Welle befestigt,
– die Welle dann mit Hilfe des Positionierungselementes auf wenigstens einer Bearbeitungsstation in einer ersten definierten Position für die Dauer eines ersten Bearbeitungsschrittes befestigt, die Welle mit Hilfe des Positionierungselementes auf wenigstens einer weiteren Bearbeitungsstation in einer zweiten definierten Position für die Dauer eines zweiten Bearbeitungsschrittes befestigt,
– die Welle im ersten Bearbeitungsschritt unter Bildung von Verwerfungen (Aufdickungen) in mindestens einem Bereich der Wellenoberfläche rolliert und dabei unter der Vergrößerung des Wellendurchmesser in dem mindestens einem Bereich plastisch verformt und
– im zweiten Bearbeitungsschritt eine der Nocken auf den mindestens einen rollierten Oberflächenbereich der Welle aufgepresst wird.

Bei diesem bekannten Verfahren sind eine gute Zugänglichkeit zu dem mindesten einen zu rollierenden Bereich der Oberfläche der Leerwelle und eine verhältnismäßig hohe Kraftaufwendung für das Rollieren des Bereiches der Oberfläche der Leerwelle erforderlich.
Aus der DE 10 2009 060 352 A1 ist zudem ein Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle zur Ventilsteuerung eines Verbrennungsmotors bekannt. Hierbei wird eine Mehrzahl scheibenartiger Nocken mit je einem zentralen, runden, senkrecht zu einer Nockenhauptebene erstreckten Durchbruch derart ausgerichtet, dass die Durchbrüche der axial im Abstand zueinander angeordneten Nocken miteinander fluchten. Eine Leerwelle runden Außenprofils wird relativ zu den Nocken unterkühlt, wobei der Außendurchmesser der unterkühlten Leerwelle kleiner und der Außendurchmesser der nicht unterkühlten Leerwelle grösser als der Innendurchmesser der Nockendurchbrüche ist. Die unterkühlte Leerwelle wird in die fluchtenden Nockendurchbrüche eingeschoben. Ein Temperaturausgleich zwischen der Leerwelle und den Nocken wird herbeigeführt, sodass die Leerwelle und die Nocken fest zu einer Nockenwelle verbunden werden, wobei die Innenflächen der Nockendurchbrüche und/oder die Außenfläche der Leerwelle in ihren im eingeschobenen Zustand von den Nockendurchbrüchen umgriffenen Abschnitten ein mittels Laserablation erzeugtes Raumuster aufweisen.
Die kraftschlüssige Fügeverbindung wird bei diesem bekannten Verfahren durch die thermische Ausdehnung der in ihrer Gesamtheit vorgekühlten Welle gebildet, wobei sämtliche Nocken kräftearm über die vorgekühlte Welle an die jeweilige Sollposition geschoben und durch Kraftschluss fixiert werden, wenn sich die Welle in Folge ihrer Erwärmung thermisch ausdehnt. Dies bedingt eine verhältnismäßig komplexe Bearbeitungsvorrichtung. Die Erzeugung eines Raummusters auf den Innenflächen der Nockendurchbrüche und/oder auf der Außenfläche der Leerwelle mittels Laserstrukturierung im Laufe des Verfahrens dient nur zur Unterstützung der kraftschlüssigen Verbindung und bewirkt diese nicht selbst. Problematisch ist bei diesem bekannten Verfahren die Steuerung der thermischen Ausdehnung der vorgekühlten Leerwelle, da deren Kühlung nur ungenügend steuerbar ist.
Weiterhin ist in der DE 20 2009 006 589 U1 eine Laserstation zur Strukturierung von Innenumfangsflächen eines Werkstücks, beispielsweise einer Nockenwelle, mit zwei, vorzugsweise um 180°, zueinander versetzten 3D-Lasern beschrieben. Der Laserstrahl der 3D-Laser ist in x-, y- und z-Richtung steuerbar bzw. fokussierbar, wobei die Laser oberhalb, seitlich versetzt und hin zur Innenumfangsfläche geneigt angeordnet sind.
Aus der DE 103 25 910 A1 geht schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oberflächenstrukturieren von Anlageflächen zweier reibschlüssig miteinander verbundenen Körper mittels eines Lasers hervor.
