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TECHNISCHES GEBIET
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Die Offenbarung bezieht sich auf die Herstellung von Kurbelwellen und Nockenwellen, die Laserhärten der Oberflächen von Lagerzapfen, Nocken und Öldichtring einer ungehärtet geschliffenen Kurbelwelle oder Nockenwelle beinhaltet.
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HINTERGRUND
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Die Herstellung einer Kurbelwelle und Nockenwelle beinhaltet eine Anzahl von Schritten. Aufgrund der Beschaffenheit dieser Wellen und der zahlreichen Prozesse, die während ihrer Herstellung erforderlich sind, ist ein relativ langer Arbeitsablauf von bis zu 25 Vorgängen für Großserienfertigung erforderlich, was wiederum die Produktivität einschränkt. Außerdem beinhaltet der Herstellungsprozess einer Kurbelwelle oder Nockenwelle in der Regel Wärmebehandlung mit anschließender Schleif- und Feinbearbeitung. Diese Sequenz kann zu einer Reihe von unerwünschten Ereignissen, wie z. B. einem Verlust von Druckspannung während des Schleifvorgangs, Einschnürung an Lagerzapfen oder unzureichendem Anteil der gehärteten Fläche, führen.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Verfahren zum Härten von Kurbelwellen wird offenbart. Das Verfahren kann das Schleifen der Oberflächen einer ungehärteten Kurbelwelle beinhalten, um eine ungehärtet geschliffene Kurbelwelle zu produzieren und darauf die Lagerzapfengeometrie vor dem Härten der Oberflächen zu definieren, um einen Verlust der Druckspannungen zu vermeiden, der mit dem Schleifen einer gehärteten Kurbelwelle verbunden ist. Das Verfahren kann ferner das Laserhärten der Oberflächen der ungehärtet geschliffenen Kurbelwelle beinhalten, um Druckspannungen zu induzieren. Die Oberflächen schließen eine Oberfläche auf einem Hauptlagerzapfen, einem Kurbelzapfen, eines Öldichtrings oder einer Lauffläche ein. Die Härtungstiefe der Oberflächen beträgt 0,15 mm oder mehr. Die Oberflächen können mindestens 85 % der Fläche eines Lagerzapfens einschließen. Die Oberflächen können das Härten eines an eine Ölbohrung angrenzenden Bereichs einschließen, ohne dass eine metallurgische Umwandlung der Ölbohrungsfläche auftritt. Der Bereich kann frei von Einschnürung sein.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Härten einer Welle offenbart. Das Verfahren kann Folgendes beinhalten: Schleifen der Oberflächen einer ungehärteten Welle zum Produzieren einer ungehärtet geschliffenen Welle vor dem Härten der Oberflächen, um einen Verlust von Druckspannungen zu vermeiden, der mit Schleifen nach dem Härten verbunden ist; Erzeugen eines Oberflächenhärtungsmusters von einem 3-D-Modell der ungehärtet geschliffenen Welle; und Laserhärten der Oberflächen nach dem Oberflächenhärtungsmuster, um eine gehärtet geschliffene Welle zu erhalten und Druckspannungen zu induzieren. Die Welle kann eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle sein. Das Oberflächenhärtungsmuster kann Oberflächen auf einem oder mehreren Lagerzapfen, Nocken, Öldichtringen oder Laufflächen abdecken. Der eine oder die mehreren Lagerzapfen können einen Hauptlagerzapfen oder einen Kurbelzapfen umfassen. Die Härtungstiefe der Oberflächen kann zwischen 0,15 mm und 0,2 mm betragen. Das Oberflächenhärtungsmuster kann mindestens 85 % der Fläche eines Lagerzapfens abdecken. Das Oberflächenhärtungsmuster kann einen unmittelbar an eine Ölbohrung und/oder einen Unterschnitt angrenzenden Bereich abdecken. Der Bereich kann frei von Einschnürung sein.
