DE102016120522A1

DE102016120522A1 - Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Nockenwellenbauteils

Info

Publication number: DE102016120522A1
Application number: DE102016120522.2A
Authority: DE
Inventors: Hilmar Wanner
Original assignee: H B Hightech GmbH; H+b Hightech GmbH
Current assignee: H B Hightech GmbH; H+b Hightech GmbH
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-03

Abstract

Die Offenbarung betrifft ein Verfahren und eine Fertigungsanlage (110) zur Herstellung einer Buchse (14)für eine Nockenwelle (10) für einen Ventiltrieb mit Hubverstellung. Das Verfahren umfasst die Schritte Bereitstellung eines Bauteils (16) in Form eines Halbzeugs; Bearbeitung des Bauteils (16), umfassend Erzeugung einer Drehmitnahmekontur (62) im Innenbereich des Bauteils (16), zur Kopplung mit einem Wellenbauteil (12); Erzeugung eines Rastabschnitts (30) mit zumindest einem Rastbereich, der insbesondere als Rastnut (32, 34) gestaltet ist; Wärmebehandlung des Bauteils (16), umfassend zumindest abschnittsweises induktives Härten des Bauteils (16) im Bereich des Rastabschnitts (30), Anlassen des Bauteils (16); und weitere mechanische Bearbeitung des Bauteils (16), nach der Wärmebehandlung, insbesondere im Bereich des Rastabschnitts (30).

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Buchse für eine Nockenwelle für einen Ventiltrieb. Die Offenbarung betrifft ferner eine Fertigungsanlage zur Herstellung eines solchen Bauteils.
Variable Ventiltriebe für Verbrennungsmotoren sind im Stand der Technik bekannt. Es sind Ventiltriebe bekannt, die verschiedene Nockenkonturen umfassen, die je nach aktuellem Betriebsmodus der Nockenwelle in Eingriff oder außer Eingriff gebracht werden können. Die Nockenkonturen können etwa einem jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors (Teillast, Volllast, etc.) zugeordnet werden. Auf diese Weise kann der Verbrennungsmotor im Hinblick auf die Leistung und insbesondere im Hinblick auf die Emissionen optimiert werden, wobei eine Optimierung idealerweise für mehrere Betriebszustände ermöglicht ist.
Derartige verstellbare Nockenwellen sind grundsätzlich bekannt und bereits im Stand der Technik beschrieben. Üblicherweise umfasst eine derartige Nockenwelle eine zentrale Welle, auf der buchsenartig gestaltete Bauteile axial verschieblich aufgenommen sind, die entsprechende Nockenbereiche tragen, in denen verschiedene Nockenbahnen ausgebildet sind, die selektiv in Eingriff gebracht werden können. Auf diese Weise können sich für das mit der jeweiligen Nockeneinheit angesteuerte Ventil verschiedene Hübe bzw. verschiedene Steuerzeiten ergeben.
Aus der DE 101 48 243 A1 ist ein Ventiltrieb mit einer Ventilhubumschaltung für die Gaswechselventile eines 4-Takt-Verbrennungsmotors bekannt, mit einer Zahnwelle mit axialer Außenverzahnung und zumindest einem Nockenstück pro Zylinderkopf, das eine dazu passende Innenverzahnung aufweist und das verdrehfest sowie axial verschiebbar auf der Nockenwelle angeordnet ist, wobei das Nockenstück pro Gaswechselventil zumindest zwei nebeneinander liegende Gaswechselnocken mit unterschiedlichem Hub und gleichem Grundkreisdurchmesser sowie zwei am Umfang des Nockenstücks angeordnete Verschiebenuten aufweist; und mit gehäusefesten, radial zu dem Nockenstück hin bewegbaren Aktuatorstiften, durch deren Zusammenwirken mit den Verschiebenuten das Nockenstück axial verschiebbar ist, wobei das Nockenstück durch Rastmittel und Rastrillen in bestimmten Rastpositionen axial fixierbar ist, wobei das Rastmittel zylinderkopffest angeordnet ist, und wobei eine erste und zweite Rastrille am Außenumfang des Nockenstücks vorgesehen ist.
Aus der WO 2004/083611 A1 ist ein Ventiltrieb mit mindestens einer Nockenwelle bekannt, auf der drehfest und axial verschiebbar mindestens ein Nockenträger angeordnet ist, wobei der mindestens eine Nockenträger mindestens einen Nocken aufweist, auf dem mindestens zwei unterschiedliche Nockenlaufbahnen ausgebildet sind, wobei der mindestens eine Nockenträger zur Lagerung der mindestens einen Nockenwelle von mindestens einem zylinderkopffesten Nockenwellenlager umfasst ist, wobei Mittel zum axialen Verschieben des mindestens einen Nockenträgers gegenüber der mindestens einen Nockenwelle zwischen einer ersten axialen Position und mindestens einer zweiten axialen Position vorgesehen sind, wobei in der ersten axialen Position des Nockenträgers eine erste nockenträgerfeste Anschlagsfläche an einer ersten zylinderkopffesten Anschlagsfläche anliegt, wobei in der zweiten axialen Position des Nockenträgers eine zweite nockenträgerfeste Anschlagsfläche an einer zweiten zylinderkopffesten Anschlagsfläche anliegt, wobei zwischen Nockenwelle und Nockenträger Mittel zum Aufbringen einer axialen Spannkraft ausgebildet sind, und wobei die axiale Spannkraft den Nockenträger im Bereich der ersten axialen Position in Richtung der ersten axialen Position verschiebt, und im Bereich der zweiten axialen Position in Richtung der zweiten axialen Position verschiebt.
Aus der DE 10 2009 048 621 A1 ist ein Ventiltrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine bekannt, mit mindestens einer drehbaren Grundnockenwelle, die eine Außenverzahnung aufweist, und mindestens einem Nockenträger, der eine mit der Außenverzahnung zusammenwirkende komplementäre Innenverzahnung aufweist und auf der Grundnockenwelle axial zwischen mindestens zwei im Abstand voneinander angeordneten Verschiebestellungen verschiebbar ist, wobei die Grundnockenwelle und der Nockenträger zusammenwirkende Mittel aufweisen, die in mindestens einer Verschiebestellung für eine ununterbrochene gegenseitige Anpressung von gegenüberliegenden Zahnflanken der Außen- und der Innenverzahnung sorgen.
Aus der DE 10 2012 002 896 A1 ist ein Ventiltrieb mit mindestens einer Nockenwelle bekannt, die eine Außenverzahnung mit jeweils ersten und zweiten Zahnflanken aufweist, und mit mindestens einem Nockenträger, der eine mit der Außenverzahnung der Nockenwelle zusammenwirkende Innenverzahnung mit jeweils ersten und zweiten Zahnflanken aufweist, auf der Nockenwelle axial zwischen mindestens zwei Endpositionen verschiebbar ist und durch zusammenwirkende Mittel zwischen Nockenwelle und Nockenträger gegen ein Störmoment in Umfangrichtung der Nockenwelle durch Anliegen an den ersten Zahnflanken gesichert ist, wobei die Kraft der zusammenwirkenden Mittel, die gegen das Störmoment wirken, so ausgelegt ist, dass sich an den ersten Zahnflanken zwischen der Außenverzahnung der Nockenwelle und der Innenverzahnung des Nockenträgers ein sich mit zunehmendem Störmoment vergrößernder Spalt ergibt und es zu einem gedämpften Endanschlag der zweiten Zahnflanken kommt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei der Herstellung entsprechender Bauteile, insbesondere bei der Herstellung von Nockeneinheiten tragenden Buchsen für verstellbare Nockenwellen hohe Anforderungen zu beachten sind. Dies betrifft einerseits die Maßhaltigkeit. Ein weiteres wesentliches Kriterium ist die Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere die Härte. Zum einen müssen die Nockenbahnen der jeweiligen Nockeneinheit hochgenau gefertigt sein. Ferner muss eine derartige Buchse auch in ihrem Innenbereich hinreichend genau gefertigt sein, um einerseits eine Verschiebung (in axialer Richtung) der Buchse entlang eines zentralen Wellenbauteils zu ermöglichen. Zum anderen muss jedoch bei denjenigen Flächen, die andere Bauteile kontaktieren, auf eine hinreichende Härte geachtet werden, um einen übermäßigen Verschleiß zu vermeiden sowie um die geforderten Standzeiten/Laufleistungen zu erreichen.
