DE102018128467A1

DE102018128467A1 - Lasergehärtete hohlkehlgewalzte kurbelwelle

Info

Publication number: DE102018128467A1
Application number: DE102018128467.5A
Authority: DE
Inventors: Nathaniel Hansen; Phillip Schroeder; Roger L. Moyer; Michael A. Kopmanis
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2019-05-16
Also published as: US20190143398A1; CN109794504A

Abstract

Ein Verfahren zum Behandeln von Hohlkehlen an Kraftfahrzeugwellen beinhaltet Laserhärten einer grünbearbeiteten Hohlkehlenoberfläche auf eine einheitliche Tiefe d zum Induzieren von Druckspannungen in der Oberfläche, wobei sich die Oberfläche über die gesamte Länge l zwischen Außenkanten von zwei Freistichbereichen der Hohlkehle erstreckt; und Aufbringen von zusätzlicher Druckspannung auf die lasergehärtete Oberfläche über Hohlkehlwalzen, sodass die einheitliche Tiefe d während eines anschließenden Schleifvorgangs entlang der gesamten Länge / beibehalten wird.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die Offenbarung betrifft die Herstellung von Kurbelwellen einschließlich des Laserhärtens von Zapfenoberflächen einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle und des anschließenden Hohlkehlwalzens der Oberflächen.
STAND DER TECHNIK
Die Herstellung von Kurbelwellen und Nockenwellen beinhaltet das Härten eines Abschnitts ihrer Oberflächen zum Verbessern ihrer mechanischen Eigenschaften. Typischerweise wird Induktionshärten zum Erreichen des Härtens verwendet. Das dem Induktionsprozess eigene Wesen führt jedoch zu zahlreichen Nachteilen wie etwa tieferen Einsatztiefen als notwendig und Eigenverzug. Es sind alternative Verfahren entwickelt worden, doch diese sind für die Großserienfertigung aufgrund von Anforderungen der Chargenverarbeitung nicht gut geeignet.
KURZDARSTELLUNG
Es wird ein Verfahren zum Behandeln von Hohlkehlen an Kraftfahrzeugwellen offenbart. Das Verfahren beinhaltet Laserhärten einer grünbearbeiteten Hohlkehlenoberfläche auf eine einheitliche Tiefe d zum Induzieren von Druckspannungen in der Oberfläche. Die Oberfläche erstreckt sich über die gesamte Länge / zwischen Außenkanten von zwei Freistichbereichen der Hohlkehle. Das Verfahren beinhaltet zudem Aufbringen von zusätzlicher Druckspannung auf die lasergehärtete Oberfläche über Hohlkehlwalzen, sodass die einheitliche Tiefe d während eines anschließenden Schleifvorgangs entlang der gesamten Länge l beibehalten wird. Die Oberfläche kann die Freistiche, Scheitel, Endbereiche und einen mittigen Bereich der Hohlkehle beinhalten. Die gehärtete Tiefe d der Oberfläche kann etwa 1,0 mm betragen. Die Oberfläche kann etwa 80 bis 100 % Hohlkehlenberührungsfläche beinhalten. Die Welle kann eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle sein. Das Hohlkehlwalzen kann mit etwa 5 bis 15 kN durchgeführt werden. Die Hohlkehle kann ein Hauptlagerzapfen, ein Kurbelzapfen oder ein Wellenende sein. Der anschließende Schleifvorgang kann Aufarbeiten beinhalten.
In einer alternativen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bearbeiten einer Hohlkehle offenbart. Das Verfahren beinhaltet Laserhärten einer Freistich-zu-Freistich-Oberfläche einer grünbearbeiteten Hohlkehle auf eine einheitliche Tiefe d zum einheitlichen Induzieren von Druckspannungen in der Oberfläche. Das Verfahren beinhaltet ferner Aufbringen von zusätzlicher Druckspannung auf die lasergehärtete Oberfläche über Hohlkehlwalzen, sodass die einheitliche Tiefe d entlang der gesamten Oberfläche beibehalten wird. Die Oberfläche kann die Freistiche, Scheitel, Endbereiche und einen mittigen Bereich der Hohlkehle beinhalten. Die einheitliche Tiefe d der Oberfläche kann etwa 1,0 mm betragen. Die Oberfläche kann etwa 80 bis 100 % Hohlkehlenberührungsfläche beinhalten. Die Welle kann eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle sein. Das Hohlkehlwalzen kann mit etwa 5 bis 15 kN durchgeführt werden. Die Hohlkehle kann ein Hauptlagerzapfen, ein Kurbelzapfen oder ein Wellenende sein. Die einheitliche Tiefe d kann während eines anschließenden Vorgangs bzw. anschließender Vorgänge entlang der gesamten Oberfläche beibehalten werden.
In noch einer alternativen Ausführungsform wird eine Wellenhohlkehle offenbart. Die Welle beinhaltet eine Freistich-zu-Freistich-Fläche, die durch und zwischen Außenkanten von zwei Freistichbereichen der Hohlkehle definiert ist, wobei eine Gesamtheit der Fläche auf eine einheitliche Tiefe d lasergehärtet wird, um eine Schicht zu bilden, die gehärtete Abschnitte enthält, die dazu konfiguriert sind, zusätzliche Druckspannung über Hohlkehlwalzen ohne Bruch aufzunehmen. Die Tiefe d kann etwa 1,0 mm betragen. Die Hohlkehle kann ein Hauptlagerzapfen, ein Kurbelzapfen oder ein Wellenende sein. Die Fläche kann die Freistiche, Scheitel, Endbereiche und einen mittigen Bereich der Hohlkehle beinhalten.
Figurenliste

1 stellt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs dar, die eine Kurbelwelle und eine Nockenwelle gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet;
2 stellt eine perspektivische Ansicht einer lasergehärteten Kurbelwelle dar;
3 stellt eine perspektivische Ansicht einer lasergehärteten Nockenwelle dar;
4A stellt eine schematische Querschnittsansicht eines lasergehärteten Hauptlagerzapfens der in 2 dargestellten Kurbelwelle dar, wobei die Zapfenfläche eine Einsatztiefe von weniger als etwa 1 mm aufweist;
4B stellt eine schematische Querschnittsansicht eines lasergehärteten Hauptlagerzapfens einer Kurbelwelle nach dem Stand der Technik dar, wobei die Zapfenfläche eine Einsatztiefe von etwa 1,2 mm aufweist;
4C stellt eine schematische Querschnittsansicht eines induktionsgehärteten Hauptlagerzapfens einer Kurbelwelle nach dem Stand der Technik dar, wobei die Zapfenfläche eine Einsatztiefe von etwa 2,5 mm aufweist;
5 stellt eine perspektivische Ansicht eines lasergehärteten Abschnitts einer in 2 dargestellten Kurbelwelle dar;
6 stellt eine perspektivische Ansicht eines induktionsgehärteten Abschnitts einer Kurbelwelle nach dem Stand der Technik dar, die induktionsgehärtete Oberflächen aufweist; und
7 stellt eine schematische Querschnittsansicht eines zum Hohlkehlwalzen vorbereiteten lasergehärteten Hauptlagerzapfens der in 2 dargestellten Kurbelwelle dar, wobei sich die lasergehärtete Oberfläche über die gesamte Länge zwischen zwei Außenkanten von zwei Freistichbereichen erstreckt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier 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 könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen veranschaulichter Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Abmessungen oder Materialeigenschaften angeben, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Offenbarung als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen.
Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen dieser Abkürzung in dieser Schrift und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik bestimmt, die vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde.