Der vorliegenden Erfindung liegt die neuartige Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen einer Welle und mindestens eines Bauteils, wie einer Nocke, gemäß der eingangs erwähnten Art so zur Verfügung zu stellen, dass der mindestens eine Bereich der Oberfläche der Welle praktisch kräftefrei und unabhängig von Zugangsproblemen zur Welle in einen solchen funktionsgerechten Zustand versetzt wird, in dem das mindestens eine Bauteil auf den mindestens einen zugeordneten Bereich der Oberfläche der Welle kraftschlüssig aufzupressen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die verwerfungsartigen Materialanhäufungen in dem mindestens einen Oberflächenbereich der Welle durch berührungsloses Hochleistungslaserstrukturieren des letzteren praktisch kräftefrei und ohne Probleme der Zugänglichkeit des mindestens einen Oberflächenbereichs der Welle derart erzeugt werden, dass in dem mindestens einen Oberflächenbereich mindestens eine lokale Verwerfung (Aufdickung) gebildet wird, auf die das mindestens eine Bauteil durch auf dieses in Richtung der Achse der Welle ausgeübten Druck aufgepresst und dabei mit der Welle fest gefügt wird.
Bevorzugt wird die in dem mindestens einen Bereich der Oberfläche der Welle erzeugte mindestens eine lokale Verwerfung (Aufdickung) in Umfangsrichtung der Welle verlaufend gebildet.
Vorzugsweise erfolgt das Hochleistungslaserstrukturieren der mindestens einen Oberfläche der Welle mittels eines gütegeschalteten Lasersystems. Bevorzugt werden die mittlere Leistung des mindestens einen gütegeschalteten Lasers oberhalb von 500 W und die Pulsdauer des einen gütegeschalteten Lasers im Bereich zwischen 10 ns und 100 ns gewählt.
Als das mindestens eine gütegeschaltete Lasersystem kann ein fasergekoppeltes „Cavity Dumped Laser”-System verwendet werden.
Beim Einsatz eines gütegeschalteten Lasersystems mit Pulslängen im Bereich von 10 ns bis einigen 100 ns kann es lokal zu einer kombinierten Schmelz- und Dampfphasenbildung. Die Dampfphase führt zu der lokalen Aufwerfung der Schmelzphase, die dann so erstarrt, dass mindestens eine bevorzugt in Umfangsrichtung der Welle verlaufende Aufdickung in dem mindestens einen vorbestimmten, hochleistungslaserstrukturierten Bereich der Oberfläche der Welle gebildet wird, auf die das mit der Welle zu fügende Bauteil aufgepresst wird.
Vorteilhafterweise werden mehrere Nocken nacheinander oder gleichzeitig jeweils einzeln in einem zugeordneten vorbestimmten Bereich der Oberfläche der Welle nach dessen Hochleistungslaserstrukturierung auf die in letzterem jeweils mindestens eine gebildete lokale, in Umfangsrichtung der Welle verlaufende Verwerfung (Aufdickung) aufgepresst, jeweils einzeln auf dieser positioniert und justiert und fest mit der Welle gefügt.
Bevorzugt werden zunächst die geometrischen Parameter der mindestens einen lokalen, in Umfangsrichtung der Welle verlaufende Verwerfung (Aufdickung) in deren mindestens einem vorbestimmten Bereich der Oberfläche vor der Hochleistungslaserstrukturierung des mindestens einen vorbestimmten Bereiches der Oberfläche der Welle numerisch simuliert.
Zudem wird vorteilhafterweise die Pulsdauer und/oder die mittlere Leistung des mindestens einen gütegeschalteten Lasers vor der Hochleistungslaserstrukturierung des mindestens einen vorbestimmten Bereiches der Oberfläche der Welle numerisch simuliert.
Auch kann die auf das mindestens eine Bauteil auszuübende Kraft zum Aufpressen und Fügen des mindestens einen Bauteils mit der Welle vor der Hochleistungslaserstrukturierung des mindestens einen vorbestimmten Bereiches der Oberfläche der Welle numerisch simuliert werden.
Zusätzlich ist es möglich die Intensität des Strahls des gütegeschalteten Lasers in Abhängigkeit der geforderten geometrischen Parameter der mindestens einen Verwerfung (Aufdickung) in deren mindestens einem vorbestimmten Bereich der Oberfläche der Welle vor der Hochleistungslaserstrukturierung des mindestens einen vorbestimmten Bereiches der Oberfläche der Welle numerisch zu simulieren.
Bei der Technik gütegeschalteter Lasersysteme geht es um eine Veränderung des Gütefaktors des Lasers zwecks Erzeugung eines Riesenimpulses des Lasers. Typische gütegeschaltete Laser wie z. B. ein Nd:YAG-Laser mit einer Resonanzlänge von z. B. 10 cm, die mit dem Lichtimpulse mit einer Pulsdauer zwischen 20 ns bis 50 ns und mehr erzeugt werden können, finden Anwendung im Bereich der Impulsholografie, der Laserfotografie sowie der Mess- und Medizintechnik, wo Laser mit hoher Leistung und einer Pulsdauer im Bereich von Nanosekunden gefordert sind. Durch die Strahlanbindung über optische Lichtleitfasern wird eine optimale Strahlführung zum Bearbeitungsort ermöglicht, d. h. zu dem mindestens einen vorbestimmten Bereich der Oberfläche der Welle, der hochleistungslaserstrukturiert wird.