Nockenwellen, die axial relativ zueinander verschiebliche Nockenbuchsen sowie zentrale Wellenbauteile aufweisen, weisen üblicherweise ebenso einen Rastabschnitt an zumindest einem der Bauteile auf, der beispielhaft mit zumindest zwei axial voneinander versetzten Rastkonturen/Rastnuten versehen ist, in die Rastelemente, etwa Rastkugeln eingreifen können. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass etwa die Buchse definiert zwischen zwei genau festgelegten Relativpositionen in Bezug auf das Wellenbauteil verschiebbar ist. Die Relativverschiebung zwischen der Nockenbuchse und dem zentralen Wellenbauteil erfolgt beispielhaft drehzahlabhängig, lastabhängig und/oder in Abhängigkeit von anderen Betriebsparametern.
Somit ist es oft empfehlenswert oder gar erforderlich, auch den Rastabschnitt zu härten, um übermäßigen Verschleiß und ein ggf. damit einhergehendes Spiel zu vermeiden. Demgemäß ist es häufig erforderlich, eine solche Nockenbuchse sowohl außen, im Bereich der Nocken, als auch innen, zumindest im Bereich des Rastabschnitts, zu härten.
Ferner ist es wünschenswert, den Mehraufwand für verstellbare Nockenwellen im Vergleich zu konventionellen Nockenwellen möglichst in Grenzen zu halten, sowohl was den Fertigungsaufwand als auch den Materialaufwand betrifft. Dies sollte jedoch möglichst nicht mit verringerten Standzeiten/Laufleistungen einhergehen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Buchse für eine Nockenwelle sowie eine Fertigungsanlage zur Herstellung einer solchen Buchse anzugeben, die eine wirtschaftliche Herstellung der Buchse ermöglichen und sich insbesondere für die Massenfertigung eignen. Vorzugsweise erlauben das Verfahren bzw. die Anlage eine Fließfertigung oder Reihenfertigung, so dass auch hohe Stückzahlen effizient gefertigt werden können. Das Verfahren und die Anlage sind vorzugsweise derart gestaltet, dass sich bei der Buchse die gewünschten Oberflächeneigenschaften, insbesondere eine gewünschte Härte, mit der geforderten Genauigkeit ergeben. Vorzugsweise erlauben die Anlage und das Verfahren die Herstellung der Buchse mit hoher Prozesssicherheit bzw. Prozessfähigkeit.
Das Verfahren und die Anlage tragen ferner vorzugsweise dazu bei, dass Ausschuss minimiert wird. Darüber hinaus soll bei einem fertig bearbeiteten Bauteil, das gemäß dem Verfahren und/oder mit der Anlage gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellt ist, eine hohe Maßhaltigkeit gegeben sein. Vorzugsweise erlauben das Verfahren bzw. die Anlage eine Nachbearbeitung, insbesondere eine spanende Nachbearbeitung im zumindest teilweise gehärteten Zustand, nach der Wärmebehandlung zumindest des Rastabschnitts.
Das Verfahren betreffend wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung einer Buchse für eine Nockenwelle für einen Ventiltrieb mit Hubverstellung gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Bereitstellung eines Bauteils in Form eines Halbzeugs,
- Bearbeitung des Bauteils, umfassend:
- - Erzeugung einer Drehmitnahmekontur im Innenbereich des Bauteils, zur Kopplung mit einem Wellenbauteil,
- - Erzeugung eines Rastabschnitts mit zumindest einem Rastbereich, der insbesondere als Rastnut gestaltet ist,
- Wärmebehandlung des Bauteils, umfassend:
- - zumindest abschnittsweises induktives Härten des Bauteils im Bereich des Rastabschnitts,
- - Anlassen des Bauteils, und
- weitere mechanische Bearbeitung des Bauteils, nach der Wärmebehandlung, insbesondere im Bereich des Rastabschnitts.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Erfindungsgemäß erlaubt nämlich die Kombination aus dem zumindest abschnittsweisen induktiven Härten im Bereich des Rastabschnitts und einer nachfolgenden mechanischen Bearbeitung, insbesondere im Rastbereich, die Herstellung eines Bauteils mit den gewünschten geometrischen Abmessungen sowie den geforderten Festigkeits- und Oberflächenanforderungen.
Es hat sich gezeigt, dass sich ein induktives Härten für den Rastabschnitt eignet, da auf diese Weise ein umständliches Teilehandling für eine Chargen-Wärmebehandlung, etwa in einem Wärmebehandlungsofen, vermieden werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Wärmebehandlung derart vonstatten gehen kann, dass ein Fließfertigungscharakter bzw. Reinfertigungscharakter des Herstellverfahrens gewahrt werden kann. Insbesondere kann ein Fertigungstakt gehalten werden, wobei ggf. eine Mehrzahl von Wärmebehandlungsstationen für ein versetztes aber zeitlich teilweise überlapptes Härten mehrerer Bauteile vorgesehen sein kann.
Zumindest gemäß beispielhaften Ausgestaltungen spezifizieren die oben angegebenen Schritte auch eine Reihenfolge. Dies schließt jedoch in zumindest einigen weiteren beispielhaften Ausgestaltungen nicht aus, dass ggf. weitere Zwischenschritte vorgesehen sind.
Das zumindest abschnittsweise induktive Härten des Bauteils im Bereich des Rastabschnitts hat den Vorteil einer definierten Eindringtiefe. Insofern kann das Bauteil auch nach dem Härten, insbesondere im entsprechenden Außenbereich, weiter bearbeitet werden. Es hat sich gezeigt, dass die Bearbeitung im Außenbereich des Bauteils nach der Wärmebehandlung des Rastabschnitts von Vorteil ist, da auf diese Weise eine hohe Maßhaltigkeit und Genauigkeit erzielbar ist. Das induktive Härten erfordert nur ein kurzzeitiges Erhitzen der zu härtenden Kontur. Dies kann etwa eine Dauer von weniger als 5 s (Sekunden), vorzugsweise von weniger als 3 s, weiter bevorzugt von weniger als 2 s umfassen.
Das Bauteil wird von innen induktiv gehärtet. Die nachfolgende mechanische Bearbeitung erfolgt von außen. Die Drehmitnahmekontur ist dazu vorgesehen, eine Drehmitnahme bzw. eine drehfeste Kopplung zwischen der Buchse (auch bezeichnet als: Nockenbuchse) und dem mittigen Wellenbauteil zu gewährleisten. Dies steht einer axialen Verschiebbarkeit zwischen der Buchse und dem Wellenbauteil nicht entgegen.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist die Wärmebehandlung des Bauteils Folgendes auf:

- zumindest abschnittsweises induktives Erwärmen des Bauteils im Bereich des Rastabschnitts,
- Abschrecken des Bauteils, und
- Anlassen des Bauteils.

Zwischen dem Erwärmen und dem Abschrecken kann eine definierte Haltedauer vorgesehen sein. Wiederum erfolgt die Wärmebehandlung gemäß beispielhaften Ausgestaltungen genau in dieser Reihenfolge. Vorzugsweise sind die oben genannten Teilschritte der Wärmebehandlung derart auf eine Taktzeit abgestimmt, dass eine chargenweise oder batchweise Wärmebehandlung vermieden werden kann. Die Wärmebehandlung ist vorzugsweise eine Einzelbehandlung.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die weitere mechanische Bearbeitung des Bauteils, insbesondere des Rastabschnitts, mittels Hartdrehen und insbesondere oberflächennah zum Entfernen von Rückständen, wie etwa von Zunder und dgl.
Eine weitere mechanische Bearbeitung, etwa das Erzeugen von Nockenwellen, Mitnahmekonturen und/oder dergleichen, wird hiervon nicht berührt, da das Bauteil zumindest in seinem Innenbereich, insbesondere im Bereich des Rastabschnitts bereits gehärtet ist. Auf diese Weise können etwa zusätzliche Gestaltabweichungen und Gestaltveränderungen vermieden werden, die mit einem nachgeschalteten Härtevorgang einhergehen könnten. Somit kann die erforderliche Genauigkeit erzielt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Erzeugung des Rastabschnitts die Erzeugung zweier axial zueinander versetzter Rastbereiche. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Erzeugung des Rastabschnitts die Erzeugung zweier Umfangsnuten, die Flanken für die Anlage von Rastelementen bereitstellen, wobei ein axialer Abstand zwischen den Umfangsnuten an einen Abstand zweier benachbarter Nockenprofile zur Erzeugung unterschiedlicher Ventilhübe angepasst ist.
Die Umfangsnuten können allgemein auch als Rastbereiche bezeichnet werden. Die Umfangsnuten können sich über 360° an einer Innenwand der Buchse erstrecken. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, die Umfangsnuten vollständig umlaufen zu lassen. Die Nockenprofile können auch als Nockenbahn bezeichnet werden. Beispielhaft ist es vorstellbar, eine Nockenbahn für den Volllastbereich und eine weitere Nockenbahn für einen Teillastbereich/Niedriglastbereich vorzusehen.