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In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Härten einer weichen Welle offenbart. Das Verfahren kann Folgendes beinhalten: Schleifen der Oberflächen einer weichen Nockenwelle oder einer weichen Kurbelwelle, um eine weich geschliffene Welle zu produzieren und die Veranlassung von Zugspannungen zu verhindern, die mit dem Schleifen einer gehärteten Welle verbunden ist; und Laserhärten der Oberflächen der weich geschliffenen Welle, um lasergehärtete Oberflächen zu erzeugen, die frei von Einschnürung sind, und um Druckspannungen zu induzieren. Die Oberflächen können mindestens eine Oberfläche auf einem Hauptlagerzapfen, einem Kurbelzapfen, einem Öldichtring, einem Nocken oder einer oder mehreren Laufflächen einschließen. Die eine oder mehreren Laufflächen können eine Buchsenoberfläche oder eine abgesetzte Wandfläche umfassen. Die Härtungstiefe der Oberflächen kann 0,15 mm oder mehr betragen. Die Oberflächen können mindestens 85 % der Fläche eines Hauptlagerzapfens einschließen. Die Oberflächen können einen Bereich einschließen, der unmittelbar an einen Unterschnitt an einem Hauptlagerzapfen oder einem Kurbelzapfen angrenzt, ohne dass eine metallurgische Umwandlung des Unterschnitts auftritt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Fahrzeugbrennkraftmaschine dar, die eine Kurbelwelle und eine Nockenwelle in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen enthält;
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2 stellt eine perspektivische Vorderansicht einer beispielhaften ungehärtet geschliffenen Kurbelwelle dar, die lasergehärtet werden soll;
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3 stellt eine perspektivische Vorderansicht einer beispielhaften ungehärtet geschliffenen Nockenwelle dar, die lasergehärtet werden soll;
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4 stellt eine perspektivische Ansicht eines Teils der in 2 dargestellten Kurbelwelle dar; und
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5 stellt eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Kurbelwelle auf dem Stand der Technik dar, die induktionsgehärtete Oberflächen aufweist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hier offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen ist. Für einen Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten allerdings für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
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Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Größen in dieser Beschreibung, die Abmessungen oder Materialeigenschaften angeben, bei der Beschreibung des breitesten Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen.
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Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Anwendungen derselben Abkürzung hierin und gilt entsprechend für normale grammatische Variationen der anfangs definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich gegenteilig angegeben, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, wie vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben.
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Kurbelwellen und Nockenwellen sind fundamentale Merkmale in einer Automobilkraftmaschine. 1 stellt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Kurbelwelle 10 und Nockenwelle 12 als interne Teile einer Brennkraftmaschine 14 dar. Eine Kurbelwelle 10 ist ein mechanisches Teil, das in der Lage ist, eine Umwandlung zwischen Hubbewegung und Drehbewegung durchzuführen. In einer internen Brennkraftmaschine 14 eines Fahrzeugs wandelt eine Kurbelwelle 10 die Hubbewegung der Kolben 16 in eine Drehbewegung um, damit die Räder ein Fahrzeug vorantreiben können. Die Kurbelwelle 10 kann eine beliebige Kurbelwelle 10 innerhalb des Zylinderblocks oder im Zylinderkopf sein. Die Kurbelwelle 10 ist mit einem Schwungrad 18, einem Kraftmaschinenblock (nicht dargestellt) mit Lagern an einer Reihe von Hauptlagerzapfen 20 und den Kolben 16 über ihre jeweiligen Pleuelstangen 22 verbunden, so dass alle Kolben 16 einer Kraftmaschine 14 an der Kurbelwelle 10 angebracht sind. Die Kurbelwelle 10 reguliert die Bewegung der Kolben 16, da sie die Kolben 16 in den Zylindern (nicht dargestellt) auf und ab bewegt. Die Kurbelwelle 10 hat eine lineare Achse 24, um die sie sich dreht, in der Regel mit mehreren Lagerzapfen 20, die auf austauschbaren Lagern ruhen, die im Kraftmaschinenblock (nicht dargestellt) gehalten werden.
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1 stellt ferner eine beispielhafte Nockenwelle 12 dar. Die Nockenwelle 12 kann eine beliebige Nockenwelle 12 innerhalb des Zylinderblocks oder im Zylinderkopf sein. Eine Nockenwelle 12 dient dazu, Ventile 26 von internen Brennkraftmaschinen mit Kolben 16 zu betätigen. Sie besteht aus einer zylindrischen Stange 28, die sich über die Länge der Zylinderbank (nicht dargestellt) erstreckt, und von der eine Reihe von Nocken 30, jeweils einer für jedes Ventil 26, vorsteht. Die Nocken 30 hebeln die Ventile 26 auf, indem sie auf das Ventil 26 drücken, während sie sich drehen. Die Nockenwelle 12 ist mit der Kurbelwelle 10 verbunden. Wenn sich die Kurbelwelle 10 dreht, dreht sich die Nockenwelle 12 in einer synchronisierten Bewegung mit ihr.