Kurbelwellen und Nockenwellen sind grundlegende Merkmal in einem Kraftfahrzeugmotor. 1 stellt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Kurbelwelle 10 und Nockenwelle 12 als innere Abschnitte einer Brennkraftmaschine 14 dar. Eine Kurbelwelle 10 ist ein mechanisches Teil, das dazu in der Lage ist, eine Umwandlung zwischen einer Hin- und Herbewegung und Rotationsbewegung durchzuführen. In einer Brennkraftmaschine 14 eines Fahrzeugs übersetzt eine Kurbelwelle 10 die Hin- und Herbewegung der Kolben 16 in eine Rotationsbewegung, die ermöglicht, dass die Räder ein Fahrzeug vorantreiben. Die Kurbelwelle 10 kann eine beliebige Kurbelwelle 10 innerhalb des Zylinderblocks oder in dem Zylinderkopf sein. Die Kurbelwelle 10 ist mit einem Schwungrad 18, unter Verwendung von Lagern an einer Reihe von Hauptlagerzapfen 20 mit einem Motorblock (nicht dargestellt) und über ihre jeweiligen Stangen 22 mit den Kolben 16 verbunden, sodass alle Kolben 16 eines Motors 14 an der Kurbelwelle 10 angebracht sind. Die Kurbelwelle 10 reguliert die Bewegung der Kolben 16, wenn sie die Kolben 16 innerhalb der Zylinder (nicht dargestellt) nach oben und unten bewegt. Die Kurbelwelle 10 weist eine lineare Achse 24 auf, um die sie sich dreht, wobei typischerweise mehrere Lagerzapfen 20 auf austauschbaren Lagern sitzen, die sich in dem Motorblock (nicht gezeigt) befinden.
1 veranschaulicht ferner eine beispielhafte Nockenwelle 12. Die Nockenwelle 12 kann eine beliebige Nockenwelle 12 innerhalb des Zylinderblocks oder in dem Zylinderkopf sein. Eine Nockenwelle 12 wird dazu verwendet, Ventile 26 von Brennkraftmaschinen mit Kolben 16 zu betätigen. Sie besteht aus einer zylindrischen Stange 28, die über die Länge der Zylinderbank (nicht dargestellt) verläuft, und einer Reihe von Erhebungen 30, die davon hervorstehen, einer für jedes Ventil 26. Die Erhebungen 30 drängen die Ventile 26 in eine offene Stellung, indem sie auf das Ventil 26 drücken, wenn 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 gemeinsam mit dieser.
Kurbelwellen 10 und Nockenwellen 12 können monolithisch oder aus mehreren Teilen zusammengebaut sein. Typischerweise sind diese Wellen 32 durch Walzschmieden oder Eisenguss aus einem Stahlstab geschmiedet. Der Fertigungsprozess beinhaltet eine Reihe von Schritten, typischerweise bis zu 25 Vorgänge einschließlich Grobbearbeitung der Kurbelwelle, Härten, Schleifen oder Drehen und Polieren. Die meisten Stahlwellen 32 weisen induktionsgehärtete Zapfenoberflächen auf, um ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Einige Kraftfahrzeugwellen in Großserie und die meisten Hochleistungswellen verwenden einen kostspieligeren Nitrierprozess. Aufkohlung und Flammhärten sind andere beispielhafte Verfahren zum Härten. Alle diese Techniken weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, von denen einige nachstehend erörtert werden.
Der Induktionshärteprozess weist inhärente Nachteile bezüglich der Abdeckung der Zapfenfläche auf, da Induktionshärten aufgrund des Wesens des induktiven Felds zu einer Musterverbreitung und Überhitzung bestimmter Bereiche führt. Die Schwierigkeit der Handhabung der physikalischen Eigenschaften eines Induktionsfelds liegt darin, es auf gewünschte Bereiche anzuwenden, während unerwünschte Bereiche gemieden werden. Der Stromfluss um Schmierbohrungen während des Induktionshärteprozesses führt typischerweise zu Auswölbungs- und Einschnürungszuständen. Zusätzlich ist die axiale Platzierung von Induktoren oftmals problematisch. Spulen und Rezepte müssen so ausgestaltet sein, dass sowohl metallurgische Beschädigung in dem Abschrägungsbereich als auch Mustereintritt in Freistiche verhindert werden. Diese Faktoren führen typischerweise zu Kompromissen bezüglich der Härte, Oberflächenabdeckung und Breite des Oberflächenhärtemusters. Um eine höhere prozentuale Oberflächenabdeckung zu erlangen, ist eine Änderung bei der Zapfenausgestaltung zu einer tangentialen Zapfenausgestaltung vorgeschlagen worden. Doch die Änderung der Ausgestaltung führt nach wie vor zu zusätzlichen Kompromissen bei der Fertigung in Bezug auf das Schleifen und Polieren.
Zusätzlich induzieren die typischen Einsatzhärteverfahren Verzug der Welle. Zum Beispiel führt Induktionshärten zu 50 bis 70 µm Verzug oder mehr in der Wellenachse. Deshalb ist es gängig, dass die im Endbearbeitungsprozess entfernte Materialmenge und Positionierungsfehler während des Prozesses berücksichtigt werden und zu der gewünschten endgültigen Einsatztiefe addiert werden. Dies erfordert, dass die Einsatzhärtetiefe erhöht wird, was dadurch erreicht werden kann, dass die Wärmezeit und Frequenz der Leistungszufuhr erhöht werden. Hochfrequentes Induktionshärten erzeugt typischerweise eine Einsatztiefe von etwa 1,5 mm bis 3 mm, was eine angemessene Einsatztiefe darstellt und Aufarbeitung ohne anschließende Nachbehandlung ermöglicht. Das Produkt erfordert jedoch Schleifen nach dem Behandeln. Somit beträgt die typische Einsatztiefe vor dem Schleifen etwa 1,5 mm bis 3 mm, doch die Einsatztiefe einer induktionsgehärteten Kurbelwelle oder Nockenwelle in einem endbearbeiteten Zustand beträgt nicht weniger als 0,5 mm. Flachere Einsatztiefen können aufgrund des Niveaus der handhabbaren Feldstärke und Abschrecküberwachung nicht durch den Induktionsprozess erreicht werden.
Des Weiteren führt der Endbearbeitungsprozess zu einer relativen Zunahme bei den Zugeigenspannungen. Um Zugspannungen zu verhindern, müssen Schleifzyklen mit geringerer Produktivität eingesetzt werden. Um die absolute Spannung zu messen, muss eine kostspielige und zeitaufwändige Röntgenbeugung verwendet werden. Trotz dieser Bemühungen führt die Schleif-Härte-Abfolge stets zu einem gewissen Verlust von wünschenswerter Druckspannung. Die Druckeigenspannung in den Zapfenoberflächen hilft dabei, Rissbildung zu verhindern, und ist im Allgemeinen gut für die Ermüdungseigenschaften.
Die typischen Härteverfahren stellen zusätzliche Nachteile dar. Zum Beispiel werden Spulen zum Induktionshärten verwendet. Diese Kupferspulen müssen jedes Mal ausgetauscht werden, wenn eine neue Geometrie an einem Zapfen eingeführt wird. Ein derartiger Austausch ist sehr kostspielig und zeitaufwändig. Des Weiteren stellen ein Abschreckfluid und starkes elektromagnetisches Feld, die während des Induktionshärtens verwendet werden, umwelt- und gesundheitsbezogene Herausforderungen dar.
Nitrieren weist ebenfalls eine Reihe von Nachteilen auf. Zum Beispiel handelt es sich um einen relativ zeitaufwändigen Prozess, der mindestens 8 Stunden dauert. Zusätzlich ist die daraus resultierende Tiefe der gehärteten Oberfläche relativ flach, etwa 0,01 mm bis 0,015 mm nach einem mindestens 8-stündigen Prozess, und die Welle muss nachbehandelt werden, falls sie jemals zur Wartung nachgeschliffen wird. Während tiefere Tiefen über Nitrieren erlangt werden können, ist eine erheblich längere Zeit erforderlich, um die tieferen Tiefen als 0,015 mm zu erreichen. Die-maximale Einsatztiefe ist auf etwa 0,5 mm begrenzt und die Zeit zum Erreichen dieser Tiefe beträgt etwa 120 Stunden, was dieses Verfahren für Anwendungen in Großserie unpraktikabel macht. Nitrieren erzeugt zudem eine unerwünschte weiße Schicht auf der Oberfläche der Welle, die durch Polieren der Oberfläche nach dem Bearbeiten entfernt werden muss.
Zusätzlich dazu ist die Ermüdungsfestigkeit von Zapfen bei Kurbelwellen traditionell durch Erhöhen der Druckspannung des Zapfens durch Walzen oder das vorstehend erwähnte Induktionshärten/Nitrieren verbessert worden. Dennoch wird traditionell keine Kombination beider Verfahren verwendet, da die induktionsgehärtete martensitische Mikrostruktur auch in einem getemperten Zustand spröde und für Rissbildung anfällig ist, insbesondere wenn anschließende mechanische Hohlkehlwalzbeanspruchungen aufgebracht werden.
