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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfestigen einer Welle mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung eines Rollierwerkzeugs für das Verfestigen einer solchen Welle.
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Bei der Welle kann es sich insbesondere um eine Kurbelwelle für einen Hubkolbenmotor handeln. Insbesondere bei einer Kurbelwelle für einen mit einem Turbo aufgeladenen Hubkolbenmotor muss die Kurbelwelle großen Belastungen standhalten, die vor allem im Bereich von Wellenzapfen der Kurbelwelle auftreten. Diese mechanisch besonders stark beanspruchten Bereiche müssen daher entsprechend robust und widerstandsfähig ausgelegt sein.
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STAND DER TECHNIK
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Verfestigen einer Welle, wie einer Kurbel- oder Nockenwelle, bekannt. Beispielsweise ist es bekannt, Wellen durch ein Nitrierverfahren zu härten. Das Verfahren des Nitrierens ist jedoch relativ aufwändig, zum einen aufgrund der langen Dauer des Verfahrens und zum anderen wegen der dabei benötigten Chemikalien.
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Ferner ist es das Induktionshärten zur Steigerung der Festigkeit einer Welle bekannt. Beim Induktionshärten erfolgt jedoch in der Regel keine gleichmäßige Verfestigung des Materials über die Tiefe des Werkstücks und es kann insbesondere im Übergangsbereich zwischen einer verfestigten Materialschicht und einer Materialschicht, die sich auch nach dem Induktionshärten noch im Wesentlichen im Ursprungszustand befindet, durch unstetige Materialparameter zu größeren Belastungen kommen.
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Weiter ist es bekannt, bei Wellen die Festigkeit insbesondere im Bereich ihrer Wellenzapfen durch Bearbeiten ihrer Außenfläche mit einem Rollierwerkzeug zu erhöhen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus dem Dokument
EP 2 814 636 B1 bekannt. Bei dem in diesem Dokument beschriebenen Verfahren wird eine tragende Fläche einer Welle nach der spanabhebenden Vorbearbeitung mit einem zylindrischen Festwalzkörper festgewalzt, der sich über die gesamte Breite der tragenden Fläche erstreckt. Nach der Bearbeitung mit dem Festwalzkörper wird die Oberfläche abschließend mit geringer Spantiefe spanabhebend bearbeitet und geglättet. Der bei dem Verfahren eingesetzte Festwalzkörper kann eine bestimmte Oberflächenstruktur aufweisen. Konkret wird beschrieben, dass im Fall einer Kurbelwelle mit einem Wellenzapfen und einer im Bereich des Wellenzapfens mündenden Ölbohrung ein Festwalzkörper eingesetzt werden kann, der an seinem Außenumfang eine linsenförmige Verdickung aufweist. Diese Verdickung ist dabei in der Weise angeordnet, dass sie beim Abwälzen des Festwalzkörpers auf der tragenden Fläche des Wellenzapfens immer auf die Mündung der Ölbohrung trifft, um so die Kanten der Mündung der Ölbohrung zu verrunden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verfestigen einer Welle aufzuzeigen, bei dem die Gefahr von Rissbildungen oder anderen Verschleißerscheinungen im Betrieb weiter reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch die Verwendung eines Kaltverfestigungswerkzeugs gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es oftmals nicht ausreichend ist, lediglich die Außenfläche eines Wellenzapfens zu verfestigen. Vielmehr kann es insbesondere in Übergangsbereichen zu nicht verfestigten Bereichen, wie z. B. im Bereich der Ölbohrung, zu einem vergrößerten Risiko einer Rissbildung kommen. Daher ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass nicht nur der Wellenzapfen bzw. seine Außenfläche verfestigt wird, sondern es wird auch gezielt die Ölbohrung bzw. die diese begrenzende Innenwandung verfestigt.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verfestigen einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle für einen Hubkolbenmotor, wird zum einen eine Außenfläche des Wellenzapfens mittels eines Kaltverfestigungsverfahrens verfestigt. Zum anderen wird eine Ölbohrung der Welle, welche eine Mündungsöffnung im Bereich des Wellenzapfens aufweist, zumindest in einem Bereich zwischen der Mündungsöffnung und einer weiteren Mündungsöffnung der Ölbohrung mit einem Kaltverfestigungswerkzeug bearbeitet. Durch das Bearbeiten mit dem Kaltverfestigungswerkzeug wird eine Verfestigung einer die Ölbohrung begrenzenden Innenwandung erreicht. Mit der so erreichten Festigkeitssteigerung kann der Gefahr von Rissbildungen oder anderen Verschleißerscheinungen, die insbesondere im Bereich der Ölbohrung auftreten können, da diese typischerweise eine Schwachstelle im Bereich des Wellenzapfens darstellt, wirksam vorgebeugt werden. Dabei stellt die Bearbeitung mit dem Kaltverfestigungswerkzeug ein vergleichsweise einfaches Verfahren zum Verfestigen der Ölbohrung dar, welches ohne großen Zeit- und Materialaufwand umgesetzt werden kann.