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Kurbelwellen 10 und Nockenwellen 12 können monolithisch oder aus mehreren Stücken zusammengebaut sein. In der Regel werden diese Wellen 32 durch Walzschmieden oder Eisenguss aus einer Stahlstange geschmiedet. Der Herstellungsprozess beinhaltet eine Reihe von Schritten, in der Regel bis zu 25 Vorgänge, einschließlich Grobbearbeitung der Kurbelwelle, Härten, Schleifen oder Drehen und Polieren. Die meisten Stahlwellen 32 haben induktionsgehärtete Lagerzapfenoberflächen. Für einige Großserienautomobilwellen und die meisten Hochleistungswellen wird ein teurerer Nitrierprozess verwendet. Aufkohlung und Flammhärtung sind weitere beispielhafte Verfahren der Härtung. Doch alle diese Technologien präsentieren etliche Nachteile.
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Der Induktionshärtungsprozess hat inhärente Nachteile hinsichtlich der Abdeckung der Lagerzapfenfläche. Der Stromfluss um die Ölbohrungen während des Induktionshärtungsprozesses verursacht Aufbauchungs- und Einschnürungszustände. Außerdem ist das axiale Fixieren der Induktoren oft problematisch. Spulen und Rezepte müssen dazu konzipiert sein, sowohl metallurgische Beschädigung im Fasenbereich als auch Musterverletzung in den Unterschnitten zu verhindern. Diese Faktoren führen in der Regel zu Kompromissen hinsichtlich der Härte und Oberflächenabdeckung. Um einen größeren Anteil der Oberflächenabdeckung zu erhalten, ist eine Änderung der Lagerzapfenkonstruktion zu einer tangentialen Lagerzapfenkonstruktion vorgeschlagen worden. Doch die Konstruktionsänderung resultiert dennoch in zusätzlichen Herstellungskompromissen in Bezug auf Schleifen und Polieren.
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Eine typische Verarbeitung von Kurbelwellen und Nockenwellen erfordert, dass die Metallzerspanung in zwei Schritten durchgeführt wird: Grob- und Feinbearbeitungsvorgänge. Vorbearbeitung wird im Allgemeinen über Drehen oder Fräsen durchgeführt. Feinbearbeitung wird in der Regel durch Schleifen durchgeführt, um das erforderliche Oberflächenfinish, die erforderliche Größe und das geometrische Profil zu erhalten. Feinbearbeitung ohne vorherige Vorbearbeitung der Oberflächen ist aufgrund der Produktivität und des Grads der Materialabtragung nicht möglich, was ansonsten die Fähigkeit des Feinbearbeitungsprozesses, Toleranzen zu erfüllen, verhindern würde.
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Die typischen Einsatzhärtungsverfahren induzieren Verzug der Welle in einem Maße, dass der Prozess vor der Feinbearbeitung angewendet werden muss. In der Regel verursacht Induktionshärtung einen Verzug der Wellenachse von 50 bis 70 µm. Daher ist es üblich, den beim Feinbearbeitungsvorgang abgetragenen Materialbetrag und die Prozesspositionierungsfehler zu berücksichtigen und der gewünschten Endeinsatzhärtungstiefe hinzuzufügen. Dies erfordert, dass die Einsatzhärtungstiefe vergrößert wird. Beim Induktionsverfahren kann dies durch Erhöhen der Erwärmungszeit und der Stromversorgungsfrequenz erreicht werden.
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Außerdem führt der Feinbearbeitungsvorgang zu einer relativen Erhöhung von restlichen Zugspannungen. Um Zugspannungen zu vermeiden, müssen Schleifzyklen von geringerer Produktivität angewendet werden. Um absolute Spannung zu messen, muss eine kostspielige und zeitraubende Röntgenstrahlenbeugung verwendet werden. Trotz dieser Bemühungen resultiert die Schleifen-Härten-Sequenz immer in einem gewissen Verlust der erwünschten Druckspannung. Restliche Druckspannung in den Lagerzapfenoberflächen trägt zu einer Verhinderung von Rissbildung bei und ist im Allgemeinen gut für Ermüdungseigenschaften.
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Die typischen Härtungsverfahren präsentieren zusätzliche Nachteile. Beispielsweise werden Spulen für Induktionshärtung verwendet. Diese Kupferspulen müssen jedes Mal, wenn eine neue Geometrie an einem Lagerzapfen eingeführt wird, ausgetauscht werden. Ein derartiger Austausch ist sehr kostspielig und zeitraubend. Darüber hinaus stellen die während der Induktionshärtung verwendete Abschreckflüssigkeit und das starke elektromagnetische Feld Umwelt- und Gesundheitsprobleme dar.