Falls sowohl Hohlkehlwalzen als auch Induktionshärten eingesetzt werden, lassen sich hohe Bruchhäufigkeiten beobachten. Noch ferner werden Richtfunktionen nach dem Walzprozess, der normalerweise in der Hohlkehlwalzmaschine nach dem Weichwalzen durchgeführt wird, im Allgemeinen ausgelassen, und es müssen höhere Schleifabtragniveaus eingesetzt werden, um den Wellenverzug durch die Wärmebehandlung auszugleichen. Die potentiellen Bruchzonen fallen mit Spitzenspannungsflächen innerhalb der Kurbelwelle im Betrieb zusammen, was zu einem Ermüdungsausfall der Kurbelwelle oder des Motors führen kann. Um ein derartiges Ereignis zu verhindern, erfordern alle derartigen Kurbelwellen eine Überprüfung mit Magnetpulverprüfung (magnetic particle inspection - MPI), die einen arbeits- und zeitintensiven Prozess mit subjektiven Ergebnissen und nur 80%iger Wirksamkeit aufgrund des erforderlichen menschlichen Elements darstellt.
Deshalb wäre es wünschenswert, ein Verfahren zum Oberflächenhärten bei Wellen bereitzustellen, das eine oder mehrere Beschränkungen der bisher erfundenen Fertigungsverfahren beheben würde. Es wäre wünschenswert, ein verzugsarmes Härteverfahren bereitzustellen, das die insgesamt gehärtete Zapfenfläche vergrößern würde, ein breiteres Oberflächenhärtemuster von Zapfenoberflächen ermöglichen würde und Einschnürung sowie die Notwendigkeit des Ausschleifens der Verzüge, die während des Induktionshärteprozesses auftreten, beseitigen würde. Zusätzlich wäre es wünschenswert, ein Härteverfahren zu entwickeln, das die Weichzone um die Schmierbohrung an einem Zapfen beseitigen würde. Zusätzlich dazu wäre es wünschenswert, ein flexibles Härteverfahren bereitzustellen, das zu Kosten- und Zeitersparnissen führen, die Taktzeit reduzieren, die Notwendigkeit von Schleifabtrag von der Gesamteinsatztiefe bei der Endbearbeitung beseitigen, die Werkzeugausrüstung mit Kupferspulen beseitigen und die Umweltsicherheit durch Beseitigen von Abschreckfluid und starkem elektromagnetischem Feld erhöhen würde.
Es wäre zudem wünschenswert, ferner die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen, eine einheitlichere Einsatztiefe über die gesamte Zapfenoberfläche bereitzustellen und den Überprüfungsprozess für das Einsatzmuster zu vereinfachen.
Laserhärten stellt ein alternatives Verfahren zum Härten von Präzisionszapfenoberflächen für verbesserte Verschleißeigenschaften dar. Doch der Schwerpunkt aktueller Laserverfahren lag bisher auf der Nachbildung von Induktionsmustern und Einsatztiefen. Die maximale Einsatztiefe des Lasers ist durch die metallurgische Oberflächenbeschädigung begrenzt, die durch Überhitzung verursacht wird. Somit beträgt die lasergehärtete Einsatztiefe vor dem Schleifen an einer typischen lasergehärteten Kurbelwelle etwa 1,2 mm. Im Gegensatz zu induktionsgehärteten Einsatztiefen können lasergehärtete minimale Einsatztiefen risikolos erreicht werden. Bei einer maximalen Tiefe von etwa 1,2 mm gibt die Überhitzung der Freistichbereiche die Breite des Härtemusters bezüglich der Ermüdungserscheinungen der Kurbelwelle vor und begrenzt das Härtemuster auf bis zu etwa 85 % der Zapfenfläche.
Es ist nun überraschend herausgefunden worden, dass die Anforderungen an die minimale Einsatztiefe unter 1,2 mm reduziert werden können, während zufriedenstellende Verschleißeigenschaften bereitgestellt werden, was die Aufarbeitung oder das Nachschleifen der Komponenten ohne Nachbehandlung ermöglicht und den Durchsatz bei dem Laserhärteprozess maximiert. Da die Einsatztiefe des Laserhärteprozesses die Verarbeitungszeit beeinflusst, reduziert das Senken der Anforderungen an die Einsatztiefe zusätzlich die Taktzeit erheblich um bis zu 50 % oder mehr.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren bereitgestellt, das beinhaltet, dass eine Welle 10, 12 Laserhärten unterzogen wird, insbesondere Laserhärten von einer oder mehreren Flächen einer Welle 10, 12. 2 und 3 stellen nicht einschränkende Beispiel für eine Kurbelwelle 10 bzw. eine Nockenwelle 12 dar. Jede Welle 10, 12 beinhaltet eine oder mehrere Oberflächen 34, die zu härten sind, die ein Band 35 um einen Umfang des Zapfens bilden. 2 stellt eine beispielhafte Kurbelwelle 10 dar, die ein Wellenende 36 an dem ersten Ende 38, Hauptlagerzapfen 20 und Kurbelwellen-/Kurbelzapfen 40, die mit einer Vielzahl von Gegengewichten oder Lagern 42 über Freistichbereiche (nicht dargestellt) verbunden sind, und ein Schwungrad 18 an dem zweiten Ende 44 aufweist. Die Hauptlagerzapfen 20, auch als die Grundlagerzapfen oder -hohlkehlen bezeichnet, beinhalten eine Schmierbohrung 46, die der Verteilung von Schmieröl an die Lager dient. Die Kurbelzapfen 40, auch als Pleuelzapfen oder Pleuelzapfenhohlkehlen bekannt, beinhalten ebenfalls eine Schmierbohrung 46. Die Kurbelwelle 10 beinhaltet ferner Ölkanäle, die die Schmierung ermöglichen und nicht dargestellt sind. Die Kurbelwelle 10 kann ferner einen Dichtring 48 beinhalten, der an dem Schwungrad 18 angeordnet ist. 3 stellt ein nicht einschränkendes Beispiel für eine Nockenwelle 12 dar, die eine zylindrische Stange 28, eine Vielzahl von Hauptlagerzapfen 20 und eine Vielzahl von Erhebungen 30 aufweist.
Wie in 2 und 3 dargestellt, können die zu härtenden eine oder mehreren Oberflächen 34 eine Oberfläche an einem Hauptlagerzapfen 20, einem Kurbelzapfen 40, einem Dichtring 48, einer Erhebung 30 oder einer Lauffläche 62 beinhalten. Die Anzahl von Hauptlagerzapfen 20, Kurbelzapfen 40, Dichtringen 48, Erhebungen 30 und ihrer jeweiligen zu härtenden Oberflächen kann abweichen und von den wünschenswerten Parametern der Welle 32, die gefertigt wird, abhängen. Eine Lauffläche 62 kann eine zylindrische oder abgesetzte Oberfläche an einer beliebigen Oberfläche in Berührung mit einem Zapfen sein, wie etwa eine Buchsenoberfläche 64 oder eine abgesetzte Wandoberfläche 66.
Das Verfahren kann einen Schritt des Erzeugens eines Oberflächenhärtemusters anhand eines 3D-Modells der Welle 32, die lasergehärtet werden soll, beinhalten. Das Verfahren kann einen Schritt des Programmierens einer Mikroprozessoreinheit (microprocessor unit - MPU) zum Erzeugen des Oberflächenhärtemusters beinhalten. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das erzeugte Oberflächenhärtemuster eine Reihe von vorausgewählten Punkten, einen Abschnitt der oder die gesamte Oberflächengeometrie der Welle 10, 12 beinhalten. Das Oberflächenhärtemuster kann eine oder mehrere Oberflächen 34 an einem bzw. einer oder mehreren Hauptlagerzapfen 20, Kurbelzapfen 40, Erhebungen 30, Dichtringen 48 oder Laufflächen 62 beinhalten.
Das Verfahren kann Bestimmen von Abmessungen der zu härtenden Fläche beinhalten. Das Verfahren kann einen Schritt des Einstellens einer Brennfleckgröße des Laserstrahls gemäß den Abmessungen der zu härtenden Fläche beinhalten, insbesondere der Tiefe und Breite der zu härtenden Fläche 34. Das Verfahren kann einen Schritt des Richtens eines Laserstrahls von dem Laseraggregat auf die Oberfläche 34 der Welle 10, 12, die lasergehärtet werden soll, gemäß dem Oberflächenhärtemuster beinhalten. Das Verfahren kann Einstellen eines oder mehrerer Parameter des Oberflächenhärtemusters vor und/oder während des Laserhärtevorgangs beinhalten.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Laserhärten durch mindestens ein Laseraggregat ermöglicht werden. Eine Vielzahl von Laseraggregaten kann verwendet werden.