Bei den Rastelementen kann es sich beispielhaft um Rastkugeln handeln, die in einer Aufnahme am Wellenbauteil aufgenommen und zumindest teilweise radial verschieblich sind, um bei Bedarf in die Rastbereiche einzudringen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Buchse in der dem jeweiligen Nockenprofil zugeordneten Rastposition angeordnet ist.
Gemäß weiteren beispielhaften Ausgestaltungen umfasst die Erzeugung des Rastabschnitts die Erzeugung einer Umfangsnut, wobei der Rastabschnitt zwei axial voneinander beabstandete Flanken bereitstellt, an denen Rastelemente zur Anlage kommen können. Eine der beiden Flanken ist beispielhaft der Umfangsnut zugeordnet. Die andere der beiden Flanken ist beispielhaft einer Konusfläche zugeordnet, wobei zwischen der Umfangsnut und der Konusfläche eine Spitze ausgebildet ist. Die beiden Flanken können beispielhaft zwei Seiten der Spitze zugeordnet sein. Mit anderen Worten umfasst der Rastabschnitt gemäß beispielhaften Ausgestaltungen „anderthalb“ Rastnuten, wobei die „zweite“ Rastnut nicht vollständig ausgebildet und z.B. vorrangig in Form einer Konusfläche vorhanden ist.
Gemäß weiteren beispielhaften Ausgestaltungen entspricht eines der beiden benachbarten Nockenprofile, die mit definiertem axialen Abstand vorgesehen sind, einem Grundkreis oder einer ähnlichen Gestalt, der/die keinen oder nur einen geringen Ventilhub bewirkt. Diese Maßnahme kann beispielsweise bei Motoren genutzt werden, die eine Zylinderabschaltung bereitstellen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das induktive Härten eine Relativbewegung, insbesondere eine Relativrotation, zwischen dem Bauteil und einem Induktionsdorn. Auf diese Weise kann die Genauigkeit sowie die Gleichmäßigkeit/Homogenität der Wärmebehandlung, insbesondere des Härtevorgangs, erhöht werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung umfasst die Relativverdrehung eine Relativrotation mit einer Drehzahl von 200 bis 800 min^-1 (Umdrehungen pro Minute), vorzugsweise im Bereich von 400 bis 600 min^-1. Dies hat den Vorteil, dass auch bei sehr kurzen Taktzeiten bzw. bei einer kurzen Aufheizzeit, sichergestallt ist, dass eine hinreichen hohe Zahl an Umdrehungen zwischen dem Bauteil und dem Werkzeug stattfindet.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Bauteil während des induktiven Härtens zumindest teilweise um den Induktionsdorn rotiert. Diese Gestaltung hat den Vorteil, dass der Induktionsdorn nicht aktiv angetrieben werden muss. Somit kann die (elektrische) Kontaktierung mit geringem Aufwand hergestellt werden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wird der Induktionsdorn während des induktiven Härtens zumindest zweitweise im Bauteil rotiert. Auf diese Weise kann zumindest während des Erhitzens ein gleichmäßiger Wärmeeintrag auch bei nicht streng rotationssymmetrisch gestaltetem Induktionsdorn gewährleistet werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist nicht nur beim Erhitzen, sondern auch beim Abschrecken und/oder Anlassen eine Relativrotation zwischen dem Bauteil und entsprechenden Werkzeugen vorgesehen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Wärmebehandlung des Bauteils ein Abarbeiten von Teilschritten mit getaktetem Vorschub. Vorzugsweise erfolgen die Teilschritte auf einem Rundtisch oder einer ähnlichen taktbasierten Handhabungseinrichtung. Teilschritte können ein Erhitzen, ein Abschrecken, ein Anlassen, Kontrollvorgänge, Prüfvorgange, Transferschritte und dgl. umfassen. Ein getakteter Rundtisch oder eine ähnlich gestaltete Handhabungseinrichtung kann an eine Fördertechnik, insbesondere eine Fließfördertechnik, angekoppelt werden. Auf diese Weise können Bauteile aus der übergeordneten Fördertechnik ausgeschleust und der Wärmebehandlung unterzogen werden, die beispielsweise mehrere getaktete Teilschritte umfasst. Ein globaler Takt kann beibehalten werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens erlaubt die Wärmebehandlung des Bauteils eine Taktzeit von weniger als 30 s (Sekunden), vorzugsweise von weniger als 20 s, weiter bevorzugt von weniger als 10 s, noch weiter bevorzugt von weniger als 8 s. Dies heißt mit anderen Worten, alle 30 s, 20 s, 10 s, oder gar 8 s verlässt ein wärmebehandeltes Bauteil die Wärmebehandlungsstation.
Dies schließt nicht aus, dass die gesamte Wärmebehandlung pro Bauteil länger dauert, etwa 60 s oder sogar 120 s, wobei kürzere Takte bevorzugt sind. Der Wärmebehandlungsvorgang kann in Teilschritte unterteilt werden, die an die gewünschte Taktzeit angepasst sind. Teilschritte können neben dem Erhitzen für das Erhärten ein Abschrecken, ein Anlassen, Kontrollschritte, Handhabungsschritte und dgl. umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Wärmebehandlung des Bauteils als Bestandteil eines Fließfertigungsprozesses ausgeführt. Demgemäß ist die Wärmebehandlung zeitlich in den Fertigungsablauf integriert. Eine Batch-Fertigung oder Chargen-Fertigung, insbesondere betreffend die Wärmebehandlung, kann vermieden werden.
Vorzugsweise ist die Taktzeit der Wärmebehandlung an die Taktzeit der übrigen Fertigungsschritte angepasst, so dass insgesamt ein globaler Takt für die Fertigung der Buchse vorgegeben ist. Auf diese Weise können Puffer und dergleichen minimiert oder gar vermieden werden.
Sofern der ein oder andere Fertigungsschritt länger als andere Fertigungsschritte dauern, kann eine entsprechende Fertigungsstation gemäß dem Verhältnis der Taktzeiten verdoppelt, verdreifacht oder entsprechend vervielfacht werden, so dass insgesamt die globale Taktzeit eingehalten werden kann.
Alternative Lösungen setzen darauf, die Wärmebehandlung in einem Batch-Wärmebehandlungsofen durchzuführen. Dies führt jedoch dazu, dass die Fließfertigung bzw. Reihenfertigung unterbrochen wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Wärmebehandlung des Bauteils einen Kontrollschritt, vorzugsweise vor dem Härten des Bauteils, in dem eine axiale Erstreckung des zu härtenden Abschnitts am Bauteil kontrolliert wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur ein gewünschter Bereich des Bauteils, in dem das Härten tatsächlich gewünscht und sinnvoll ist, behandelt wird.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass sich der zu härtende Abschnitt sehr nahe an die Drehmitnahmekontur erstrecken kann, wobei durch den Kontrollschritt sichergestellt wird, dass ein axialer Bereich, in dem sich die Drehmitnahmekontur erstreckt, nicht mit gehärtet wird. Auf diese Weise kann eine gewünschte Zähigkeit der Drehmitnahmekontur beibehalten werden, die Gefahr von Schäden aufgrund von Sprödbrüchen oder dgl. lässt sich deutlich reduzieren oder gar ausschließen. Gleichwohl kann der vorhandene (axiale) Bauraum optimal genutzt werden.
Der Kontrollschritt kann auch als (axiale) Höhenmessung bezeichnet werden. Beispielsweise geht es im Kontrollschritt darum, dass beim nachfolgenden Härten eine gewünschte Relativlage zwischen dem Bauteil und einem Werkzeug, insbesondere einem Dorn oder einer Sonde zum induktiven Härten, genau eingehalten wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Erzeugung des Rastabschnitts eine spanende Bearbeitung, insbesondere ein Innendrehen. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen umfasst der Rastabschnitt zwei zueinander parallele Rastnuten oder Umfangsnuten, die entsprechend ein Tal sowie sich beidseits des Tals erstreckende Flanken aufweisen. Ferner sind am jeweils äußeren Ende (in Richtung auf das Zentrum) der Flankenspitzen vorgesehen. Die Rastnuten können einen angenähert V-förmigen Querschnitt aufweisen.