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Bei dem Kaltverfestigungswerkzeug kann es sich z. B. um ein Walzwerkzeug, wie ein Glatt- oder Festwalzwerkzeug handeln, mit dem die die Ölbohrung begrenzende Innenwandung durch Überwalzen und die damit erreichte plastische Verformung geglättet und gleichzeitig gefestigt wird. Als Kaltverfestigungswerkzeug kann jedoch auch ein Rollierwerkzeug eingesetzt werden, bei dem neben der plastischen Verformung zumindest auch zu einem gewissen Anteil eine spanende Bearbeitung der Innenwandung mit geringer Spantiefe erfolgen kann.
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Hinsichtlich der Kaltverfestigung des Wellenzapfens kann es bereits ausreichend sein, wenn dieser nur über einen Teil seiner Außenfläche kaltverfestigt wird. Eine besonders gute Robustheit kann jedoch erreicht werden, wenn der Wellenzapfen über seine gesamte Außenfläche kaltverfestigt wird. Dabei können für das Kaltverfestigen der Außenfläche des Wellenzapfens die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eingesetzt werden. Insbesondere kann hierfür gemäß dem aus dem Dokument
EP 2 814 636 B1 bekannten Verfahren vorgegangen werden. Zusätzlich zu dem Kaltverfestigen können auch Verfahren zur weiteren Erhöhung der Festigkeit der Welle und insbesondere des Wellenzapfens eingesetzt werden, z. B. das Induktionshärten o. ä.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Ölbohrung über ihre gesamte sich zwischen der Mündungsöffnung und der weiteren Mündungsöffnung erstreckende Länge mit dem Kaltverfestigungswerkzeug bearbeitet. Bei den beiden Mündungsöffnungen kann es sich dabei z. B. um eine Mündungsöffnung im Bereich eines Wellenzapfens, welches ein Hauptlager einer Kurbelwelle bildet, und um eine Mündungsöffnung im Bereich eines weiteren Wellenzapfens, welches ein Hublager einer Kurbelwelle bildet, handeln. Indem die Ölbohrung über den gesamten Bereich zwischen den beiden Mündungsöffnungen mit dem Kaltverfestigungswerkzeug bearbeitet wird, kann über die gesamte Länge eine Verfestigung der Innenwandung, die die Ölbohrung begrenzt, erreicht werden, womit insgesamt eine besonders robuste Welle realisiert werden kann.
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Es kann aber auch ausreichend sein, wenn die Ölbohrung lediglich über einen Teil der sich zwischen den Mündungsöffnungen erstreckenden Länge mit dem Kaltverfestigungswerkzeug bearbeitet wird. Erfahrungsgemäß sind z. B. die Belastungen in einem der Mündungsöffnung nahen Bereich beispielsweise größer als in einem von der Außenfläche des Wellenzapfens fernen Bereich. Entsprechend kann es ausreichen, eine Bearbeitung der Ölbohrung mit dem Kaltverfestigungswerkzeug in einem an die Mündungsöffnung angrenzenden Abschnitt vorzunehmen, während auf eine solche Bearbeitung in einem mittleren Abschnitt zwischen den beiden Mündungsöffnungen verzichtet werden kann, ohne dass die Stabilität der Welle hierdurch wesentlich beeinträchtigt wird.