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Nitrieren hat ebenfalls eine Reihe von Nachteilen. Beispielsweise ist es ein relativ zeitraubender Prozess, der mindestens 8 Stunden dauert. Außerdem ist die resultierende Tiefe der gehärteten Oberfläche mit etwa 0,010–0,015 mm nach einem mindestens 8 Stunden langen Prozess relativ flach, und die Welle muss nachbehandelt werden, falls sie jemals für Service nachgeschliffen werden muss. Während die Nitrierhärtetiefe auf etwa 0,5 mm begrenzt ist, beträgt die Zeit zum Erreichen dieser Tiefe etwa 120 Stunden, was dieses Verfahren für Großserienanwendungen unpraktisch macht. Nitrieren erzeugt außerdem eine unerwünschte weiße Schicht auf der Oberfläche der Welle. Die Schicht muss in der Regel durch Polieren der Oberfläche nach der Verarbeitung entfernt werden.
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Daher kann es wünschenswert sein, ein Verfahren zum Härten der Wellenoberfläche bereitzustellen, das eine oder mehrere Einschränkungen der vorher erfundenen Herstellungsverfahren überwinden würde. Es wäre wünschenswert, ein verzugsarmes Härtungsverfahren bereitzustellen, das mehr Möglichkeiten für Musterpositionierung bereitstellen, die gesamte gehärtete Lagerzapfenfläche vergrößern, ein breiteres Härtungsmuster der Lagerzapfenoberflächen gestatten und Einschnürung sowie die Notwendigkeit des Ausschleifens des während des Induktionshärtungsprozesses auftretenden Verzugs eliminieren würde. Außerdem wäre es wünschenswert, ein Härtungsverfahren zu entwickeln, das die weiche Zone um die Ölbohrung eines Lagerzapfens eliminieren würde. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, ein Härtungsverfahren bereitzustellen, das in Kosten- und Zeiteinsparungen resultieren, die Notwendigkeit für das Feinschleifen von Material von der gesamten Einsatzhärtetiefe eliminieren, Kupferspuleneinrüstung eliminieren und die Umweltsicherheit durch Eliminieren der Abschreckflüssigkeit und des starken elektromagnetischen Felds erhöhen würde.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren bereitgestellt, das das Schleifen von einer oder mehreren Oberflächen 34 einer ungehärteten Welle 32’’ beinhaltet, bevor die Oberflächen 34 der ungehärteten Welle 32’’ durch Laser gehärtet werden. Die ungehärtete Welle 32’’ kann eine ungehärtete Kurbelwelle 10’’ oder eine ungehärtete Nockenwelle 12’’ sein. Das Verfahren kann einen oder mehrere Schritte beinhalten. Die Schritte können nach Bedarf wiederholt werden. Der Begriff „ungehärtete“ Welle bezieht sich auf Verarbeitung im weichen Zustand. Der Schleifvorgang wird somit an einer weichen Welle 32’’ durchgeführt, bevor die Welle gehärtet wird. Der Schleifvorgang definiert die Geometrie, wie z. B. die Lagerzapfenkonturen. Der Schleifvorgang kann an einer durch Gießen, Schmieden oder Zerspanen hergestellten ungehärteten Welle 32’’ durchgeführt werden. Bekannte Verfahren und Geräte können für den Schleifvorgang verwendet werden. Da Schleifen vor dem Härten durchgeführt wird, tritt kein Verlust der wünschenswerten Druckspannung auf, der für nach dem Härten geschliffene Wellen typisch ist. Außerdem gewährleistet das Schleifen der ungehärteten Welle 32’’, dass die Entstehung von Zugspannungen in der Welle weniger wahrscheinlich ist.
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Die ungehärtete Welle 32’’ nach dem Schleifvorgang wird ungehärtet geschliffene Welle 32’ oder geschliffene weiche Welle 32’ genannt. Die ungehärtet geschliffene Welle 32’ kann eine ungehärtet geschliffene Kurbelwelle 10’ oder eine ungehärtet geschliffene Nockenwelle 12’ sein. Die ungehärtet geschliffene Welle 32’ kann gewaschen werden, um zu gewährleisten, dass jegliche Späne, Öl oder andere Fremdstoffe, die nach dem Schleifvorgang auf der Oberfläche verbleiben, vor dem Härten entfernt werden. Waschen kann mit jedem bekannten Verfahren und Gerät, z. B. durch Sprühen, Eintauchen in ein Bad, Verwendung einer Kammerwaschanlage oder dergleichen, durchgeführt werden. Das Verfahren kann einen Schritt des Trocknens der ungehärtet geschliffenen Welle 32’ nach dem Waschen beinhalten.