Das Erzeugen des Rastabschnitts erfolgt üblicherweise mittels einer Innenbearbeitung. Rastelemente, insbesondere Rastkugeln, kommen an den Flanken der Rastnuten zur Anlage. Die Spitze, die zwischen den beiden axial zueinander versetzten Rastnuten ausgebildet ist, wird durch die Rastelemente überwunden, wenn die Buchse axial zwischen den beiden Positionen verlagert/verschoben wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Bereitstellung des Bauteils ein Ablängen von Stangenmaterial, insbesondere ein Sägen. Ferner kann gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung die Bereitstellung des Bauteils einen Bohrvorgang zur Erzeugung eines Hohlkörpers oder Hohlzylinders umfassen. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung erfolgt zwischen zumindest einigen Fertigungsschritten ein Teilehandling mit einer Fließfördertechnik. Die Fördertechnik kann zumindest abschnittsweise kontinuierlich arbeiten. Einzelne Bauteile wandern dabei stromabwärts entlang der Fertigungslinie und durchlaufen verschiedene Fertigungsstationen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Erzeugung der Drehmitnahmekontur durch ein Räumverfahren. Alternative Verfahren sind denkbar, etwa Innenhochdruckumformen, Fräsen, und ähnliche mechanische Bearbeitungsverfahren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die weitere mechanische Bearbeitung des Bauteils ferner die Erzeugung benachbarter Nockenprofile in einem Außenbereich des Bauteils umfasst. Dies kann neben einer spanenden Bearbeitung auch ein Schleifen umfassen. Dies kann auch die Erzeugung von Nockenprofilen umfassen, die lediglich einem Grundkreis entsprechen, etwa bei Motoren mit Zylinderabschaltung.
Vorzugsweise ist das Verfahren derart gestaltet, dass Taktzeiten einzelner Fertigungsschritte aneinander angepasst sind. Dies kann zum einen beinhalten, dass diverse Fertigungsschritte, die ein Bauteil durchläuft, tatsächlich gleich lang oder ähnlich lang dauern. Jedoch ist es auch vorstellbar, dass Fertigungsschritte vorgesehen sind, die deutlich länger als andere Fertigungsschritte dauern, wobei dann zum Ausgleich eben die entsprechende Fertigungsstation mehrfach (parallel) vorgesehen ist, um den gewünschten globalen Takt zu halten.
Die Fertigungsanlage betreffend wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Fertigungsanlage zur Herstellung einer Buchse für eine Nockenwelle für ein Ventiltrieb mit Hubverstellung gelöst, wobei die Fertigungsanlage Folgendes aufweist:

- eine Eingangsstation zur Bereitstellung eines Bauteils,
- zumindest eine mechanische Bearbeitungsstationen für das Bauteil, insbesondere zumindest eine Bohrstation, eine Räumstation und/oder eine Drehstation,
- eine Wärmebehandlungsstation mit einer induktiven Wärmebehandlungseinrichtung zum zumindest abschnittsweisen induktiven Härten des Bauteils im Bereich des Rastabschnitts, und
- zumindest eine weitere mechanische Bearbeitungsstation zur mechanischen Bearbeitung des Bauteils nach der Wärmebehandlung, insbesondere in einem Außenbereich, wobei Fördertechnik vorgesehen ist, um Fertigungsstationen miteinander zu verbinden, und wobei die Wärmebehandlungsstation als Fließfertigungsstation ausgeführt und an einen Fertigungstakt angepasst ist.

Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung weist die Fertigungsanlage Folgendes auf:

- einen Induktionsdorn, der an den Rastabschnitt des Bauteils angepasst ist und vorzugsweise einen Induktionsabschnitt mit zumindest einer umfänglichen Erhebung aufweist, die an eine Umfangsnut des Rastabschnitt angepasst ist,
- einen Drehantrieb, der vorzugsweise einen Drehteller umfasst, wobei der Drehantrieb dazu ausgestaltet ist, eine Relativrotation zwischen dem Bauteil und dem Induktionsdorn zu erzeugen, und
- eine getaktete Handhabungseinrichtung, die vorzugsweise als Rundtakttisch ausgebildet ist, wobei die Handhabungseinrichtung ein taktweises Abarbeiten von Teilschritten der Wärmebehandlung erlaubt.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung 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.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine schematisch stark vereinfachte Teilansicht einer Ausführungsform einer Nockenwelle mit einer axial verschiebbaren Nockenbuchse;
2 eine weitere Ansicht der Ausgestaltung gemäß 1, wobei die Nockenbuchse in 2 gegenüber 1 in einer axial verlagerten Stellung gezeigt ist;
3 eine weitere schematische, stark vereinfachte Teilansicht einer Ausführungsform einer Nockenwelle mit einer Nockenbuchse;
4 eine vereinfachte Teilschnittansicht einer Buchse für eine Nockenwelle, wobei die Buchse einen Rastabschnitt aufweist;
5 eine schematische, stark vereinfachte Ansicht einer induktiven Wärmebehandlungseinrichtung;
6 eine schematische Blockdarstellung einer Fertigungsanlage zur Herstellung einer Buchse für eine Nockenwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
7 ein schematisch stark vereinfachtes Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Buchse für eine verstellbare Nockenwelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

Mit Bezugnahme auf die 1 und 2 wird anhand schematischer, stark vereinfachter Darstellungen eine Gestaltung einer verstellbaren Nockenwelle veranschaulicht, die mit 10 bezeichnet ist. Die Nockenwelle 10 ist in den 1 und 2 jeweils nur teilweise dargestellt.
Die Nockenwelle 10 umfasst eine Innenwelle 12 sowie zumindest eine Buchse 14, die die Innenwelle 12 zumindest abschnittsweise umgibt. Die Buchse 14 kann allgemein auch als Nockenbuchse bezeichnet werden. Die Buchse 14 wird im Rahmen dieser Offenbarung allgemein auch als Bauteil 16 bezeichnet. In 1 ist die Buchse 14 in einer ersten axialen Position relativ zur Innenwelle gezeigt. In 2 ist die Buchse 14 in einer zweiten axialen Position gezeigt.
Die Buchse 14 weist einen rohrartig gestalteten Abschnitt 18 auf, der auch als zylindrischer Abschnitt bezeichnet werden kann. Die Buchse 14, die in den 1 und 2 veranschaulicht ist, umfasst beispielhaft eine Nockeneinheit 20, die eine erste Nockenbahn 22 und eine zweite Nockenbahn 24 aufweist. Die Nockenbahnen 22, 24 sind axial voneinander versetzt. Beispielhaft sind die Nockenbahnen 22, 24 einander benachbart. Jede der Nockenbahnen 22, 24 definiert eine eigene Nockenkontur bzw. Lauffläche.
Die Buchse 14 ist relativ zur Innenwelle 12 axial beweglich, vergleiche einen in 1 mit 26 bezeichneten Doppelpfeil. Somit kann die Buchse 14 durch einen geeigneten Aktuator zwischen einer ersten Axialposition, bei der die erste Nockenbahn 22 im Eingriff steht und einer zweiten Axialposition, bei der die zweite Nockenbahn 24 im Eingriff steht, verschoben werden. Auf diese Weise kann ein Verbrennungsmotor, dem die verstellbare Nockenwelle 10 zugeordnet ist, für verschiedene Betriebsmodi optimiert werden, etwa für einen Volllastbereich und einen Teillastbereich. Für die entsprechenden Betriebsmodi gewährleisten die Nockenbahnen 22, 24 jeweils eine hohe Leistungsfähigkeit sowie ein günstiges Emissionsverhalten/Verbrauchsverhalten.
Gemäß alternativen Ausgestaltungen ist eine der beiden Nockenbahnen 22, 24 zylindrisch gestaltet, so dass sich für ein angekoppeltes Ventil kein Hub ergibt, wenn die Nockenwelle 10 rotiert. Dies kann etwa für eine Zylinderabschaltung genutzt werden.
Die Buchse 14 umfasst ferner einen Rastabschnitt 30, der beispielhaft eine erste Rastnut 32 und eine zweite Rastnut 34 umfasst. Die Rastnuten 32, 34 können allgemein auch als Rastausnehmungen bezeichnet werden. Es sind Gestaltungen von Rastabschnitten 30 vorstellbar, die lediglich eine Rastnut aufweisen.
Die Rastnuten 32, 34 sind axial voneinander versetzt an einem Innenumfang der Buchse 14 ausgebildet. Beispielhaft sind die Rastnuten 32, 34 mit einem V-förmigen Querschnitt als Vertiefungen in eine Innenwandung des rohrartigen Abschnitts 18 eingebracht. Die Rastnuten 32, 34 können grundsätzlich durchgehend, also vollständig umlaufend gestaltet sein. Dies kann zur Fertigungsvereinfachung dienen. Im Betrieb, also wenn die Nockenwelle 10 mit hoher Drehzahl rotiert, ist keine Relativrotation zwischen der Buchse 14 und der Innenwelle 12 vorgesehen. Demgemäß wäre es auch vorstellbar, die jeweiligen Rastausnehmungen nicht als vollständig umlaufenden Rastnuten 32, 34 auszubilden.