Zum Beispiel kann ein Laseraggregat zum Tempern der zu härtenden Oberflächen 34 verwendet werden. Ein derartiger Laser könnte ein Niedrigleistungslaser sein, wie etwa ein Laser mit 1,0 kW. Das zweite Laseraggregat könnte ein Hochleistungslaseraggregat sein, das das Härten ermöglicht. Das Hochleistungsaggregat könnte zum Beispiel ein Laser mit 6,0 kW sein. Es kann ein Laseraggregat verwendet werden, das eine andere Leistung aufweist, zum Beispiel kann ein beliebiger Laser, der eine Leistung in dem Bereich von 500 W bis 50 kW aufweist, geeignet sein. Alternativ können sowohl Tempern als auch Härten durch ein Laseraggregat ermöglicht werden. Alternativ dazu kann das Tempern ausgelassen werden, da die Lasermikrostruktur weniger als 100 % martensitisch ist. Die während des Härteprozesses zu erreichende Temperatur sollte etwa 1260 °C nicht überschreiten, um das Überhitzen des Wellenmaterials zu verhindern.
Das Verfahren erwägt das Verwenden von unterschiedlichen Arten von Lasern als Wärmequelle für den Härtevorgang. Zu beispielhaften nicht einschränkenden Beispielen für geeignete Laser gehören Laser, die unterschiedliche Arten von aktiven Verstärkungsmedien aufweisen. Die Verstärkungsmedien können Flüssigkeit beinhalten, wie etwa Farbstofflaser, bei denen die chemische Zusammensetzung des Farbstoffs die Betriebswellenlänge bestimmt. Die Flüssigkeiten können organische chemische Lösungsmittel wie etwa Methanol, Ethanol und Ethylenglycol sein, die einen Farbstoff wie etwa Cumarin, Rhodamin und Fluorescein enthalten. Die Verstärkungsmedien können Gas wie etwa CO₂, Ar, Kr und/oder Gasgemische wie etwa He-Ne beinhalten. Das Verstärkungsmedium kann Metalldampf wie etwa Cu, HeCd, HeHg, HeSe, HeAg oder Au sein. Das Verstärkungsmedium kann Feststoffe wie etwa Kristalle und Glas beinhalten, die üblicherweise mit einem Fremdstoff wie etwa Cr-, Nd-, Er- oder Ti-Ionen dotiert sind. Die Festkristalle können YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), YLF (Yttrium-Lithium-Fluorid), LiSAF (Lithium-Strontium-Aluminium-Fluorid) oder Saphir (Aluminiumoxid) beinhalten. Zu nicht einschränkenden Beispielen für Festkörper-Verstärkungsmedien, die mit einem Fremdstoff dotiert sind, gehören Nd:YAG, Cr: Saphir, Cr:LiSAF, Er:YLF, Nd:Glas oder Er:Glas. Das Verstärkungsmedium kann Halbleiter beinhalten, die eine einheitliche Dotierstoffverteilung aufweisen, oder ein Material mit abweichenden Dotierstoffniveaus, bei dem die Bewegung von Elektronen zu Laserwirkung führt. Zu nicht einschränkenden Beispielen für Halbleiter-Verstärkungsmedien gehören InGaAs, GaN, InGaN und InGaAsP. Der Laser kann ein Hochleistungsfaserlaser sein, der anhand von aktiven optischen Fasern, die mit Seltenerdionen dotiert sind, und Halbleiterdioden als Lichtquelle zum Pumpen der aktiven Fasern erzeugt wird.
Das mindestens eine Laseraggregat kann mit der MPU verbunden sein, die auch als Hauptprozessor bekannt ist und dazu in der Lage ist, digitale Daten als Eingabe aufzunehmen, die Daten gemäß in ihrem Speicher gespeicherten Anweisungen zu verarbeiten und Ausgaben bereitzustellen. Die MPU kann mathematische Modellierungssoftware beinhalten, die dazu in der Lage ist, Eingabedaten zu verarbeiten. Zu beispielhaften Eingabedaten können Informationen zu einem 3D-Modell einer Welle 32, die zu härtende Oberflächen 34 aufweist; Parameter für eine neue Geometrie, wie etwa Härtebreite, Energiebilanz oder dergleichen; Parameter in Bezug auf Schmierbohrungen wie etwa der Schmierbohrungsradius, Versatz von dem Mittelpunkt eines Zapfens oder dergleichen gehören.
Das Verfahren setzt Laserhärten in die Tiefe von weniger als 1,2 mm, 1,0 mm, 0,8 mm oder 0,5 mm um. Bei diesen Tiefen sowie tieferen Einsatztiefen ist der Verzug der Hauptlagerzapfen 20 im Vergleich zu Induktionshärten nur minimal. Der durch Laserhärten verursachte Verzug der Hauptlagerzapfen 20 kann etwa 5 µm bis 10 µm betragen. Im Vergleich dazu kann eine induktionsgehärtete Welle etwa 50 µm bis 70 µm Verzug oder mehr an den Hauptlagerzapfen aufweisen. Deshalb sind die Verzugsniveaus beim Laserhärteprozess selbst bei tieferen Tiefen derart beschaffen, dass der wärmebedingte Verzug handhabbar ist. Die lasergehärtete Einsatztiefe kann zudem auf weniger als etwa 1 mm reduziert werden, da die Berücksichtigung des Schleifabtrags zum Ausgleichen der Verzüge beim Induktionshärten nicht mehr notwendig ist. Dies ermöglicht wiederum eine erheblich kürzere Taktzeit. Das Erhöhen der Abtastgeschwindigkeiten bei den gleichen oder niedrigeren Leistungsniveaus kann das Härten von flacheren Einsatztiefen in einer kürzeren Zeit erreichen.
Das Verfahren kann Härten von einer oder mehreren Oberflächen 34 auf die Einsatztiefe von etwa 0,05 mm bis 1,1 mm, 0,15 mm bis 0,8 mm oder 0,2 mm bis 0,5 mm beinhalten. Falls die Anforderungen an das Endprodukt etwa 0,2 mm betragen, kann das Härten auf die Tiefe von 0,6 mm bis 0,7 mm erfolgen. Laserhärten kann bis zu 50 % Taktzeit einsparen, die mit dem Härten einer Welle 32 in Zusammenhang steht, die eine Einhärtetiefe von mehr als etwa 1,2 mm erfordert. Eine flachere Einhärtung als etwa 0,5 mm trägt zu einer noch kürzeren Taktzeit bei, da weniger Zeit zum Abtasten und Anwenden von Wärme auf die Oberflächen 34 erforderlich ist. Im Gegensatz zu Wellen nach dem Stand der Technik kann die lasergehärtete Welle 32 der vorliegenden Offenbarung nachgeschliffen und/oder aufgearbeitet werden, ohne den Härtevorgang zu wiederholen, selbst wenn die Einsatztiefe nur etwa 0,2 mm beträgt.
Die flache Einsatztiefe von weniger als etwa 1 mm ermöglicht ein breiteres Laserhärtemuster als die Muster, die erreichbar sind, während eine tiefere Einsatztiefe als etwa 1,2 mm umgesetzt wird. Das Muster kann sich näher zu den Kanten der Oberflächen 34 erstrecken oder die eigentlichen Kanten der Oberflächen 34 erreichen. Das breitere Muster kann bis zu 100 % Fläche der einen oder mehreren Oberflächen 34, die lasergehärtet werden sollen, beinhalten, sodass das Band 35 keine ungehärteten Abschnitte 58 beinhaltet. Das breitere Muster beinhaltet mehr als 80 %, 85 %, 90 %, 95 % oder 99 % der einen oder mehreren Oberflächen 34, die lasergehärtet werden sollen, und/oder des Bands 35. Wie in 4A zu sehen ist, die ein Profil einer beispielhaften Zapfenberührungsfläche darstellt, die lasergehärtet 34 ist und eine flache Einsatztiefe von weniger als etwa 1 mm aufweist, erstreckt sich die lasergehärtete Fläche von dem Scheitel 68 zu dem Scheitel 68', der durch zwei Freistichbereiche 50 definiert ist.