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Die 2 und 3 stellen nicht einschränkende detaillierte Beispiele einer ungehärtet geschliffenen Kurbelwelle 10’ bzw. einer ungehärtet geschliffenen Nockenwelle 12’ dar. Jede Welle weist eine oder mehrere zu härtende Oberflächen 34 auf. 2 stellt eine beispielhafte ungehärtet geschliffene Kurbelwelle 10’ dar, die eine Stange 36 am ersten Ende 38, Hauptlagerzapfen 20 und Kurbelzapfen 40, die Gegengewichte oder Lager 42 verbinden, sowie am zweiten Ende 44 ein Schwungrad 18 aufweist. Die Hauptzapfen 20, auch Hauptlagerzapfen oder Wellenzapfen genannt, enthalten eine Ölbohrung 46, die zur Verteilung von Schmieröl zu den Lagern dient. Die Kurbelzapfen 40, auch als Hubzapfen oder Pleuelzapfen bekannt, enthalten ebenfalls eine Ölbohrung 46. Die ungehärtet geschliffene Kurbelwelle 10’ enthält ferner nicht dargestellte Ölkanäle zur Förderung der Schmierung. Die ungehärtet geschliffene Kurbelwelle 10’ kann ferner einen am Schwungrad 18 befindlichen Öldichtring 48 einschließen. 3 stellt ein nicht einschränkendes Beispiel einer ungehärtet geschliffenen Nockenwelle 12’ dar, die eine zylindrische Stange 28, mehrere Hauptlagerzapfen 20 und mehrere Nocken 30 aufweist.
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Die eine oder mehreren Oberflächen 34 der ungehärtet geschliffenen Welle 32’, die gehärtet werden sollen, können eine Oberfläche auf einem Hauptlagerzapfen 20, einem Kurbelzapfen 40, einem Öldichtring 48 oder einem Nocken 30 einschließen. Die Anzahl der Hauptlagerzapfen 20, Kurbelzapfen 40, Öldichtringe 48, Nocken 30 und ihrer entsprechenden zu härtenden Oberflächen können unterschiedlich sein und von den erwünschten Parametern der Welle 32, die hergestellt wird, abhängen. In einer oder mehreren beispielhaften Ausführungsformen wird zumindest ein Teil jedes Hauptlagerzapfens 20, jedes Kurbelzapfens 40, jedes Öldichtrings 48, jedes Nockens 30 und/oder jeder Lauffläche 62 einer ungehärteten Welle 32’’ vor dem Härten geschliffen. Eine Lauffläche 62 kann jede zylindrische oder abgesetzte Oberfläche oder jede Oberfläche sein, die mit einem Lagerzapfen in Kontakt ist, wie z. B. eine Buchsenoberfläche 64 oder eine abgesetzte Wandfläche 66.
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Das Verfahren kann ferner vor dem Laserhärten einen Schritt der Erzeugung eines Oberflächenhärtungsmusters von einem 3-D-Modell der ungehärtet geschliffenen Welle 32’, die lasergehärtet werden soll, beinhalten. Das Verfahren kann einen Schritt des Programmierens einer Mikroprozessoreinheit (MPU – Microprocessor Unit) zum Erzeugen des Oberflächenhärtungsmusters beinhalten. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das erzeugte Oberflächenhärtungsmuster eine Reihe von vorgewählten Punkten, einen Teil oder die Gesamtheit der Oberflächengeometrie der ungehärtet geschliffenen Welle 32’ enthalten. Das Oberflächenhärtungsmuster kann eine oder mehrere Oberflächen 34 auf einem oder mehreren Hauptlagerzapfen 20, Kurbelzapfen 40, Nocken 30, Öldichtringen 48 oder Laufflächen 62 enthalten.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren einen Schritt des Laserhärtens der ungehärtet geschliffenen Welle 32’ nach dem Schleifen, Waschen und/oder Trocknen, um die erwünschte Druckspannung in der ungehärtet geschliffenen Welle 32’ zu erzeugen. Das Verfahren kann das Ermitteln der Abmessungen der zu härtenden Fläche beinhalten. Das Verfahren kann einen Schritt des Anpassens einer Punktgröße des Laserstrahls entsprechend den Abmessungen der zu härtenden Fläche beinhalten. Das Verfahren kann einen Schritt des Richtens eines Laserstrahls von der Laserleistungseinheit auf die Oberfläche 34 der ungehärtet geschliffenen und zu härtenden Welle 32’ gemäß dem Oberflächenhärtungsmuster beinhalten. Das Verfahren kann das Anpassen des Musters, des Laser-Oberflächenhärtungsmusters und/oder eines oder mehrerer Parameter vor, nach oder während des Härtungsvorgangs beinhalten.