In den 1 und 2 ist ferner dargestellt, dass an der Innenwelle 12 Rastelemente 36, 38 aufgenommen sind, die beispielhaft als Rastkugeln gestaltet sind. Die Rastelemente 36, 38 sind in einer Führung 40 aufgenommen. Bei der Führung 40 kann es sich etwa um eine Bohrung handeln, die die Innenwelle 12 radial durchragt. Ferner ist in den 1 und 2 eine mit 42 bezeichnete Rastfeder angedeutet, die die Rastelemente 36, 38 radial nach außen beaufschlagt. Auf diese Weise wirken die Rastelemente 36, 38 mit einer bestimmten Kraft in Richtung auf die jeweils der Führung 40 zugeordnete Rastnut 32, 34. In der Position gemäß 1 greifen die Rastelemente 36, 38 in die Rastnut 32 ein. In der Position gemäß 2 greifen die Rastelemente 36, 38 in die Rastnut 34 ein.
Beispielhaft entspricht der axiale Abstand zwischen den Rastnuten 32, 34 im Wesentlichen dem axialen Abstand zwischen den Nockenbahnen 22, 24, insbesondere einem axialen Versatz zwischen entsprechenden Zentren der Nockenbahnen 22, 24.
Es versteht sich, dass die Rastelemente 36, 38, die Führung 40 und die Rastfeder 42 auch andersartig gestaltet sein können. Beispielsweise ist es nicht unbedingt erforderlich, die Führung 40 vollständig durch die Innenwelle 12 durchgehend zu gestalten. Stattdessen ist es vorstellbar, die Führung 40 beispielhaft etwa als Sacklochbohrung(en) zu gestalten, so dass jeweils eine entsprechende Rastfeder darin aufgenommen ist, die jeweils ein Rastelement in Richtung auf die entsprechende Rastnut beaufschlägt.
Somit kann sich etwa auch eine sternförmige Anordnung mit drei oder gar mehr Rastelementen ergeben, die in entsprechenden Führungen aufgenommen sind und durch entsprechende Rastfedern radial nach außen gedrängt werden.
In den 1 und 2 ist nicht explizit gezeigt, wie die Buchse 14 in Bezug auf die Innenwelle 12 axial bewegt wird. In diesem Zusammenhang wird erneut auf die DE 101 48 243 A1 , die WO 2004/083611 A1 , die DE 10 2009 048 621 A1 sowie die DE 10 2012 002 896 A1 verwiesen.
Im Betrieb des Verbrennungsmotors, etwa beim Betrieb eines mit einem entsprechenden Verbrennungsmotor versehenen Fahrzeugs, findet häufig ein Wechsel zwischen den in den 1 und 2 gezeigten Relativlagen der Buchse 14 in Bezug auf die Innenwelle 12 statt. Dabei müssen die Rastelemente 36, 38 jeweils einen Totpunkt zwischen den Rastnuten 32, 34 überwinden. Dies erfolgt gegen die durch die Rastfeder 42 aufgebrachte Vorspannkraft. Demgemäß tritt lokal beim Rastabschnitt 30 eine hohe Belastung, insbesondere eine hohe Flächenpressung auf, die zu erhöhtem Verschleiß führen kann. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, den Rastabschnitt 30 entsprechend verschleißfest auszuführen. Beispielhaft kann der Rastabschnitt 30 zumindest abschnittsweise gehärtet werden, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen.
Wie vorstehend bereits ausgeführt, ist es jedoch auch erforderlich, andere Bereiche, insbesondere einen Außenbereich, der Buchse 14 zumindest abschnittsweise hochgenau zu bearbeiten und zu härten. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die jeweiligen Konturen der Nockenbahnen 22, 24 verwiesen. Diese müssen hochgenau gefertigt werden, um das gewünschte Betriebsverhalten beim Verbrennungsmotor zu erzielen.
Mit Bezugnahme auf 3 wird eine abgewandelte Ausführungsform einer Nockenwelle 10 veranschaulicht, die ähnlich wie die mit Bezugnahme auf die 1 und 2 veranschaulichte Ausführungsform mit einer Buchse 14 versehen ist, die eine Innenwelle 12 umgibt. Auch in 3 kann die Buchse 14 allgemein als Bauteil 16 bezeichnet werden. In 3 ist die Buchse 14 lediglich teilweise dargestellt.
Die Buchse 14 umfasst neben der Nockeneinheit 20, die eine Nockenbahn 22 und eine axial zu dieser versetzte Nockenbahn 24 aufweist, eine weitere Nockeneinheit 48, die auch als zweite Nockeneinheit bezeichnet werden kann. Die Nockeneinheit 48 umfasst eine erste Nockenbahn 50 und eine zweite Nockenbahn 52. Die Nockenbahnen 50, 52 sind axial zueinander versetzt. Somit kann die Buchse 14 gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform beispielhaft zur Ansteuerung eines ersten Zylinders, mit der Nockeneinheit 20, und eines zweiten Zylinders, mit der Nockeneinheit 48, gestaltet sein.
In 3 ist die Nockeneinheit 48 mit den Nockenbahnen 50, 52 in dem (axialen) Bereich der Buchse 14 angeordnet, in dem innen ein Rastabschnitt 30 mit Rastnuten 32, 34 ausgebildet ist. Ähnlich wie bereits anhand der 1 und 2 dargestellt, ist dem Rastabschnitt 30 eine Führung 40 zugeordnet, in der eine Rastfeder 42 aufgenommen ist, die Rastelemente 36, 38 radial nach außen in Richtung auf eine der Rastnuten 32, 34 beaufschlagt.
Bei der Gestaltung gemäß 3 muss beachtet werden, dass sowohl innen im Bereich des Rastabschnitts 30 als auch außen im Bereich der Nockeneinheit 48 einerseits eine hohe Genauigkeit und Maßhaltigkeit gefordert wird. Ferner liegen sowohl bei der Nockeneinheit 48 als auch beim Rastabschnitt 30 erhöhte Anforderungen an die Verschleißfestigkeit sowie die Oberflächenhärte vor.
Es hat sich gezeigt, dass gemäß zumindest einigen Ausführungsformen eine Außenbearbeitung der Buchse 14 erst dann erfolgten sollte, wenn eine Innenbearbeitung sowie ein Härtevorgang im Bereich des Rastabschnitts 30 abgeschlossen ist. Dies bedingt, dass die Buchse 14 zumindest abschnittsweise im Bereich des Rastabschnitts 30 während der Fertigung einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Hiernach kann eine Weiterbearbeitung der zumindest teilweise gehärteten Buchse 14 erfolgen. Auf diese Weise können Gestaltänderungen und Maßabweichungen, die regelmäßig mit solchen Wärmebehandlungsverfahren einhergehen können, vollständig oder weitgehend vermieden werden.
4 veranschaulicht eine Schnittdarstellung (in einer Halbdarstellung) ein Bauteil 16, das einer weiteren Bearbeitung unterzogen werden kann, um schlussendlich eine Buchse 14 herzustellen, die etwa mit Nockeneinheiten 20, 48 versehen ist, vergleiche hierzu auch 1, 2 und 3.
Das Bauteil 16 ist rohrartig gestaltet und weist einen rohrartigen Abschnitt 18 auf, der eine Umfangswand definiert. In das Bauteil 16 ist eine Bohrung 60 eingebracht, die sich axial durch das Bauteil 16 erstreckt. Ferner ist eine Drehmitnahmekontur 62 vorgesehen, die beispielhaft in Form einer Keilverzahnung 64 ausgebildet ist. Demgemäß ist bei einer korrespondierenden Innenwelle eine entsprechende Keilwellenstruktur ausgebildet. Die Drehmitnahmekontur 62 erlaubt eine Drehmitnahme des Bauteils 16 durch die Innenwelle. Jedoch ist eine axiale Relativbewegung zwischen der Innenwelle 12 und einer Buchse 14, die schlussendlich aus dem Bauteil 16 gefertigt wird, ermöglicht.
Nahe einer Stirnseite 70 des Bauteils 16 ist ein grundsätzlich schon vorstehend beschriebener Rastabschnitt 30 ausgebildet. Der Rastabschnitt 30 umfasst zwei Rastnuten 32, 34. Die Rastnut 32 weist ein Tal 74 auf. Die Rastnut 34 weist ein Tal 76 auf. In Richtung auf die Stirnseite 70 ist eine Spitze 78 ausgebildet, die zwischen der Stirnseite 70 und der Rastnut 32 angeordnet ist. Zwischen der Rastnut 32 und der Rastnut 34 ist eine Spitze 80 ausgebildet. Die Rastnut 32 weist zwei Flanken 82, 84 auf. Die Rastnut 34 weist zwei Flanken 84, 86 auf. In Richtung auf die Stirnseite 70 schließt sich an die Spitze 78 eine Frontalflanke 90 an, die auch als Fase bezeichnet werden kann. An die Rastnut 34 schließt sich beispielhaft die Drehmitnahmekontur 62 an.