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Eine Bearbeitung der Ölbohrung muss nicht zwingend über die gesamte zu bearbeitende Länge mit ein und demselben Kaltverfestigungswerkzeug erfolgen. Insbesondere wenn sich die Kontur der Ölbohrung über ihre Länge ändert, kann es vorteilhaft sein, die Ölbohrung abschnittsweise mit verschiedenen Kaltverfestigungswerkzeugen zu bearbeiten, deren Kontur an die Kontur des jeweiligen Abschnitts der Ölbohrung angepasst ist. Dabei ist es natürlich auch möglich, dass lediglich verschiedene Aufsätze verwendet werden, die jeweils an die Kontur des jeweiligen Abschnitts der Ölbohrung angepasst sind. Beispielsweise weist die Ölbohrung einer Kurbelwelle im Bereich der Mündungsöffnungen oftmals eine konische Form auf, während sie in weiter innen liegenden Bereichen zylindrisch geformt ist. Entsprechend kann für die Bearbeitung des konisch geformten Mündungsbereichs ein konisches Kaltverfestigungswerkzeug bzw. ein konisch geformter Aufsatz verwendet werden, während für den zylindrisch geformten Bereich ein zylindrisches Kaltverfestigungswerkzeug bzw. ein zylindrisch geformter Aufsatz verwendet wird.
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Der Grad der Verfestigung der Ölbohrung beruht im Wesentlichen auf der Anpresskraft, die mit dem Kaltverfestigungswerkzeug auf die die Ölbohrung begrenzende Innenwandung ausgeübt wird. Entsprechend kann mittels der Anpresskraft auf die erreichte Verfestigung der Ölbohrung Einfluss genommen werden. Insbesondere kann beim Bearbeiten der Ölbohrung mit dem Kaltverfestigungswerkzeug die auf die Innenwandung ausgeübte Anpresskraft in Abhängigkeit vom Abstand von der Mündungsöffnung angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem der Mündungsöffnung nahen Bereich eine größere Anpresskraft auf die Innenwandung ausgeübt als in einem der Mündungsöffnung fernen Bereich. Dies kann z. B. zweckmäßig sein, um (ggf. nachträglich) eine Erweiterung der Ölbohrung und/oder einen besonders hohen Grad der Verfestigung in einem der Mündungsöffnung nahen Bereich zu realisieren. In weiterer Ausgestaltung kann die Anpresskraft mit wachsendem Abstand von der Mündungsöffnung kontinuierlich abnehmen. So kann ein „weicher“ Übergang zwischen einem verfestigten Bereich zu einem weniger stark verfestigten Bereich erreicht werden, womit z. B. die Gefahr von Rissbildungen trotz unterschiedlich stark verfestigter Bereiche der Ölbohrung reduziert werden kann.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird in einem der Mündungsöffnung nahen Bereich eine kleinere Anpresskraft auf die Innenwandung ausgeübt als in einem der Mündungsöffnung fernen Bereich. Dies kann z. B. dann zweckmäßig sein, wenn im Bereich der Mündungsöffnung eine plastische Verformung der Ölbohrung möglichst vermieden werden soll.
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Eine Variation der Anpresskraft, die mit dem Kaltverfestigungswerkzeug auf die Innenwandung ausgeübt wird, kann auch in der Weise erfolgen, dass ab einem vorgegebenen Abstand von der Mündungsöffnung eine konstante Anpresskraft ausgeübt wird. Diese kann dabei wahlweise höher oder kleiner sein als in einem Bereich, der einen kleineren Abstand zu der Mündungsöffnung aufweist.
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Nach dem Bearbeiten der Ölbohrung mit dem Kaltverfestigungswerkzeug kann es erforderlich sein, die Außenfläche des Wellenzapfens nachzubearbeiten. Konkret kann sich z. B. im Bereich der Mündungsöffnung ein Aufwurf ausbilden, der nachträglich entfernt werden muss, um so eine möglichst reibungsarme Kopplung im Bereich des Wellenzapfens zu ermöglichen. Für die Nachbearbeitung der Außenfläche kommen verschiedene Verfahren in Frage. Beispielsweise kann ein einfaches Entgraten, Schleifen und/oder Polieren der Außenfläche ausreichen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Außenfläche erst im Nachgang zu der Bearbeitung der Ölbohrung kaltverfestigt wird und in diesem Zusammenhang entsprechend geglättet wird. Hierfür kann z. B. das in dem Dokument
EP 2 814 636 B1 beschriebene Verfahren zum Einsatz kommen.