Im Vergleich dazu können nur bis zu 80 % einer Zapfenfläche 134, die eine Tiefe von etwa 1,2 mm aufweist, lasergehärtet werden, wie es 4B veranschaulicht. Das Laserhärten eines breiteren Musters auf die Tiefe von etwa 1,2 mm könnte die Festigkeit des Zapfens gefährden, da es Zustände induzieren könnte, die ein Risiko für anschließende Hohlkehlwalzvorgänge erzeugen und/oder die Freistichbereiche 50 durch Überhitzung negativ beeinflussen. Die in 4B dargestellte lasergehärtete Schicht 152 erreicht die Scheitel 168, 168' nicht. Außerdem können nur bis zu 85 % einer in 4C dargestellten Zapfenfläche 234, die eine Einsatztiefe von etwa 2,5 mm aufweist und durch einen Induktionsprozess gehärtet wird, gehärtet werden. Ebenso wie die Schicht 152 in 4B ist die in 4C veranschaulichte lasergehärtete Schicht 252 nicht breit genug, um sich über den gesamten Abstand zwischen den Scheiteln 268 und 268', die durch die Freistichbereiche 250 definiert sind, zu erstrecken. Konkret kann Zweischaleninduktionshärten das Härten von nur bis zu 75 % Fläche und orbitales Induktionshärten bis zu 85 % Fläche erreichen. Somit ermöglicht das Bereitstellen von Laserhärten mit flacher Einsatztiefe ein erheblich breiteres Oberflächenhärtemuster. Die ungehärteten Flächen sind in 4B und 4C als 158 bzw. 258 dargestellt.
Eine perspektivische Ansicht eines Zapfens 20, bei dem nahezu 100 % der Zapfenfläche lasergehärtet sind, ist in 5 dargestellt. Wie 5 veranschaulicht, kann der lasergehärtete Zapfen 20 einer Welle 32 eine gehärtete Fläche 52 beinhalten, die zu der Kante 54 der Schmierbohrung 46 direkt benachbart ist und sich zwischen Scheiteln 68, 68' erstreckt, die Kanten 56 der Freistichbereiche 50 definieren. Die Schmierbohrung 46 und die Freistichbereiche 50 sind frei von metallurgischer Umwandlung. Die Fläche der Schmierbohrung 46 und der Freistichbereiche 50 bleibt somit vollständig ungehärtet.
Im Gegensatz dazu ist in 6 ein zweischaleninduktionsgehärteter Zapfen 220 dargestellt. Die gehärtete Fläche 252 an dem Zapfen 240 beinhaltet nicht die zu der Schmierbohrung 246 benachbarte Fläche und die zu den Freistichbereichen 250 benachbarte Fläche. Der Zapfen 220 aus 6 beinhaltet somit die ungehärteten Flächen 258, die weich bleiben. Die Abmessungen der weichen Fläche 258 um die Schmierbohrung 246 können bis zu 2-3 mm radial um die Schmierbohrung 246 reichen. Die weiche Fläche 258 trägt zu unerwünschter Ermüdungsspannung und geringerem Fresswiderstand der Lager bei. Zusätzlich stellt das Induktionshärten der spitzwinkligen Seite der Schmierbohrung 246 andere Herausforderungen dar, wie etwa Schwierigkeit beim Verhindern von Überhitzung der Querschnittsfläche der Schmierbohrung 246. Derartige Überhitzung induziert Beschädigung, die wiederum die Ermüdungsfestigkeit beeinflusst. Das Einstellen des Induktionshärteprozesses zum Abschwächen der Überhitzung würde wiederum zu einem beeinträchtigten Niveau der Härte oder weichen Stellen 258 führen. Zusätzlich kann traditionelles Induktionshärten die Fläche der Schmierbohrung 246 und/oder die Fläche der Freistichbereiche 250 beeinflussen, sodass die Flächen 246 und/oder 250 wärmebeeinflusst werden und unerwünschten metallurgischen Änderungen unterzogen werden.
Wie ferner in 6 zu sehen ist, führt Induktionshärten zu Einschnüren oder Verengen des Induktionsmusters, wenn der Strom um die Schmierbohrung 246 und/oder die Freistichbereiche 250 fließt. Das Nichtvorhandensein von eisenhaltigem Volumen um die Schmierbohrung 246 und die Freistichbereiche 250 führt zu einem höheren Stromfluss, was zu Auswölbung des Musters an der Schmierbohrung 246 und um die Freistichbereiche 250 führt. Um Einschnürung zu verhindern, müssen die Ausgestaltung der Induktionsspule und/oder die Strommenge eingestellt werden, da Einschnürung ein Problem hinsichtlich der Ermüdungsspannung darstellt. Doch wenn die Ausgestaltung der Spule und/oder der Strom reduziert wird, führt die Fläche nahe der Schmierbohrung 246 und den Freistichbereichen 250 zu einem schmaleren, eingeschnürten Muster. Im Gegensatz dazu ist aufgrund des Wesens, der Flexibilität und Präzision des Laserhärtens der lasergehärtete Zapfen 20 frei von Einschnürung, wie es 5 veranschaulicht.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4A-4C ist zu sehen, dass die lasergehärtete Schicht 52 in 4A andere Abmessungen und eine andere Form des Profils aufweist als die gehärteten Schichten 152 und 252, die in 4B bzw. 4C dargestellt sind. Die lasergehärtete Schicht 52 in 4A beinhaltet einen mittigen Bereich 70 und Endbereiche 72. Die Schicht 52 weist eine Länge l₁ auf, der Abstand zwischen den Scheiteln 68 und 68' ist als Länge l₂ bezeichnet. l₁ kann in mindestens einem Abschnitt der Schicht 52, wie etwa dem obersten Abschnitt der Zapfenfläche 34, gleich l₂ sein. Infolgedessen enthält die Scheitel-zu-Scheitel-Berührungsfläche keine ungehärteten Abschnitte. Alternativ kann l₁ über die gesamte Tiefe der Schicht 52 oder über mindestens 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder mehr der Tiefe der Schicht 52 gleich l₂ sein.
Die Schicht 52 kann etwa 1 mm oder weniger tief sein, wie vorstehend beschrieben wurde. Der mittige Bereich 70 kann eine Tiefe d_c aufweisen, die im Wesentlichen über den gesamten mittigen Bereich 70 die gleiche oder konstant sein kann. Die Endbereiche 72 der Schicht 52 können die gleiche oder eine andere Tiefe d_e als die Tiefe des mittigen Bereichs 70 d_c aufweisen. Die Tiefe d_c kann gleich oder größer als d_e sein. Die Tiefe d_e der Endbereiche 72 hängt von der Form der Endbereiche 72 ab. Die Endbereiche 72 können ein im Wesentlichen quadratisches Muster oder eine abgerundete Fläche aufweisen. Andere Formen werden in Erwägung gezogen. Falls zum Beispiel die Form der Endbereiche 72 im Wesentlichen quadratisch ist, kann die Tiefe d_e die gleiche wie die Tiefe d_c oder dieser im Wesentlichen ähnlich sein. Die Tiefe der Schicht 52 kann somit über etwa 70 %, 72 %, 74 %, 76 %, 78 %, 80 %, 84 %, 86 %, 88 %, 90 %, 92 %, 94 %, 96 % oder mehr der Schicht 52 konstant oder im Wesentlichen die gleiche sein.
Im Gegensatz zu der Schicht 52 weist die in 4B dargestellte lasergehärtete Schicht 152 eine größere Tiefe als 1 mm auf, insbesondere etwa 1,2 mm, wie vorstehend erwähnt wurde. Die Endbereiche 172 weisen kein im Wesentlichen quadratisches Profil auf und weisen eine dreieckige Form oder abgerundete Form auf. Somit variiert die Tiefe d_e über die gesamten Endbereiche 172 und ist nicht im Wesentlichen die gleiche wie die Tiefe d_c in dem mittigen Bereich 170. Die Tiefe in dem mittigen Bereich d_c ist größer als die Tiefe in den Endbereichen d_e. Aufgrund der variierenden Tiefe der Endbereiche 172 kann die Tiefe der Schicht 152 über bis zu etwa 65 % der Schicht 152 die gleiche sein. Die Länge l₁ der gehärteten Schicht 152 ist kleiner als der Abstand zwischen den Scheiteln 168 und 168', der als Länge l₂ bezeichnet ist, sodass weiche oder ungehärtete Abschnitte 58 zwischen der Schicht 152 und den Freistichbereichen 150 bleiben.