In 4 ist mit 92 ein Härtebereich angedeutet, in dem beispielhaft eine besondere Härtebehandlung des Rastabschnitts 30 gewünscht ist, um die erforderliche Verschleißfestigkeit zu gewährleisten. Schlussendlich unterliegen die Flanken 82, 84 der Rastnut 32 und die Flanken 86, 88 der Rastnut 34 im Betrieb beim Wechseln der Buchse 14 zwischen den beiden möglichen Axialpositionen einer hohen wiederkehrenden Flächenbelastung mit vielen Lastwechseln. Dasselbe gilt auch für die Spitze 80 zwischen der Rastnut 32 und der Rastnut 34. Die Rastelemente 36, 38 (vergleiche 1, 2 und 3), die insbesondere als Rastkugeln ausgestaltet sein können, kontaktieren in der ersten Stellung die Flanken 82, 84 der Rastnut 32 und in der zweiten Stellung die Flanken 86, 88 der Rastnut 34. Beim Übergang zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung passieren die Rastelemente 36, 38 die Spitze 80 zwischen den Rastnuten 32, 34. Auch dies geht mit erhöhter Belastung einher.
Da jedoch sowohl für die Rastnuten 32, 34 als auch für eine Außenkontur der Buchse 14, die auf Basis des Bauteils 16 entsteht, erhöhte Genauigkeitsanforderungen sowie erhöhte Verschleißfestigkeitsanforderungen bestehen, ist gemäß beispielhafter Ausführungsformen vorgesehen, zunächst den Rastabschnitt 30 zu erzeugen, etwa mittels Innendrehen. Der Rastabschnitt 30 wird sodann gehärtet, vorzugsweise in einem begrenzten und genau definierten Härtebereich 92. An den Härtevorgang bzw. den Wärmebehandlungsvorgang schließt sich eine weitere Bearbeitung des Rastabschnitts 30 an, die auch als sogenannte Hartbearbeitung bezeichnet werden kann. Auf diese Weise kann eine hohe Maßhaltigkeit und Genauigkeit der Innenkontur im Rastabschnitt 30 erzielt werden. Ferner können Rückstände, die gegebenenfalls nach der Wärmebehandlung an der Innenfläche des Rastabschnitts vorhanden sind, entfernt werden. Die Nachbearbeitung des Rastabschnitts 30 umfasst vorzugsweise ein Hartdrehen.
Ferner kann sich gegebenenfalls eine Außenbearbeitung des Bauteils 16 anschließen. Die Außenbearbeitung kann einerseits die Erzeugung von Nockenbahnen der Nockeneinheiten (etwa Bezugszeichen 20, 48 in 3) umfassen. Auch andere Konturen und andere Gestaltelemente am Außenumfang des Bauteils 16 können im zumindest abschnittsweise gehärteten Zustand des Bauteils 16 erzeugt werden.
5 veranschaulicht anhand einer schematisch stark vereinfachten Darstellung eine induktive Wärmebehandlungseinrichtung 96. Die Wärmebehandlungseinrichtung 96 umfasst eine Basis 98 sowie einen Dorn 100, der auch als Führungsform oder Aufnahmedorn bezeichnet werden kann. Am Dorn 100 kann ein Bauteil 16 aufgenommen werden. Der Dorn 100 ist mit der Basis 98 gekoppelt. Am Dorn 100 ist ein Induktionsabschnitt 102 angeordnet bzw. ausgebildet. Der Induktionsabschnitt 102 ist dazu ausgebildet, einen Härtebereich (92 in 4) des Bauteils 16 definiert zu erwärmen. Durch ein gezieltes Wärmebehandlungsregime, beispielsweise durch Vorwärmen, Erhitzen, Abschrecken und Anlassen, kann eine gewünschte Gefügestruktur bzw. ein gewünschter radialer und axialer Gefügeverlauf bewirkt werden. Auf diese Weise kann etwa der Rastabschnitt 30 (vergleiche wiederum 4) verschleißfest gestaltet werden, um die gewünschte Lebensdauer zu erzielen.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung findet während der Wärmebehandlung zumindest zeitweise eine Relativrotation zwischen dem Bauteil 16 und dem Induktionsabschnitt 102 statt, vergleiche einen gekrümmten Pfeil 106 in 5. Zu diesem Zweck ist beispielhaft ein Drehteller 104 vorgesehen, der das Bauteil 16 definiert, und um den Dorn 100 bzw. den Induktionsabschnitt 102 rotiert. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Wärmebehandlung und der Wärmeeintrag besonders homogen erfolgen können. In einfacher Weise kann durch diese Maßnahme dazu beigetragen werden, dass schlussendlich ein gleichmäßiger Härteverlauf, insbesondere in der Umfangsrichtung erzielbar ist.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der Induktionsabschnitt 102 an die zu härtende Kontur etwas des Rastabschnitts 30 angepasst. Dies umfasst beispielsweise im Falle einer oder zwei Umfangsnuten 32, 34 beim Rastabschnitts 30 eine korrespondierende Gestaltung mit einer oder zwei Erhebungen, die einem Negativ des Rastabschnitts 30 zumindest angenähert sind. Dies hat den Vorteil, dass der Wärmeeintrag noch gezielter erfolgen kann.
Es versteht sich, dass die in 5 gezeigte Darstellung lediglich beispielhafter Natur ist und vorrangig zu Veranschaulichungszwecken dient. Andere Gestaltungen einer Wärmebehandlungseinrichtung 96 sind vorstellbar. Die induktive Wärmebehandlung hat den Vorteil, dass die zu erwärmenden Bereiche, insbesondere der Rastabschnitt 30 des Bauteils 16 in kürzester Zeit definiert erwärmbar sind. Dies kann insgesamt die erforderliche Zykluszeit für die Wärmebehandlung bei einer Serienfertigung oder Massenfertigung deutlich reduzieren.
6 veranschaulicht anhand einer stark vereinfachten schematischen Blockdarstellung ein beispielhaftes Layout einer Fertigungsanlage 110 für die Fließfertigung oder Reihenfertigung von Nockenbuchsen, die gemäß beispielhaften Aspekten der vorliegenden Offenbarung gestaltet sein können. Verbrennungsmotoren werden üblicherweise in hohen Stückzahlen produziert, um die Entwicklungskosten und Anlagenkosten amortisieren zu können. Vorzugsweise sind Fertigungsanlagen für Einzelteile von Verbrennungsmotoren entsprechend an die zu erwartenden hohen Stückzahlen angepasst.
Die Gestaltung der Anlage 110 folgt beispielhaft einem Fließfertigungsprinzip bzw. einem Reihenfertigungsprinzip. Wesentlich ist hier, dass zu bearbeitende Bauteile die Anlage 110 sequenziell durchlaufen, wobei verschiedene Stationen angesteuert werden, bei denen jeweils ein Bearbeitungsschritt erfolgt.
Hierbei soll nach Möglichkeit insbesondere bei der Wärmebehandlung eine sogenannte Chargen-Bearbeitung bzw. Batch-Bearbeitung vermieden werden. Eine solche Bearbeitung macht es üblicherweise erforderlich, dass eine Vielzahl von Bauteilen in der Fertigungslinie gesammelt bzw. gepuffert wird, um gleichzeitig etwa in einen Wärmebehandlungsofen eingebracht zu werden. Auf diese Weise wird der natürliche „Fluss“ der Bauteile durch die Anlage gestört.
Die anhand der 6 veranschaulichte Anlage 110 ist derart konzipiert, dass nach Möglichkeit keine Batch-Fertigung oder Chargen-Fertigung erforderlich ist.
Die Anlage 110 umfasst eine erste Station 112, die der Bereitstellung eines Fahrzeugs dient. Die Station 112 kann auch als Eingangsstation bezeichnet werden. Es schließt sich eine mit 114 bezeichnete Fördertechnik an. Hierbei kann es sich etwa um einen Stangenförderer handeln. Das Halbzeug kann etwa als Stangenmaterial zur Verfügung gestellt werden.
Es schließt sich beispielhaft eine mit 116 bezeichnete Sägestation an, bei der Bauteile vom Halbzeug abgelängt werden, etwa durch Sägen. Die somit vereinzelten Bauteile können durch eine sich anschließenden Fördertechnik 118 weiter verfahren werden. Es schließt sich beispielhaft eine Bohrstation 120 an, die dazu ausgebildet ist, eine Bohrung in das Bauteil einzubringen, vergleiche das Bezugszeichen 60 in 4.