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Laserhärten durch mindestens eine Laserleistungseinheit unterstützt werden. Mehrere Laserleistungseinheiten können genutzt werden. Beispielsweise kann eine Laserleistungseinheit zum Tempern der zu härtenden Oberflächen 34 verwendet werden. Ein solcher Laser könnte ein Laser von geringerer Leistung, wie z. B. ein 1,0-kW-Laser, sein. Die zweite Laserleistungseinheit könnte eine Hochleistungslasereinheit zum Unterstützen der Härtung sein. Das Hochleistungseinheit könnte beispielsweise ein 6,0-kW-Laser sein. Eine Laserleistungseinheit mit einer anderen Leistung kann verwendet werden, beispielsweise ein beliebiger Laser mit einer Leistung zwischen 500 W und 50 kW kann geeignet sein. Alternativ dazu kann sowohl Tempern als auch Härten von einer Laserleistungseinheit unterstützt werden. Als weitere Alternative kann Tempern weggelassen werden. Die während des Härtungsprozesses zu erzielende Temperatur sollte etwa 1260°C nicht überschreiten, um Überhitzen des Wellenmaterials zu verhindern. Da Überhitzen nicht vorhanden ist, wird keine Abschreckflüssigkeit während des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung benötigt.
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Das Verfahren erwägt die Verwendung unterschiedlicher Laserarten als Wärmequelle für den Härtungsvorgang. Nicht einschränkende Beispiele von geeigneten Lasern schließen Laser mit unterschiedlichen aktiven Lasermedien ein. Das Lasermedium kann eine Flüssigkeit, wie z. B. bei Farbstofflasern, einschließen, bei der die chemische Zusammensetzung des Farbstoffs die Betriebswellenlänge bestimmt. Die Flüssigkeiten können organische chemische Lösungsmittel, wie z. B. Methanol, Ethanol und Ethylenglykol, sein, die einen Farbstoff, wie z. B. Cumarin, Rhodamin und Fluorescein, enthalten. Das Lasermedium kann ein Gas, wie z. B. CO2, Ar, Kr und/oder Gasgemische, wie z. B. He-Ne, enthalten. Das Lasermedium kann ein Metalldampf, wie z. B. Cu, HeCd, HeHg, HeSe, HeAg oder Au, sein. Das Lasermedium kann Feststoffe, wie z. B. Kristalle und Glas enthalten, die gewöhnlich mit einem Fremdstoff, wie z. B. Cr, Nd, Er oder Ti-Ionen, dotiert sind. Die festen Kristalle können YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), YLF (Yttrium-Lithium-Fluorid), LiSAF (Lithium-Strontium-Aluminium-Fluorid) oder Saphir (Aluminiumoxid) enthalten. Nicht einschränkende Beispiele von Festkörper-Lasermedien, die mit einem Fremdstoff dotiert sind, schließen Nd: YAG, Cr: -Saphir, Cr: LiSAF, Er: YLF, Nd: Glas oder Er: Glas ein. Das Lasermedium kann Halbleiter einschließen, die eine gleichmäßige Dotiermittelverteilung haben, oder ein Material mit unterschiedlichen Dotiermittelstufen, bei denen die Bewegung von Elektronen eine Lasertätigkeit verursacht. Nicht einschränkende Beispiele von Halbleiter-Lasermedien können InGaAs, GaN, InGaN und InGaAsP einschließen. Der Laser kann ein Hochleistungs-Faserlaser sein, der aus aktiven Glasfasern erzeugt wird, die mit Seltenenerden-Ionen dotiert sind, und aus Halbleiterdioden als Lichtquelle, um die aktiven Fasern zu pumpen.
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Die mindestens eine Laserleistungseinheit kann mit der MPU, auch als Zentraleinheit bekannt, verbunden sein, die in der Lage ist, digitale Daten als Eingabe anzunehmen, die Daten gemäß den in ihrem Speicher enthaltenen Anweisungen zu verarbeiten und eine Ausgabe bereitzustellen. Die MPU kann mathematische Modelliersoftware enthalten, die in der Lage ist, eingegebene Daten zu verarbeiten. Beispielhafte Eingangsdaten können Informationen über ein 3-D-Modell einer ungehärtet geschliffenen Welle 32’ enthalten, die zu härtende Oberflächen 34 aufweist; Parameter für eine neue Geometrie, wie z. B. Härtungsbreite, Energiebalance oder dergleichen; Parameter in Bezug auf Ölbohrungen, wie z. B. der Ölbohrungsradius, Versatz von der Mitte eines Lagerzapfens oder dergleichen.