Ebenso weicht das Profil der induktionsgehärteten Oberfläche 252 von dem Profil der Schicht 52 ab, da die Schicht 252 typischerweise Unregelmäßigkeiten wie etwa Vorsprünge oder Spitzen 269 und einen mittigen konkaven Bereich 270 aufweist. Die Tiefe der Schicht 252 unterscheidet sich somit über die gesamte Schicht 252. Konkret ist die Tiefe d_c innerhalb des mittigen Bereichs 270 aufgrund von Konkavität, die dem Induktionsprozess inhärent ist, geringer als die Tiefe d außerhalb des mittigen Bereichs. Zusätzlich sind die Endbereiche 272 abgerundet, können eine Form eines Dreiecks aufweisen oder beides und weisen kein quadratisches Muster auf. Die Tiefe der Endbereiche 272 d_e unterscheidet sich über die gesamten Endbereiche 272. Die Tiefe d_e ist geringer als die Tiefe d und kann geringer oder größer als d_c sein. Die Tiefe der Schicht 252 kann vor dem Schleifen etwa 2,5 mm bis 3 mm oder größer sein, wie vorstehend erläutert wurde. Aufgrund der variierenden Tiefe der Endbereiche 172, des mittigen Bereichs 270 und der Unregelmäßigkeiten in dem Bereich außerhalb des mittigen Bereichs 270 kann die Tiefe der Schicht 252 nur über bis zu etwa 55 % der Schicht 252 im Wesentlichen die gleiche sein. Die Länge l₁ der Schicht 252 ist geringer als der Abstand zwischen den Scheiteln 268 und 268', der als Länge l₂ bezeichnet ist, sodass ungehärtete Abschnitte 58 zwischen der Schicht 252 und den Freistichbereichen 250 bleiben.
Das Zapfenprofil kann gerade oder kronen- oder fassförmig und somit nicht gerade sein. Geradheit bezieht sich darauf, dass ein Profil einheitlich eben/gerade ist und keine definierte Fassform aufweist. Das Kronenprofil kann einen relativ großen Radius oder ein vorgeschriebenes Fassniveau, das radial durch etwa 1,5 µm bis 3 µm definiert ist, aufweisen. Die Fassform bezieht sich auf eine konvexe Form. Eine Sanduhrform oder konkave Form ist nicht wünschenswert, da sie zu einer isolierten Spitzenbeanspruchung der Zapfen führen kann. Die Fassform kann hinzugefügt werden, um zum Beispiel Durchbiegungen der Zylinderblockspritzwand oder eine Kurbelwellendurchbiegung aufgrund von Zündbeanspruchungen auszugleichen, die effektiv die Pleuelzapfen schließen können, was zu unerwünschter Zapfenbeanspruchung der Hauptlagerzapfen 20 führt. Egal, ob die Profilform gerade oder fassförmig ist, ist ein kontinuierliches Profil erforderlich. Während bei einem Induktionsprozess ein schmaleres Muster verwendet werden oder das Verfahren zum Hohlkehlwalzen und Richten aufgegeben werden muss, kann das Laserverfahren ein Band 35 näher an den Freistichen 50 härten, die ungehärtete Fläche 58 wird reduziert und das anschließende Profil ist im Vergleich zu dem induktionsgehärteten Profil einheitlicher. Das Laserverfahren ermöglicht zudem die Verwendung des Hohlkehlwalzens, was dazu führt, dass Wellen einfacher gerichtet werden, und die Schleifabtragniveaus senkt, während es zudem eine zu nahezu 100 % gehärtete Zapfenfläche 52 bereitstellt, während die effektive Lagerbreite erhöht wird.
Der Unterschied zwischen den in 4A-4C dargestellten Profilen kann zudem als die Änderungsrate des Profils ausgedrückt werden. Die Änderungsrate kann als µm-Änderung bei einer Länge definiert sein. Da die Unregelmäßigkeiten bei dem Profil wie etwa die vorstehend erwähnten Spitzen 269 und die Konkavität in dem mittigen Bereich 270 zu einem Zapfenausfall führen können, ist die Beseitigung der Unregelmäßigkeiten und Konkavität ein Ziel. Ein geraderes Profil oder ein Profil mit einer geringeren Änderungsrate des Profils stellt mehr Berührungsfläche bereit, um Lagerabstützung bereitzustellen, was sich auf eine erhöhte Lebensdauer des Zapfens überträgt. Die induktionsgehärtete Schicht 252 weist typischerweise die Änderungsrate von etwa 1 µm bei 2-3 mm auf. Unter Verwendung des hier offenbarten Verfahrens kann eine Änderungsrate von 1 µm bei 2 mm oder weniger erreicht werden. Das Laserhärten ermöglicht somit ein höheres Maß an Kontrolle über die Geradheit des Profils und/oder Profileinheitlichkeit als Induktionshärten.

Die Änderungsrate und Geradheit der laserwärmebehandelten Oberflächen an den Hauptlagerzapfen 20 einer Kurbelwelle wurden über eine Messmaschine des Typs Adcole High-Speed Crankshaft Gage gemessen, die durch die Adcole Corporation gefertigt wird. Die Maschine stellt durch Roboter gespeiste 100%ige Kurbelwellenüberprüfung bereit, die Genauigkeit im Submikronbereich aufweist und einen anerkannten Standard bei der Nockenwellen- und Kurbelwellenmessung darstellt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 bereitgestellt. Die induktionsgehärteten Oberflächen an den Hauptlagerzapfen 220 einer induktionsgehärteten Kurbelwelle wurden unter Verwendung der gleichen Maschine erlangt und die Ergebnisse davon sind in der nachstehenden Tabelle 2 angeführt. Der Vergleich der Daten in beiden Tabellen zeigt, dass die durchschnittliche Geradheit, die durch die Laserwärmebehandlung erreicht werden kann, nahezu 50 % besser ist als die Geradheit, die über einen Induktionsprozess erzielt werden kann. Tabelle 1: Geradheit von lasergehärteten Oberflächen von Hauptlagerzapfen an einer lasergehärteten Kurbelwelle

Kurbelwelle Nr.	Geradheit von Hauptlagerzapfen 1 [µm]	Geradheit von Hauptlagerzapfen 2 [µm]	Geradheit von Hauptlagerzapfen 3 [µm]	Geradheit von Hauptlagerzapfen 4 [µm]	Durchschnittliche Geradheit [µm]
1	1,4	1,9	1,9	1,3	1,6
2	1,2	1,8	1,7	1,7	1,6
3	1,2	1,8	1,4	1,5	1,5
4	1,0	1,9	1,6	1,8	1,6
5	1,1	1,5	1,5	2,0	1,5
6	1,4	1,2	0,7	1,2	1,1
7	1,6	1,5	0,8	1,5	1,4
8	0,9	1,2	0,9	2,0	1,3
9	1,1	1,3	1,1	1,8	1,3
10	1,4	1,9	1,0	1,5	1,5

Tabelle 2: Geradheit von induktionsgehärteten Oberflächen von Hauptlagerzapfen an einer induktionsgehärteten Kurbelwelle

Kurbelwelle Nr.	Geradheit von Hauptlagerzapfen 1 [µm]	Geradheit von Hauptlagerzapfen 2 [µm]	Geradheit von Hauptlagerzapfen 3 [µm]	Geradheit von Hauptlagerzapfen 4 [µm]	Durchschnittliche Geradheit [µm]
1	1,6	2,3	2,4	2,1	2,1
2	2,1	2,7	3,2	2,5	2,6
3	2,1	2,6	3,5	2,2	2,6
4	1,9	2,9	2,7	2,6	2,5
5	2,7	2,9	3,5	2,6	2,9
6	2,1	2,4	3,6	3,1	2,8
7	1,6	2,2	2,1	1,8	1,9
8	1,8	2,0	2,4	2,0	2,1
9	2,0	2,2	2,3	2,1	2,2
10	1,9	2,1	2,4	2,0	2,1

Aufgrund vorstehend erwähnter Vorteile kann Laserhärten angewendet werden, wenn es wünschenswert ist, alle Zapfenoberflächen außer den Freistichbereich 50, die Schmierbohrung 46 oder eine Kombination daraus zu härten. Somit können Kurbelwellen 10, die das Härten einer Dichtungsoberfläche erfordern, ebenfalls über Laserhärten verarbeitet werden. Das Verfahren kann ebenso auf Nockenwellen 12 angewendet werden. Einer der Vorteile des Laserhärtens von Oberflächen einer Nockenwelle 12 wie etwa Hauptlager-/Nockenzapfen 20 oder Erhebungen 30 ist das Begrenzen der Überhitzung dieser Oberflächen, die typischerweise aufgrund eines Mangels an Wärmeableitung zum Überhitzen neigen können. Somit könnte ein schmales Härtemuster, das für die Nockenzapfen 20 und Erhebungen 30 typisch ist, auf bis zu 80 %, 90 % oder 100 % der Nockenzapfenoberfläche oder Erhebungsoberfläche verbreitert werden, während metallurgische Beschädigung an den Oberflächen verhindert wird.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren zusätzliche Fertigungsschritte beinhalten, nachdem die Welle 32 lasergehärtet wird. In mindestens einer Ausführungsform kann das Verfahren Polieren beinhalten. Polieren kann ein beliebiges herkömmliches Verfahren zum Polieren einer Metalloberfläche einer lasergehärteten Welle 32 beinhalten. Das Verfahren kann die Entfernung einer gewissen Menge von Materialabtrag beinhalten.