Durch eine weitere Fördertechnik 122 werden die Bauteile zu einer Räumstation 124 verfahren. In der Räumstation 124 wird beispielhaft eine Drehmitnahmekontur erzeugt, vergleiche die Bezugszeichen 62, 64 in 4.
Erneut kann sich eine Fördertechnik 126 anschließen, die die Bauteile in Richtung auf eine Innendrehstation 128 verfährt. Die Innendrehstation 128 dient beispielhaft dazu, den Rastabschnitt an einem Innenumfang des Bauteils zu erzeugen, vergleiche den Rastabschnitt 30 mit den Rastnuten 32, 34 in 4.
Erneut kann sich eine Fördertechnik 130 anschließen, die die Bauteile in Richtung auf eine Wärmebehandlungsstation 132 verfährt. Die Wärmebehandlungsstation 132 ist beispielhaft als induktive Wärmebehandlungsstation ausgestaltet und mit zumindest einer induktiven Wärmebehandlungseinrichtung 96 versehen, vergleiche 4.
Die Wärmebehandlungsstation 132 ist getaktet betreibbar. Beispielsweise ist eine taktbasierte Handhabungseinrichtung 134 vorgesehen, die beispielsweise als Rundtakttisch gestaltet ist. Demgemäß sind verschiedene Einheiten/Module vorgesehen, die für Teilschritte der Wärmebehandlung sowie gegebenenfalls für Vorbereitungshandlungen bzw. Nachbereitungshandlungen vorgesehen sind.
Beispielhaft ist eine Kontrollstation 136 vorgesehen, die eine Ausrichtung und Positionierung der zu behandelnden Bauteile prüft. Dies kann insbesondere eine Prüfung und Überwachung einer axialen Erstreckung eines zu härtenden Abschnitts betreffen. Dies kann etwa dann von Vorteil sein, wenn am Bauteil andere Bereiche, insbesondere dem zu härtenden Bereich benachbarte Bereiche, vorgesehen sind, die nicht gehärtet werden sollen, da dies zu funktionalen Nachteilen führen würde.
Ferner ist eine Heizeinheit 138 vorgesehen, die etwa der Einrichtung 96 gemäß 5 zumindest ähnlich gestaltet ist. Insbesondere ist die Heizeinheit 136 vorzugsweise mit einem Induktionsdorn 100 versehen. Die Heizeinheit 138 kann ferner mit einem Drehteller 104 gemäß 5 oder mit ähnlichen Einrichtungen zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Bauteil und dem Induktionsdorn versehen sein.
Ferner ist eine Abschreckeinheit oder Kühleinheit 140 vorgesehen, die in Zusammenarbeit mit der Heizeinheit einen Härtevorgang beim Bauteil bewirkt. Als Abschreckmedium oder Kühlmedium eignet sich beispielsweise Wasser, dass gegebenenfalls mit Additiven versehen sein kann, etwa sog. polymerhaltiges Wasser. Eine weitere Einheit 142 ist etwa als Anlasseinheit gestaltet, um den Wärmebehandlungsvorgang abzuschließen, sowie um eine günstige Gefügestruktur zu erlangen.
Erneut kann sich eine Fördertechnik 144 anschließen, die die Bauteile zu einer weiteren Bearbeitungsstation 146 verfährt. Die weitere Bearbeitungsstation kann etwa für eine spanende Nachbearbeitung am Innenumfang der Bauteile vorgesehen sein, insbesondere zur Nachbearbeitung des Rastabschnitts mittels Hartdrehen. Es kann weitere Fertigungsstationen (in 6 nicht explizit gezeigt) geben, die etwa die Bearbeitung und Formung von Nockenkonturen und Ähnliches betreffen. Weitere Kontroll- und Prüfstationen sind ebenso denkbar.
Die Anlage 110 kann im Hinblick auf den Teildurchsatz optimiert werden, indem Stationen, die eine entsprechend höhere Taktzeit erfordern, in entsprechend größerer Anzahl (parallel) vorgesehen sind, so dass eine Anpassung an einen globalen Fertigungstakt ermöglicht ist.
Es versteht sich, dass Ausführungen der Fertigungsanlage 110 vorstellbar sind, bei denen die Reihenfolge zumindest einiger der Stationen vertauscht ist. Ferner sind Ausgestaltungen der Anlage 110 vorstellbar, bei denen zusätzliche Stationen vorgesehen sind. Ebenso sind Ausgestaltungen vorstellbar, bei denen Stationen entfallen.
Wesentlich ist, dass im Innenbereich der zu bearbeitenden Bauteile ein Rastabschnitt erzeugt wird, der einer Wärmebehandlung unterzogen wird, bevor eine weitere Bearbeitung des Rastabschnitts am Innenumfang der Bauteile erfolgt. Vorzugsweise erfolgt die Wärmebehandlung in einer induktiven Wärmebehandlungsstation, die an das Fließfertigungsprinzip oder Reihenfertigungsprinzip angepasst ist. Mit anderen Worten ist zumindest eine Wärmebehandlungseinrichtung vorgesehen, die gezielt ein einziges Bauteil einer Wärmebehandlung mit geringer Zykluszeit unterziehen kann.
Es versteht sich, dass weitere Einheiten bzw. Plätze bei der getakteten Handhabungseinrichtung 134 vorgesehen sein können. Eine beispielhafte Konfiguration eines Drehtisches/Rundtakttisches umfasst acht Plätze, denen acht Takte zugeordnet sind. Mit anderen Worten durchläuft jedes Bauteil, das der Wärmebehandlung unterzogen wird, taktweise acht Plätze bzw. Stationen. Danach kann das Bauteil wieder an eine (globale) Fördertechnik der Anlage abgegeben werden.
Die acht Plätze umfassen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform 1) Be- und Entladen, 2) Kontrolle der axialen Erstreckung des zu härtenden Bereichs, 3) Härten, insbesondere induktives Erhitzen, 4) Kühlen oder Abschrecken, 5) Anlassen, 6) Anlassen, 7) Nachkühlen, und 8) Abblasen bzw. Trocknen. Im vorliegenden Beispiel sind zwei Plätze für das Anlassen vorgesehen. Ein Grund hierfür kann darin bestehen, dass das Anlassen einen längeren Zeitraum als die übrigen (Teil-)schritte erfordert. Die Plätze 1) bis 8) sind derart gewählt, dass die Taktzeit insgesamt optimiert wird, so dass maximal alle 30 s (Sekunden), vorzugsweise maximal alle 20 s, weiter bevorzugt maximal alle 10 s, noch weiter bevorzugt maximal alle 8 s ein wärmebehandeltes Bauteil bereitgestellt werden kann. Mit anderen Worten dreht sich ein solcher Rundtakttisch alle nach weniger als 30, 20, 10 oder gar 8 Sekunden um einen Platz weiter.
7 veranschaulicht anhand einer schematisch stark vereinfachten Blockdarstellung eine beispielhafte Ausgestaltung eines Verfahrens zur Herstellung einer Buchse für eine Nockenwelle, insbesondere für eine verstellbare Nockenwelle für einen Ventiltrieb mit Hubverstellung.
Das Verfahren umfasst einen Schritt S10, der auch als Bereitstellungsschritt bezeichnet werden kann. Der Schritt S10 kann etwa die Bereitstellung von Stangenmaterial und das Ablängen bzw. das Absägen von Bauteilen umfassen.
Es kann sich ein Schritt S12 anschließen, der die mechanische Bearbeitung der Bauteile betrifft. Der Schritt S12 kann Teilschritte S14, S16 und S18 umfassen, die etwa die Erzeugung einer Bohrung im Schritt S14 sowie einen Räumvorgang im Schritt S16 umfassen. Der Räumvorgang im Schritt S16 kann der Erzeugung einer Drehmitnahmekontur dienen, etwa zur Erzeugung einer Keilwellenverzahnung. Der Teilschritt S18 kann die spanende Erzeugung eines Rastabschnitts umfassen, der zwei Rastausnehmungen oder Rastnuten bereitstellt.
An die mechanische Bearbeitung im Schritt S12 kann sich ein Wärmebehandlungsschritt S20 anschließen, der gemäß zumindest einigen Ausführungsformen verschiedene Teilschritte umfassen kann. Ein Teilschritt S22 betrifft beispielhaft eine Prüfung des Bauteils. Der Teilschritt S22 kann insbesondere eine axiale Ausrichtung des Bauteils betreffen. Auf diese Weise kann die axiale Erstreckung einer Wärmebehandlungszone geprüft und gegebenenfalls korrigiert werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein gewünschter Bereich des Bauteils in definierter Weise gehärtet wird, und nach Möglichkeit nicht mehr und nicht weniger.
