DE102018126152A1 - METHOD FOR FASTENING A SHAFT AND USE OF A ROLLING TOOL THEREFOR - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Verfestigen einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle (1) für einen Hubkolbenmotor. Dazu wird eine Außenfläche (7, 8) eines Wellenzapfens (2, 3) der Welle mittels eines Kaltverfestigungsverfahrens verfestigt. Erfindungsgemäß wird darüber hinaus eine Ölbohrung (4) der Welle, welche eine Mündungsöffnung (5, 6) im Bereich des Wellenzapfens (2, 3) aufweist, zumindest in einem Bereich zwischen der Mündungsöffnung (5, 6) und einer weiteren Mündungsöffnung (5, 6) der Ölbohrung (4) mit einem Kaltverfestigungswerkzeug (13) bearbeitet.The invention relates to a method for solidifying a shaft, in particular a crankshaft (1) for a reciprocating engine. For this purpose, an outer surface (7, 8) of a shaft journal (2, 3) of the shaft is solidified by means of a work hardening process. According to the invention, an oil bore (4) of the shaft, which has an outlet opening (5, 6) in the area of the shaft journal (2, 3), is additionally provided at least in one area between the outlet opening (5, 6) and a further outlet opening (5, 6). 6) of the oil hole (4) processed with a work hardening tool (13).
Description
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.The invention relates to a method for solidifying a shaft having the features of the preamble of
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.The shaft may in particular be a crankshaft for a reciprocating engine. Particularly in the case of a crankshaft for a turbocharged engine charged with a turbo engine, the crankshaft must withstand great loads, which occur above all in the region of shaft journal of the crankshaft. These mechanically particularly stressed areas must therefore be designed to be robust and resistant.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
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.Various methods of solidifying a shaft, such as a crankshaft or camshaft, are known in the prior art. For example, it is known to harden waves by a nitriding process. However, the process of nitriding is relatively complex, on the one hand because of the long duration of the process and on the other hand because of the chemicals required thereby.
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.Further, induction hardening for increasing the strength of a shaft is known. In induction hardening, however, there is generally no uniform solidification of the material over the depth of the workpiece, and in particular in the transition region between a solidified material layer and a material layer, which is still substantially in the original state even after induction hardening, can result in greater loads due to discontinuous material parameters come.
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
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
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. It is the object of the present invention to provide a method for solidifying a shaft, in which the risk of cracking or other signs of wear during operation is further reduced.
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.This object is achieved on the basis of a method according to the preamble of
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.According to the invention it has been recognized that it is often not sufficient to consolidate only the outer surface of a shaft journal. Rather, it may be particularly in transition areas to non-solidified areas, such. B. in the oil well, to an increased risk of cracking. Therefore, it is provided in the method according to the invention, that not only the shaft journal or its outer surface is solidified, but it is also purposefully the oil hole or this bounding inner wall solidified.
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. In a method according to the invention for solidifying a shaft, in particular a crankshaft for a reciprocating engine, on the one hand, an outer surface of the shaft journal is solidified by means of a work hardening process. On the other hand, an oil bore of the shaft, which has an orifice opening in the region of the shaft journal, is machined, at least in one region between the orifice and a further orifice of the oil bore, with a work hardening tool. By working with the work hardening tool a solidification of the oil hole defining inner wall is achieved. With the increase in strength achieved in this way, the danger of cracking or other signs of wear, which can occur in particular in the area of the oil bore, since this typically represents a weak point in the region of the shaft journal, can be effectively prevented. In this case, the processing with the work hardening tool is a comparatively simple method for solidifying the oil hole, which can be implemented without great expenditure of time and materials.
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.In the work hardening tool, it may, for. B. to a rolling tool, such as a smooth or Deep-rolling tool act, with which the oil bore delimiting inner wall is smoothed by roll-over and the plastic deformation achieved thereby and simultaneously strengthened. As a work hardening tool but also a roller burnishing tool can be used, in which in addition to the plastic deformation at least a certain proportion of a machining of the inner wall can be done with low depth of cut.
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
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.In one embodiment of the method according to the invention, the oil hole is processed over its entire extending between the mouth opening and the other mouth opening length with the work hardening tool. The two mouth openings may be z. Example, to an orifice in the region of a shaft journal, which forms a main bearing of a crankshaft, and an orifice in the region of another shaft journal, which forms a crank bearing of a crankshaft act. By machining the oil well over the entire area between the two orifices with the work hardening tool, solidification of the inner wall defining the oil well can be achieved over the entire length, thus providing a particularly robust shaft.