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Aufgrund der Flexibilität der Lasertechnologie kann das Verfahren das Härten eines Teils oder der Gesamtheit der Fläche der zu härtenden Oberfläche 34 beinhalten. Das Verfahren kann das Härten von etwa 85–100 % der Fläche der zu härtenden Oberfläche 34, wie z. B. etwa 85–100 % der Fläche eines Hauptlagerzapfens 20, eines Kurbelzapfens 40, eines Nockens 30, eines Öldichtrings 48 oder einer Lauffläche 62, beinhalten. Das Laserhärten kann das Härten einer oder mehrerer Oberflächen in einem Oberflächenhärtungsmuster, das bis zu 100 % der Fläche der einen oder mehreren Oberflächen 34 abdeckt, beinhalten. Im Vergleich dazu kann eine ungehärtete Kurbelwelle, die vor dem Schleifen gehärtet wird, nur bis zu 75–85 % der gehärteten Fläche enthalten, da das Induktionshärten und andere oben genannte Verfahren aus dem Stand der Technik nicht in der Lage sind, eine größere Fläche zu härten. Insbesondere Klappschalen-Induktionshärten kann eine Härtung von nur bis zu 75 % der Fläche, und Umlauf-Induktionshärten bis zu 85 % der Fläche erzielen.
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Das Verfahren kann das Härten eines unmittelbar an die Ölbohrung 46 und/oder den Unterschnitt 50 angrenzenden Bereichs beinhalten. Wie 4 darstellt, kann der lasergehärtete Lagerzapfen 40 einer lasergehärteten Welle 32 eine direkt an die Kante 54 der Ölbohrung 46 und/oder an die Kante 56 des Unterschnitts 50 angrenzende gehärtete Fläche 52 enthalten, ohne dass eine metallurgische Umwandlung der Ölbohrung 46 und/oder des Unterschnitts 50 auftritt. Alternativ dazu, wie in 4 zu sehen ist, kann der lasergehärtete Lagerzapfen 40 eine nicht gehärtete Oberfläche von bis zu 0,5 mm vom Unterschnitt 50 enthalten. Die Fläche der Ölbohrung 46 bleibt vollkommen ungehärtet 60.
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Somit beinhaltet das Verfahren das Härten von bis zu 100 % der zu härtenden Fläche. Im Gegensatz zu der aktuellen Offenbarung kann der unmittelbar an die Ölbohrung 46 oder den Unterschnitt 50 angrenzende Bereich auf einer ungehärteten Kurbelwelle, die vor dem Schleifen gehärtet wird, nicht gehärtet werden und bleibt weich. Dies ist in 5 dargestellt, in der ein Teil einer induktionsgehärteten Kurbelwelle 10 vor dem Schleifen abgebildet ist. Die Kurbelwelle weist Gegengewichte 42 auf, die mit einem Kurbelzapfen 40 verbunden sind. Die gehärtete Fläche 52 auf dem Kurbelzapfen 40 schließt den an die Ölbohrung 46 und die Unterschnitte 50 angrenzenden Bereich nicht ein. Somit enthält der Kurbelzapfen 40 aus 5 einen nicht gehärteten Bereich 58, der weich bleibt. Die Abmessungen des weichen Bereichs 58 um die Ölbohrung 46 können bis zu 2–3 mm radial um die Ölbohrung 46 erreichen. Der weiche Bereich 58 trägt zu unerwünschter Ermüdungsbeanspruchung bei. Außerdem präsentiert Induktionshärtung des an die Ölbohrung 46 angrenzenden Bereichs andere Herausforderungen, wie z. B. Schwierigkeiten bei der Verhinderung von Überhitzen der Querschnittsfläche der Ölbohrung 46. Derartiges Überhitzen trägt zu Abschreckungsrissbildung und metallurgischer Beschädigung bei, die wiederum die Ermüdungsfestigkeit beeinflusst. Anpassen des Induktionshärtungsprozesses zum Mildern von Überhitzen würde wiederum zu einem kompromittierten Härtegrad oder weichen Stellen 58 führen. Außerdem kann traditionelles Induktionshärten die Fläche der Ölbohrung 46 und/oder den Bereich des Unterschnitts 50 beeinträchtigen, so dass der Bereich 46 und/oder 50 wärmebeeinflusst ist und unerwünschten metallurgischen Veränderungen unterliegt.