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Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe betrifft die Verwendung eines Kaltverfestigungswerkzeugs, das zum Kaltverfestigen einer innen liegenden Fläche ausgebildet ist, für die Bearbeitung einer Ölbohrung einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle, in einem zwischen zwei Mündungsöffnungen der Ölbohrung liegenden Bereich. Insbesondere kann hierfür ein Walzwerkzeug, wie ein Glattwalz- oder Festwalzwerkzeug, oder ein Rollierwerkzeug verwendet werden. Hinsichtlich weiterer bevorzugter Ausführungsformen gelten die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 zeigt einen Ausschnitt einer Kurbelwelle in einer Schnittdarstellung;
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2 zeigt den Ausschnitt der Kurbelwelle gemäß 1 mit einem schematisch skizzierten ersten Kaltverformungswerkzeug;
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3 zeigt den Ausschnitt der Kurbelwelle gemäß 1 mit einem schematisch skizzierten zweiten Kaltverformungswerkzeug.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer Kurbelwelle 1 in einer Schnittdarstellung. Die Kurbelwelle weist zwei Wellenzapfen 2, 3 auf, die als Haupt- bzw. Hublager dienen. Um eine Schmierung der beiden Wellenzapfen 2, 3 sicherzustellen, weist die Kurbelwelle 1 eine Ölbohrung 4 auf, die sich zwischen den beiden Wellenzapfen 2, 3 erstreckt und deren Mündungsöffnungen 5, 6 sich unmittelbar im Bereich der tragenden Außenflächen 7, 8 der Wellenzapfen 2, 3 befinden.
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Die Kontur der Ölbohrung 4 wird durch eine die Ölbohrung 4 begrenzende Innenwandung 9 der Kurbelwelle 1 bestimmt. Wie in 1 gezeigt ist, weist die Ölbohrung 4 dabei 3 verschieden konturierte Abschnitte 10, 11, 12 auf: Die Abschnitte 10 und 12 im Bereich der Mündungsöffnungen 5 und 6 sind konisch geformt, während der dazwischenliegende Bereich 11 zylinderförmig ausgebildet ist.
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Im Betrieb der Kurbelwelle 1 treten insbesondere im Bereich der Wellenzapfen 2, 3 große mechanische Belastungen auf. Daher sind diese Bereiche entsprechend robust auszugestalten. Eine Möglichkeit hierfür ist, mit entsprechendem Materialeinsatz für eine entsprechende Festigkeit im Bereich der Wellenzapfen 2, 3 zu sorgen. Allerdings kann auch mit einer entsprechenden Bearbeitung der Wellenzapfen 2, 3 die nötige Robustheit sichergestellt werden, so dass sogar mit geringerem Materialeinsatz die für den Betrieb erforderliche Robustheit sichergestellt werden kann. Erfindungsgemäß werden daher zum einen die Außenflächen 7, 8 der Wellenzapfen 2, 3 (oder zumindest Teile davon) mittels eines kaltverfestigenden Verfahrens bearbeitet. Zum anderen wird auch die Ölbohrung 4 mit einem Kaltverfestigungswerkzeug bearbeitet, wodurch die Festigung der Innenwandung 9 gesteigert und somit eine von der Ölbohrung 4 ausgehende Rissbildung auch bei hoher Belastung deutlich verzögert werden kann.
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In den
2 und
3 ist die Bearbeitung der Ölbohrung
4 mit einem Kaltverfestigungswerkzeug
13,
14 stark schematisiert dargestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Bearbeitung der Ölbohrung
4 mit dem Kaltverfestigungswerkzeug
13,
14 nach dem Vorbearbeiten der Kurbelwelle
1, d. h. der entsprechenden Konturierung der Außenflächen
7,
8 der Wellenzapfen
2,
3, dem Einbringen der Ölbohrung
4 sowie dem Ansenken der Ölbohrung
4 im Bereich der Mündungsöffnungen
5,
6. Ebenfalls erfolgt sein kann bereits eine Kaltverfestigung der Außenflächen
7,
8 der Wellenzapfen
2,
3 sowie ggf. anderer von außen zugänglicher Flächen der Kurbelwelle. Beispielsweise können die Außenflächen
7,
8 hierzu mit einer Festwalze abgewälzt worden sein, wie dies in dem Dokument
EP 2 814 636 B1 beschrieben ist.