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.But it may also be sufficient if the oil hole is processed only over part of the extending between the mouth openings length with the work hardening tool. Experience has shown z. For example, the loads in a region near the mouth opening are larger, for example, than in a region remote from the outer surface of the shaft journal. Accordingly, it may be sufficient to carry out a machining of the oil hole with the work hardening tool in a section adjacent to the mouth opening, while dispensing with such machining in a middle section between the two mouth openings, without substantially impairing the stability of the shaft.
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.A machining of the oil hole does not necessarily have to take place over the entire length to be machined with one and the same work hardening tool. In particular, if the contour of the oil hole changes over its length, it may be advantageous to edit the oil hole sections with different work hardening tools whose contour is adapted to the contour of the respective portion of the oil hole. It is of course also possible that only different essays are used, which are each adapted to the contour of the respective portion of the oil hole. For example, the oil bore of a crankshaft often has a conical shape in the region of the orifices, while it is cylindrically shaped in regions lying further inwards. Accordingly, a conical work hardening tool or a conically shaped attachment can be used for machining the conically shaped mouth region, while a cylindrical work hardening tool or a cylindrically shaped attachment is used for the cylindrically shaped region.
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.The degree of solidification of the oil hole is based essentially on the contact pressure, which is exerted with the work hardening tool on the inner wall bounding the oil hole. Accordingly, it can be influenced by the contact pressure on the achieved solidification of the oil well. In particular, when machining the oil hole with the work hardening tool, the pressing force exerted on the inner wall can be adjusted depending on the distance from the mouth opening.
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.According to one embodiment of the method according to the invention, in a region close to the mouth opening, a larger contact pressure force is exerted on the inner wall exerted as in a remote area of the mouth. This can be z. B. be expedient to (possibly retrospectively) to realize an extension of the oil well and / or a particularly high degree of solidification in a near the mouth opening area. In a further embodiment, the contact force can decrease continuously with increasing distance from the mouth opening. Thus, a "soft" transition between a solidified area can be achieved to a less strongly solidified area, which z. B. the risk of cracking despite differently strong solidified areas of the oil hole can be reduced.
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.According to an alternative embodiment, a smaller contact force is exerted on the inner wall in a region near the mouth opening than in a region remote from the mouth opening. This can be z. B. be useful if a plastic deformation of the oil hole should be avoided as possible in the mouth opening.
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.A variation of the contact pressure, which is exerted on the inner wall with the work hardening tool, can also be effected in such a way that a constant contact force is exerted from a predetermined distance from the opening. This can optionally be higher or lower than in an area having a smaller distance to the mouth opening.
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
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.A further solution of the object according to the invention relates to the use of a work hardening tool, which is designed for work hardening of an inner surface, for machining an oil bore of a shaft, in particular a crankshaft, in a region lying between two orifices of the oil well. In particular, a rolling tool, such as a burnishing or deep-rolling tool, or a rolling tool can be used for this purpose. With regard to further preferred embodiments, the statements on the method according to the invention apply accordingly.
Figurenlistelist of figures
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
-
1 zeigt einen Ausschnitt einer Kurbelwelle in einer Schnittdarstellung; -
2 zeigt den Ausschnitt der Kurbelwelle gemäß1 mit einem schematisch skizzierten ersten Kaltverformungswerkzeug; -
3 zeigt den Ausschnitt der Kurbelwelle gemäß1 mit einem schematisch skizzierten zweiten Kaltverformungswerkzeug.
-
1 shows a section of a crankshaft in a sectional view; -
2 shows the section of the crankshaft according to1 with a schematically sketched first cold forming tool; -
3 shows the section of the crankshaft according to1 with a schematically sketched second cold forming tool.
Die Kontur der Ölbohrung
Im Betrieb der Kurbelwelle
In den
Bei den Kaltverfestigungswerkzeugen
Bei dem in den
Wie in
Durch das Bearbeiten der Ölbohrung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kurbelwellecrankshaft
- 22
- Wellenzapfenshaft journal
- 33
- Wellenzapfenshaft journal
- 44
- Ölbohrungoil well
- 55
- Mündungsöffnungmouth
- 66
- Mündungsöffnungmouth
- 77
- Außenflächeouter surface
- 88th
- Außenflächeouter surface
- 99
- Innenwandunginner wall
- 1010
- Abschnittsection
- 1111
- Abschnittsection
- 1212
- Abschnittsection
- 1313
- KaltverfestigungswerkzeugHardening tool
- 1414
- KaltverfestigungswerkzeugHardening tool
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2814636 B1 [0005, 0011, 0019, 0025]EP 2814636 B1 [0005, 0011, 0019, 0025]
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EP2814636B1 (en) | 2012-02-16 | 2017-02-15 | Hegenscheidt-MFD GmbH & Co. KG | Method for increasing the strength of shafts, in particular of crankshafts |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R084 | Declaration of willingness to licence | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: BRANDT, MAXIMILIAN, DR., DE |
|
R230 | Request for early publication |