Zusätzlich dazu kann das vorstehend beschriebene Verfahren eine kontinuierliche, zu nahezu 100 % gehärtete Zapfenfläche bereitstellen, während keinerlei Eintritt in die Freistichermüdungsfläche 50 sichergestellt wird, der andernfalls ein Risiko hinsichtlich der Dauerhaftigkeit darstellt. Das Verfahren stellt zudem einen zusätzlichen Vorteil gegenüber induktionsgehärteten tangentialen Ausgestaltungen von Hohlkehlen dar.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der vorstehend beschriebene Laserprozess Hohlkehlwalzen verwenden, was das Richten der Welle 32 vor dem Schleifen ermöglicht, sodass der Schleifabtrag reduziert werden kann. Somit bietet die Verwendung der Lasertechnik und des Hohlkehlwalzens eine zu bis zu 100 % gehärtete Zapfenoberfläche und Walzrichten. Andererseits muss zum Erreichen eines maximal erreichbaren Härtemusters beim Induktionshärten aufgrund von größerem Verzug zusätzlicher Schleifabtrag hinzugefügt werden. Zusätzlich können, wie vorstehend angeführt, induktionsgehärtete Zapfen mit Freistichen in Kombination mit Hohlkehlwalzen zu Kurbelwellenausfall wie etwa einer rissigen Kurbelwelle und einer geringen Standzeit des Werkzeugs zum Hohlkehlwalzen führen.
Hohlkehlwalzen oder Festwalzen ist ein radial symmetrischer Verformungsprozess, der für die Endbearbeitung von Oberflächen, Härte und/oder Steuerung von Eigenspannungen verwendet werden kann. Hohlkehlwalzen kann dazu verwendet werden, Hohlkehlen von Zapfen zu festigen. In einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Behandeln einer Hohlkehle an einer Welle über Laserhärten und anschließendes Hohlkehlwalzen offenbart. Das Verfahren beinhaltet Laserhärten einer Hohlkehlenoberfläche, die in 7 dargestellt ist, auf eine Tiefe d zum Induzieren von Druckspannungen in der Oberfläche. Die Oberfläche kann eine grünbearbeitete Hohlkehlenoberfläche sein. Die Oberfläche kann eine grünbearbeitete Oberfläche sein. Die Tiefe d kann gleich der Tiefe d_c sein, wie in 4A dargestellt. Im Gegensatz zu 4A erstreckt sich die lasergehärtete Oberfläche oder Schicht 352 lediglich von Freistich zu Freistich 368-368', doch die lasergehärtete Oberfläche oder Schicht 352 erstreckt sich über die gesamte Länge / zwischen den Außenkanten 353 von zwei Freistichbereichen 350 des Zapfens 320. Die lasergehärtete Oberfläche 352 schließt somit sowohl beide Freistiche 350, beide Scheitel 368', beide Endbereiche 372 und den mittigen Bereich 370 ein. Die Oberfläche kann etwa 80 bis 100 % Hohlkehlenberührungsfläche beinhalten. Die Oberfläche 352 kann etwa 70, 80, 85, 90, 95, 98, 100 % der Zapfenfläche beinhalten.
Die Tiefe d oder d_c, wie in 7 dargestellt, kann einheitlich und im Wesentlichen in der gesamten Schicht 352 die gleiche oder konstant sein. Alternativ kann die Tiefe variieren, sodass die Tiefe an den Außenkanten 353 kleiner sein kann als die Tiefe in dem mittigen Bereich 370, an den Endbereichen 372, an dem untersten Punkt des Freistichbereichs 350 oder einer Kombination daraus. Die Schicht 352 folgt im Wesentlichen der Form des mittigen Bereichs 370, der Endbereiche 352 und des Freistichbereichs 350. Die Tiefe der Schicht 352 kann somit über etwa 70 %, 72 %, 74 %, 76 %, 78 %, 80 %, 84 %, 86 %, 88 %, 90 %, 92 %, 94 %, 96 % oder mehr der Schicht 352 konstant oder im Wesentlichen die gleiche sein. Die Tiefe d_c in 7 kann etwa 0,8 mm bis 1,0 mm betragen. Die Tiefe d_c in 7 kann zudem etwa 1,25-1,5 mm betragen.
Das Verfahren beinhaltet ferner Hohlkehlwalzen oder Festwalzen zum Aufbringen von zusätzlicher Druckspannung auf die lasergehärtete Oberfläche 352. Das Hohlkehlwalzen wird derart durchgeführt, dass die Tiefe d oder d_c, wie in 7 dargestellt, entlang der gesamten Länge / beibehalten wird. Die Tiefe d kann während eines anschließenden Vorgangs wie etwa Schleifen oder Aufarbeiten beibehalten werden.
Das Hohlkehlwalzen kann unmittelbar auf das Laserhärten der Zapfenoberfläche folgen. Alternativ kann das Hohlkehlwalzen auf einen anderen Vorgang wie etwa Polieren folgen.
Das kombinierte Laserhärten und Hohlkehlwalzen ermöglicht eine einheitlichere Einsatztiefe über die Zapfenoberfläche und vereinfacht den Prozess zur Überprüfung des Einsatzmusters, da die gesamte Breite oder Länge / zwischen Zapfenkragen oder den Außenkanten 353 der Freistichbereiche 350 gehärtet werden kann.
Ohne die Offenbarung auf eine einzige Theorie zu beschränken, führt das kombinierte Verfahren zum Erfolg, da das Laserhärten keine vollständig martensitische Struktur erzeugt, da die Phasenumwandlung in den Zapfen stattdessen über Luftabschreckung erzielt wird. Das Laserhärten stellt jedoch eine ausreichende Zunahme bei der Härte/Druckfestigkeit bereit, um die gewünschten Niveaus für den Fresswiderstand der Lagerzapfen zu erreichen. Somit ermöglicht die durch den Laserhärteprozess hergestellte Mikrostruktur in den Hohlkehlenflächen erhöhte Hohlkehlwalzbeanspruchungen, die auf die laserbehandelte Oberfläche des Zapfens aufgebracht werden können, im Vergleich zu Hohlkehlen, die ungehärtet waren und anschließend gewalzt wurden oder durch traditionelle Verfahren wie etwa Induktionshärten gehärtet und anschließend gewalzt wurden.
Typischerweise sind Walzbeanspruchungen von ungehärteten oder induktionsgehärteten Hohlkehlen durch Materialverschiebung oder Walzendurchdringung begrenzt, was bei Überschreitung zu Rutschen oder Ausfall der Walze führen kann. Zum Beispiel können induktionsgehärtete Hohlkehlen, die eine martensitische Mikrostruktur aufweisen und gewalzt werden, bei der Beanspruchung von etwa 10 bis 12 kN sehr anfällig für Bruch und Verzug sein.