Ein weiterer Teilschritt S24 betrifft ein zumindest abschnittsweises induktives Erwärmen des Bauteils im Bereich eines Rastabschnitts, der zuvor im Schritt S18 erzeugt wurde. Dies umfasst vorzugsweise eine Relativrotation zwischen dem Bauteil und einem Wärmebehandlungswerkzeug, insbesondere einem Wärmebehandlungsdorn.
Ein weiterer Teilschritt S26 betrifft ein Abschrecken des Bauteils. Es kann sich ein Teilschritt S28 anschließen, der ein Anlassen des Bauteils betrifft. Insgesamt kann das Bauteil im Wärmebehandlungsschritt S20 zumindest abschnittsweise gehärtet werden. Der Härtevorgang betrifft vorzugsweise einen definierten Abschnitt im Innenbereich des Bauteils, insbesondere im Bereich des Rastabschnitts.
An den Wärmebehandlungsschritt S20 schließt sich beispielhaft ein Nachbearbeitungsschritt S30 an, der gemäß der vorliegenden Offenbarung nach dem Wärmebehandlungsschritt S20 durchgeführt wird. Der Schritt S30 betrifft eine weitere mechanische Bearbeitung des Bauteils im gehärteten Zustand, insbesondere an einem Innenumfang des Bauteils im Bereich des gehärteten Rastabschnitts, beispielsweise mittels Hartdrehen. Auf diese Weise kann eine hohe Genauigkeit und Maßhaltigkeit gewährleistet werden.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt S32 umfassen, der eine weitere mechanische Bearbeitung des Bauteils betrifft, und zwar insbesondere am Außenumfang. Beim Schritt S32 können etwa Nockenkonturen erzeugt werden, beispielsweise durch Drehen, Fräsen und/oder Schleifen. Der Schritt S32 kann beispielsweise auch zur Variantenbildung genutzt werden, indem auf Basis einer Bauteilkonfiguration, insbesondere betreffend die Innenkontur, verschiedene Varianten gebildet werden, die sich hinsichtlich ihrer Außengestaltung unterscheiden, insbesondere betreffend die Gestaltung der Nocken.
Es versteht sich, dass das Verfahren bis zur Erzeugung eines finalen Bauteils weitere Schritte umfassen kann, die grundsätzlich auch Härtevorgänge, insbesondere im Außenbereich des Bauteils, Prüfvorgänge, weitere Bearbeitungsvorgänge und Ähnliches umfassen können.
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

DE 10148243 A1 [0004, 0066]
WO 2004/083611 A1 [0005, 0066]
DE 102009048621 A1 [0006, 0066]
DE 102012002896 A1 [0007, 0066]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Buchse (14) für eine Nockenwelle (10) für einen Ventiltrieb mit Hubverstellung, umfassend die Schritte: - Bereitstellung eines Bauteils (16) in Form eines Halbzeugs, - Bearbeitung des Bauteils (16), umfassend: - Erzeugung einer Drehmitnahmekontur (62) im Innenbereich des Bauteils (16), zur Kopplung mit einem Wellenbauteil (12), - Erzeugung eines Rastabschnitts (30) mit zumindest einem Rastbereich, der insbesondere als Rastnut (32, 34) gestaltet ist, - Wärmebehandlung des Bauteils (16), umfassend: - zumindest abschnittsweises induktives Härten des Bauteils (16) im Bereich des Rastabschnitts (30), - Anlassen des Bauteils (16), und - weitere mechanische Bearbeitung des Bauteils (16), nach der Wärmebehandlung, insbesondere im Bereich des Rastabschnitts (30).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmebehandlung des Bauteils (16) Folgendes aufweist: - zumindest abschnittsweises induktives Erwärmen des Bauteils (16) im Bereich des Rastabschnitts (30), - Abschrecken des Bauteils (16), und - Anlassen des Bauteils (16).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die weitere mechanische Bearbeitung des Rastabschnitts (30) des Bauteils (16) mittels Hartdrehen erfolgt und insbesondere oberflächennah zum Entfernen von Rückständen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erzeugung des Rastabschnitts (30) die Erzeugung zweier Umfangsnuten (32, 34) umfasst, die Flanken (82, 84, 86, 88) für die Anlage von Rastelementen (36, 38) bereitstellen, wobei ein axialer Abstand zwischen den Umfangsnuten (32, 34) an einen Abstand zweier benachbarter Nockenprofile (22, 24) zur Erzeugung unterschiedlicher Ventilhübe angepasst ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das induktive Härten eine Relativbewegung, insbesondere eine Relativrotation, zwischen dem Bauteil (16) und einem Induktionsdorn (100) umfasst, vorzugsweise umfassend eine zumindest zeitweise Rotation des Bauteils (16) während des induktiven Härtens um den Induktionsdorn (100).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmebehandlung des Bauteils (16) ein Abarbeiten von Teilschritten mit getaktetem Vorschub umfasst und vorzugsweise auf einem Rundtisch erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmebehandlung des Bauteils (16) eine Taktzeit von weniger als 30 s, vorzugsweise von weniger als 20 s, weiter bevorzugt von weniger als 10 s, noch weiter bevorzugt von weniger als 8 s umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmebehandlung des Bauteils (16) als Bestandteil eines Fließfertigungsprozesses durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmebehandlung des Bauteils (16) einen Kontrollschritt umfasst, vorzugsweise vor dem Härten des Bauteils, in dem eine axiale Erstreckung des zu härtenden Abschnitts am Bauteil (16) kontrolliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weitergebildet gemäß zumindest einem der folgenden Schritte: - die Erzeugung der Drehmitnahmekontur (62) umfasst einen Räumvorgang, - die Erzeugung des Rastabschnitts (30) umfasst eine spanende Bearbeitung, insbesondere Drehen, - die Bereitstellung des Bauteils (16) umfasst ein Ablängen von Stangenmaterial, insbesondere ein Sägen, und/oder - die Bereitstellung des Bauteils (16) umfasst einen Bohrvorgang zur Erzeugung eines Hohlkörpers.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen zumindest einigen Fertigungsschritten ein Teilhandling mit einer Fließfördertechnik erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere mechanische Bearbeitung des Bauteils (16) ferner die Erzeugung benachbarter Nockenprofile in einem Außenbereich des Bauteils (16) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Taktzeiten einzelner Fertigungsschritte aneinander angepasst sind.
Fertigungsanlage (110) zur Herstellung einer Buchse (14) für eine Nockenwelle (10) für einen Ventiltrieb mit Hubverstellung, insbesondere gemäß dem Verfahren nach einem der Einsprüche 1 bis 13, wobei die Fertigungsanlage Folgendes aufweist (110): - eine Eingangsstation (112) zur Bereitstellung eines Bauteils (16), - zumindest eine mechanische Bearbeitungsstationen für das Bauteil (16), insbesondere zumindest eine Bohrstation (120), eine Räumstation (124) und/oder eine Drehstation (128), - eine Wärmebehandlungsstation (132) mit einer induktiven Wärmebehandlungseinrichtung (96) zum zumindest abschnittsweisen induktiven Härten des Bauteils (16) im Bereich eines Rastabschnitts (30), und - zumindest eine weitere mechanische Bearbeitungsstation zur mechanischen Bearbeitung des Bauteils (16) nach der Wärmebehandlung, insbesondere im Bereich des zumindest einen Rastbereiches, wobei Fördertechnik (114, 116, 122, 126, 130, 144) vorgesehen ist, um Fertigungsstationen miteinander zu verbinden, und wobei die Wärmebehandlungsstation (132) als Fließfertigungsstation ausgeführt und an einen Fertigungstakt angepasst ist.
Fertigungsanlage (110) nach Anspruch 14, wobei die Wärmebehandlungsstation (132) Folgendes aufweist: - einen Induktionsdorn (100), der an den Rastabschnitt (30) des Bauteils (16) angepasst ist und vorzugsweise einen Induktionsabschnitt (102) mit zumindest einer umfänglichen Erhebung aufweist, die an eine Umfangsnut (32, 34) des Rastabschnitt (30) angepasst ist, - einen Drehantrieb (104), der vorzugsweise einen Drehteller umfasst, wobei der Drehantrieb (104) dazu ausgestaltet ist, eine Relativrotation zwischen dem Bauteil (16) und dem Induktionsdorn (100) zu erzeugen, und - eine getaktete Handhabungseinrichtung (132), die vorzugsweise als Rundtakttisch ausgebildet ist, wobei die Handhabungseinrichtung (132) ein taktweises Abarbeiten von Teilschritten der Wärmebehandlung erlaubt.