Durch das Hochleistungslaserstrukturieren einer zu fügenden Oberfläche beim Fügen z. B. einer Nockenwelle mit mindestens einem Bauteil wie einer Nocke gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher in unerwarteter Weise die Möglichkeit einer berührungslosen und damit quasi kräftefreien lokalen Aufdickung des zu fügenden Bereiches der Oberfläche der Welle bei sehr flexibler geometrischer Gestaltbarkeit der Zone der Materialaufdickung der zu fügenden Oberfläche und bei flexibel variierbarer Montagesequenz geschaffen. In vorteilhafter Weise können somit z. B. mehrere Nocken jeweils einzeln über einen zugeordneten, durch das Hochleistungslaserstrukturieren praktisch kräftefrei materialmäßig aufgedickten, vorbestimmten Bereich der Oberfläche der Nockenwelle durch seitliche Pressung geschoben, dabei jeweils einzeln bedarfsgerecht justiert und positioniert und kraftschlüssig mit der Nockenwelle fest gefügt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich weiterhin in signifikanter Weise vorteilhaft gegenüber dem relevanten Stand der Technik hinsichtlich der Montage einer Nockenwelle oder einer integrierten Multifunktionseinheit, die eine oder mehrere Nockenwellen beinhaltet. So kann z. B. der Durchmesser der Nockenwelle im ungekühlten Zustand so dimensioniert werden, dass der gesamte Zusammenbau z. B. bei der integrierten Multifunktionseinheit unter Umgebungstemperatur nahezu kräftefrei erfolgen kann. D. h., eine aufwendige und kostenintensive Vorkühlung wie beim einschlägigen Stand der Technik ist nicht erforderlich.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen erläutert. In diesen sind:
1 eine schematisch Darstellung einer Welle vor Aufbringung eines mit dieser zu fügenden Bauteils wie einer Nocke, wobei auf einen vorbestimmten Bereich der Oberfläche der Welle ein Laserstrahl eines nichtgezeigten gütegeschalteten Lasersystems gerichtet ist, und
2 eine schematische Darstellung der Welle gemäß 1, wobei das mit der Welle zu fügende Bauteil im Zustand seiner Bewegung auf der Welle in Richtung deren Achse zu dem vorbestimmten hochleistungslaserstrukturierten Bereich der Oberfläche der Welle hin gezeigt ist.
1 zeigt eine Welle 1, die beispielsweise als Hohlwelle ausgebildet und/oder in einem nicht dargestellten Rotationssystem drehbar gelagert sein kann.
Gemäß 1 wird die Welle 1 in einem vorbestimmten Bereich 3 ihrer Oberfläche 2 mittels eines Laserstrahls 4 eines nicht gezeigten gütegeschalteten Lasersystems derart hochleistungslaserstrukturiert, dass in dem vorbestimmten Bereich 3 der Oberfläche 2 der Welle 1 praktisch kräftefrei und ohne Probleme der Zugänglichkeit verwerfungsartige Materialanhäufungen 4 erzeugt werden. Durch die Materialanhäufungen 4 wird in dem vorbestimmten Bereich 3 der Oberfläche 2 der Welle 1 mindestens eine lokale, in Umfangsrichtung der Welle 1 verlaufende Verwerfung (Aufdickung) 5 einer Höhe gebildet, die ein festes Fügen der Welle 1 mit einem Bauteil 6 bei dessen Aufpressen auf die in Umfangsrichtung der Welle 1 verlaufende Aufdickung 5 in dem vorbestimmten Bereich 3 der Oberfläche 2 der Welle 1 in deren Axialrichtung bedingt.
2 zeigt die Welle 1 gemäß 1, wobei das mit der Welle 1 zu fügende Bauteil 6 auf letztere aufgeschoben und – wie durch den Pfeil 7 angedeutet ist – sich im Zustand der Bewegung durch auf das Bauteil 6 in Richtung der Achse A der Welle 1 ausgeübte Kraft F zum hochleistungsstrukturierten Bereich 3 der Oberfläche 2 der Welle 1 hin befindet. Das sich auf der Welle 1 in deren Axialrichtung bewegende Bauteil 6 wird auf die mindestens eine in Umfangsrichtung der Welle 1 verlaufende Aufdickung 5 des Materials in dem hochleistungslaserstrukturierten vorbestimmten Bereich 3 der Oberfläche 2 der Welle 1 aufgepresst, dort justiert und positioniert und mit der Welle 1 dabei fest gefügt.