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Bei den Kaltverfestigungswerkzeugen 13, 14 kann es sich beispielsweise um Glätt- oder Festwalzwerkzeuge oder Rollierwerkzeuge handeln, die an der Innenwandung 9 abgewälzt werden. Dabei wird eine vorgegebene Anpresskraft auf die Innenwandung 9 ausgeübt, wodurch eine plastische Verformung und/oder ein (geringfügiger) Materialabtrag erfolgt. So kann zum einen Glättung der Innenwandung 9 und zum anderen eine Steigerung der Zugfestigkeit der Kurbelwelle 1 auch im Bereich der Ölbohrung 4 erreicht werden, womit die Kurbelwelle 1 insgesamt gegenüber den im Betrieb wirkenden mechanischen Belastungen robuster wird.
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Bei dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kommen zwei verschiedene Kaltverfestigungswerkzeuge 13, 14 zum Einsatz, deren in die Ölbohrung 4 hineinragenden Werkzeugköpfe sich in ihrer Kontur unterscheiden. Die Kontur des in 2 dargestellten Kaltverfestigungswerkzeugs 13 bzw. des Aufsatzes, der mit der Innenwandung 9 in Kontakt kommt, ist an die Kontur des zylinderförmigen Abschnitts 11 angepasst. Demgegenüber ist die Kontur des in 3 dargestellten Kaltverfestigungswerkzeugs 14 bzw. des Aufsatzes an die Kontur der konischen Abschnitte 10 und 12 angepasst. Die Ölbohrung 4 kann dabei wahlweise zunächst mit dem in 2 dargestellten Kaltverfestigungswerkzeug 13 mit dem zylinderförmigen Kopf oder mit dem in 3 dargestellten Kaltverfestigungswerkzeug 14 mit dem konischen Kopf bearbeitet werden.
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Wie in 2 dargestellt, erstreckt sich der Werkzeugkopf des Kaltverfestigungswerkzeugs 13 nur über einen Teil der Länge des Abschnitts 11. Wenn dieser über seine gesamte Länge bearbeitet werden soll, ist dies auf einfache Weise durch Verschieben des Kaltverfestigungswerkzeugs 13 möglich. Es kann aber auch ausreichen, die Ölbohrung 4 lediglich über einen Teil ihrer Gesamtlänge mit den Kaltverfestigungswerkzeugen 13 und 14 zu bearbeiten. Konkret sollten dabei insbesondere die den Mündungsöffnungen 5, 6 nahen Bereiche der Ölbohrung 4 kaltverfestigt werden, da diese im Betrieb erfahrungsgemäß größeren Belastungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus grenzen diese Bereiche auch unmittelbar an die verfestigten Bereich der Außenflächen 7, 8 an, womit es – ohne eine gezielte Verfestigung der Innenwandung 9 der Ölbohrung 4 – zu einer mehr oder weniger sprunghaften Änderung der Materialparameter käme, was zu einem vergrößerten Risiko von Rissbildungen in diesem Bereich führen würde.
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Durch das Bearbeiten der Ölbohrung 4 insbesondere in den konischen Abschnitten 10 und 12, die unmittelbar an die Mündungsöffnungen 5, 6 angrenzen, kann es u. U. zu einem Materialaufwurf im Bereich der Mündungsöffnungen 5, 6 kommen. Daher kann es in einem nachfolgenden Schritt erforderlich sein, die Außenflächen 7, 8 anschließend nachzubearbeiten. Beispielsweise kann ein Materialaufwurf durch Schleifen wieder entfernt werden. Auch ist es möglich, erst im Anschluss an die Verfestigung der Ölbohrung 4 die Außenflächen 7, 8 zu verfestigen und in diesem Zusammenhang in die finale Form zu bringen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Wellenzapfen
- 3
- Wellenzapfen
- 4
- Ölbohrung
- 5
- Mündungsöffnung
- 6
- Mündungsöffnung
- 7
- Außenfläche
- 8
- Außenfläche
- 9
- Innenwandung
- 10
- Abschnitt
- 11
- Abschnitt
- 12
- Abschnitt
- 13
- Kaltverfestigungswerkzeug
- 14
- Kaltverfestigungswerkzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2814636 B1 [0005, 0011, 0019, 0028]