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Außerdem eliminiert das Laserhärten Einschnürung. Einschnürung ist eine Verengung des Induktionsmusters, wenn der Strom um die Ölbohrung 46 und/oder den Unterschnitt 50 fließt. Einschnürung ist an einem durch Klappschaleninduktion gehärteten Lagerzapfen 40 aus 5 dargestellt. Die Abwesenheit von Eisenvolumen um die Ölbohrung 46 und die Unterschnitte 50 resultiert in höherem Stromfluss, was zu Ausbauchen des Musters an der Ölbohrung 46 und um die Unterschnitte 50 führt. Um Einschnürung zu vermeiden, müssen die Induktionsspulenkonstruktion und/oder der Strombetrag angepasst werden, da Einschnürung Besorgnis über Ermüdungsbeanspruchung hervorruft. Doch wenn die Spulenkonstruktion und/oder der Strom reduziert werden, resultiert der Bereich in der Nähe der Ölbohrung 46 und der Unterschnitte 50 in einem schmaleren, eingeschnürten Muster.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Härtens einer Oberfläche 34 einer ungehärtet geschliffenen Welle 32’ auf eine Tiefe von bis zu etwa 1,2–1,3 mm beinhalten. Eine flachere Einsatzhärtetiefe kann wünschenswert sein und wird in Erwägung gezogen, da Laserhärten wünschenswerte Resultate bei flacheren Tiefen liefert, während es minimalen Verzug der Hauptlagerzapfen 20 verursacht. Der durch Laserhärten verursachte Verzug der Hauptlagerzapfen 20 kann etwa 5 bis 10 µm betragen. Im Vergleich dazu kann eine ungehärtete Welle, die vor dem Schleifen gehärtet wird, wie z. B. eine induktionsgehärtete Welle, einen Verzug der Hauptlagerzapfen 20 von etwa 50 bis 70 µm aufweisen. Daher sind die beim Laserhärtungsprozess auftretenden Verzugsausmaße dergestalt, dass wärmebezogener Verzug kontrollierbar ist, wenn das Härten nach dem Schleifen durchgeführt wird. Lasergehärtete Einsatzhärtetiefe kann auch reduziert werden, weil das Berücksichtigen von Materialabschleifen zum Ausgleichen von Induktionshärtungsverzug nicht mehr notwendig ist. Dies wiederum ermöglicht eine wesentlich kürzere Taktzeit. Erhöhen der Abtastgeschwindigkeiten bei gleichen oder niedrigeren Leistungsniveaus kann Härten in einer kürzeren Zeit erzielen, um flachere Einsatzhärtetiefen zu liefern.
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Das Verfahren kann das Härten einer Oberfläche 34 auf die Einsatzhärtetiefe von etwa 0,05 mm bis etwa 1,3 mm, von etwa 0,15 mm auf etwa 0,8 mm, von etwa 0,2 mm auf etwa 0,5 mm beinhalten. Flacheres Härten, z. B. auf eine Tiefe von etwa 0,2 mm, trägt zu einer kürzeren Taktzeit bei. Laserhärten kann bis zu 50 % der Taktzeit einsparen, die mit dem Härten einer ungehärteten Kurbelwelle vor dem Schleifen verbunden ist, das eine Härtungstiefe von mehr als etwa 0,2 mm erfordert. Da eine solche Kurbelwelle nach dem Härtungsschritt geschliffen wird, wird ein relativ erheblicher Betrag an Ausgangsmaterial während des Schleifverfahrens abgetragen. Daher muss eine solche Welle eine größere Einsatzhärtetiefe haben, bevor der Schleifvorgang beginnt, was zu einer längeren Taktzeit beiträgt. Im Gegensatz zu den Wellen aus dem Stand der Technik kann die lasergehärtete, ungehärtet geschliffene Welle 32 der vorliegenden Offenbarung nachgeschliffen und/oder aufgearbeitet werden, ohne den Härtungsvorgang zu wiederholen, selbst wenn die Einsatzhärtetiefe nur etwa 0,2 mm beträgt.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren zusätzliche Herstellungsschritte beinhalten, nachdem die lasergehärtete, ungehärtet geschliffene Welle 32 lasergehärtet worden ist. In mindestens einer Ausführungsform kann das Verfahren Polieren beinhalten. Polieren kann jedes konventionelle Verfahren des Polierens einer Metalloberfläche einer lasergehärteten, ungehärtet geschliffenen Welle 32 einschließen. Das Verfahren kann das Abtragen eines gewissen Betrags an Ausgangsmaterial beinhalten.
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Obgleich beispielhafte Ausführungsformen oben beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Stattdessen dienen die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