Bezugszeichenliste

1: Welle
2: Oberfläche der Welle
3: vorbestimmter Bereich der Oberfläche der Welle
4: Laserstrahl eines gütegeschalteten Lasersystems
5: verwerfungsartige Aufdickung des Materials im vorbestimmten Bereich der Oberfläche der Welle
6: mit der Welle zu fügendes Bauteil wie eine Nocke
7: Pfeil, der die Bewegung des Bauteils auf der Welle in Richtung deren Achse A symbolisiert
A: Achse der Welle
F: Kraft

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 1553329 B1 [0002]
DE 102009060352 A1 [0004]
DE 202009006589 U1 [0006]
DE 10325910 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Fügen einer Welle und mindestens eines Bauteils, wie einer Nocke, bei dem in mindestens einem Bereich der Oberfläche der Welle verwerfungsartige Materialanhäufungen erzeugt werden, auf die das mindestens eine Bauteil mittels Druckausübung auf letzteres in Richtung der Achse der Welle in dem mindestens einen Bereich der Oberfläche der Welle aufgepresst und dabei mit der Welle in dem mindestens einen Oberflächenbereich letzterer gefügt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die verwerfungsartigen Materialanhäufungen in dem mindestens einen Bereiches der Oberfläche der Welle durch berührungsloses Hochleistungslaserstrukturieren des letzteren praktisch kräftefrei und ohne Probleme der Zugänglichkeit des mindestens einen Bereiches der Oberfläche der Welle derart erzeugt werden, dass in dem mindestens einen Bereich der Oberfläche mindestens eine lokale Verwerfung (Aufdickung) gebildet wird, auf die das mindestens eine Bauteil durch auf dieses in Richtung der Achse der Welle ausgeübte Kraft aufgepresst und dabei mit der Welle fest gefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem mindestens einen Bereich der Oberfläche der Welle erzeugte mindestens eine lokale Verwerfung (Aufdickung) in Umfangsrichtung der Welle verlaufend gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochleistungslaserstrukturieren des mindestens einen Bereiches der Oberfläche der Welle mittels mindestens eines gütegeschalteten Lasers erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leistung des mindestens einen gütegeschalteten Lasers oberhalb von 500 W gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des mindestens einen gütegeschalteten Lasers im Bereich zwischen 10 ns und 100 ns gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass für das mindestens eine gütegeschaltete Lasersystem ein fasergekoppeltes „Cavity Dumped Laser”-System verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Nocken nacheinander oder gleichzeitig jeweils einzeln in einem zugeordneten Bereich der Oberfläche der Welle nach dessen Hochleistungslaserstrukturieren auf die in letzterem jeweils mindestens eine gebildete lokale, in Umfangsrichtung der Welle verlaufende Verwerfung (Aufdickung) aufgepresst, auf der Welle jeweils einzeln positioniert und justiert und fest gefügt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die geometrischen Parameter der mindestens einen lokalen, in Umfangsrichtung der Welle verlaufende Verwerfung (Aufdickung) in deren mindestens einem vorbestimmten Bereich der Oberfläche vor der Hochleistungslaserstrukturierung des mindestens einen vorbestimmten Bereiches der Oberfläche der Welle numerisch simuliert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leistung des mindestens einen gütegeschalteten Lasers vor der Hochleistungslaserstrukturierung des mindestens einen vorbestimmten Bereiches der Oberfläche der Welle numerisch simuliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des mindestens einen gütegeschalteten Lasers vor der Hochleistungslaserstrukturierung des mindestens einen vorbestimmten Bereiches der Oberfläche der Welle numerisch simuliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das mindestens eine Bauteil auszuübende Kraft zum Aufpressen und Fügen des mindestens einen Bauteils mit der Welle vor der Hochleistungslaserstrukturierung des mindestens einen vorbestimmten Bereiches der Oberfläche der Welle numerisch simuliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Strahls des gütegeschalteten Lasers in Abhängigkeit der geforderten geometrischen Parameter der mindestens einen Verwerfung (Aufdickung) in deren mindestens einem vorbestimmten Bereich der Oberfläche der Welle vor der Hochleistungslaserstrukturierung des mindestens einen vorbestimmten Bereiches der Oberfläche der Welle numerisch simuliert wird.