Doch das Laserhärten der Hohlkehlenfläche stellt eine ausreichend feste, gehärtete, aber nicht spröde Oberfläche oder Schicht bereit, die eine gemischte Mikrostruktur aufweist, die keinem Bruch unterliegt, aber die Materialverschiebung reduziert. Die Kombination dieser Eigenschaften ermöglicht die Erhöhung von Hohlkehlwalzbeanspruchungen. Somit können, wenngleich die Hohlkehlwalzbeanspruchung für eine konkrete Anwendung spezifisch ist und von verschiedenen Faktoren wie etwa Ermüdungsanforderungen, Art des Grundmaterials, Walzenradius, Walzengröße und Walzwinkel abhängt, beispielhafte Hohlkehlwalzbeanspruchungen für die hier offenbarten lasergehärteten Hohlkehlen/Zapfen etwa 5 bis 15 kN, 8 bis 14 kN oder 10 bis 12 kN betragen. Das Hohlkehlwalzen kann zum Beispiel mit den Beanspruchungen von etwa 10 bis 15 kN oder 11 bis 15 kN durchgeführt werden.
Die höheren Walzbeanspruchungen führen zu einem höheren Druckniveau. Die größere Druckspannung, die über Hohlkehlwalzen auf die lasergehärteten Flächen der Hohlkehlen aufgebracht wird, führt zu einer verbesserten Ermüdungsfestigkeit. Die verbesserte Ermüdungsfestigkeit hilft wiederum dabei, eine Änderung bei der Ausgangsmateriallegierung zu verhindern, was eine Zunahme bei den Rohmaterialkosten und Produktivitätsverlust aufgrund von maschineller Bearbeitbarkeit verhindern kann.
Das Verfahren ermöglicht zudem ein breiteres Einsatzmuster, was eine größere gehärtete Zapfenlagerfläche ergibt, da die Einsatztiefe über den Zapfen 370 von einer Außenkante 353 des ersten Freistichbereichs 350 zu der Außenkante 353 des zweiten Freistichbereichs 350 einheitlich bleiben kann. Infolgedessen kann kein Verlust bei der Länge/Breite / der behandelten Fläche nach einem anschließenden Vorgang oder anschließenden Vorgängen wie etwa Schleifen, Nachschleifen, Aufarbeiten und/oder Untermaßschleifen vorliegen, da der Musterübergang außerhalb der geschliffenen Zone bleibt. Dies stellt einen Vorteil bei sowohl anfänglichen als auch anschließenden Schleifvorgängen zum Aufarbeiten dar.
Zusätzliche Vorteile des offenbarten Verfahrens liegen somit darin, dass höhere Druckspannungsniveaus bei Hohlkehlen erreicht werden, während die Fähigkeit zum Richten ohne Bruch aufrechterhalten wird und zusätzlicher Schleifabtrag an Zapfen verhindert wird, um Verzug auszugleichen. Das Bruchrisiko wird im Vergleich zu gewalzten Hohlkehlen, die zuvor durch vorstehend beschriebene traditionelle Härteverfahren gehärtet wurden, deutlich reduziert. Infolgedessen ist keine 100%ige MPI für die lasergehärteten Zapfen mit gewalzten Hohlkehlen erforderlich. Zusätzlich kann das einsatzgehärtete Muster auf 100 % Abdeckung des Zapfens erweitert werden, was die Belastbarkeit und den Fresswiderstand von Motorlagern insgesamt erhöht. Der Prozess vereinfacht zudem den Fertigungsprozess zum Anwenden des Einsatzhärtemusters, da das Muster nicht mehr zwischen Hohlkehlenkanten oder Endbereichen 372 beschränkt sein muss. Da 100 % der Zapfenfläche gehärtet werden können, da Migration in Hohlkehlenzonen kein Problem mehr darstellt, besteht ein höheres Niveau von Fresswiderstand.
Das Verfahren zum Laserhärten und anschließenden Hohlkehlwalzen ist auf eine Kurbelwelle, Nockenwelle, Hauptlagerzapfen, Kurbelzapfen, Wellenenden, einen beliebigen Abschnitt, der Hohlkehlwalzen erfordert, oder eine Kombination daraus anwendbar. Wenngleich Wellen und Zapfen für Kraftfahrzeuge erwähnt sind, gilt das Verfahren ebenso für andere Motoranwendungen wie etwa Wellen und Zapfen für kompakte Nutztraktoren, Motorräder und Härtungs-/Nutzanwendungen für Kleinmotoren.
Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke beschreibende und nicht einschränkenden Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener umsetzender Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Behandeln von Hohlkehlen an Kraftfahrzeugwellen bereitgestellt, das Folgendes aufweist: Laserhärten einer grünbearbeiteten Hohlkehlenoberfläche auf eine einheitliche Tiefe d zum Induzieren von Druckspannungen in der Oberfläche, wobei sich die Oberfläche über die gesamte Länge / zwischen Außenkanten von zwei Freistichbereichen der Hohlkehle erstreckt; und Aufbringen von zusätzlicher Druckspannung auf die lasergehärtete Oberfläche über Hohlkehlwalzen, sodass die einheitliche Tiefe d während eines anschließenden Schleifvorgangs entlang der gesamten Länge l beibehalten wird.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Oberfläche die Freistiche, Scheitel, Endbereiche und einen mittigen Bereich der Hohlkehle.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt eine gehärtete Tiefe d der Oberfläche etwa 1,0 mm.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Oberfläche etwa 80 bis 100 % Hohlkehl enberührungsfläche.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Welle eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Hohlkehlwalzen mit etwa 5 bis 15 kN durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Hohlkehle ein Hauptlagerzapfen, ein Kurbelzapfen oder ein Wellenende.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet der anschließende Schleifvorgang Aufarbeiten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Behandeln einer Hohlkehle bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Laserhärten einer Freistich-zu-Freistich-Oberfläche einer grünbearbeiteten Hohlkehle auf eine einheitliche Tiefe d zum einheitlichen Induzieren von Druckspannungen in der Oberfläche; und Aufbringen von zusätzlicher Druckspannung auf die lasergehärtete Oberfläche über Hohlkehlwalzen, sodass die einheitliche Tiefe d entlang der gesamten Oberfläche beibehalten wird.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Oberfläche die Freistiche, Scheitel, Endbereiche und einen mittigen Bereich der Hohlkehle.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die einheitliche Tiefe d der Oberfläche etwa 1,0 mm.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Oberfläche etwa 80 bis 100 % Hohlkehlenberührungsfläche.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Welle eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Hohlkehlwalzen mit etwa 5 bis 15 kN durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Hohlkehle ein Hauptlagerzapfen, ein Kurbelzapfen oder ein Wellenende.
Gemäß einer Ausführungsform wird die einheitliche Tiefe d während eines anschließenden Vorgangs bzw. anschließender Vorgänge entlang der gesamten Oberfläche beibehalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Wellenhohlkehle bereitgestellt, die Folgendes aufweist: eine Freistich-zu-Freistich-Fläche, die durch und zwischen Außenkanten von zwei Freistichbereichen der Hohlkehle definiert ist, wobei eine Gesamtheit der Fläche auf eine einheitliche Tiefe d lasergehärtet wird, um eine Schicht zu bilden, die gehärtete Abschnitte enthält, die dazu konfiguriert sind, zusätzliche Druckspannung über Hohlkehlwalzen ohne Bruch aufzunehmen.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Tiefe d etwa 1,0 mm.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Hohlkehle ein Hauptlagerzapfen, ein Kurbelzapfen oder ein Wellenende.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Fläche die Freistiche, Scheitel, Endbereiche und einen mittigen Bereich der Hohlkehle.

Claims

Verfahren zum Behandeln von Hohlkehlen an Kraftfahrzeugwellen, umfassend: Laserhärten einer grünbearbeiteten Hohlkehlenoberfläche auf eine einheitliche Tiefe d zum Induzieren von Druckspannungen in der Oberfläche, wobei sich die Oberfläche über die gesamte Länge / zwischen Außenkanten von zwei Freistichbereichen der Hohlkehle erstreckt; und Aufbringen von zusätzlicher Druckspannung auf die lasergehärtete Oberfläche über Hohlkehlwalzen, sodass die einheitliche Tiefe d während eines anschließenden Schleifvorgangs entlang der gesamten Länge l beibehalten wird.
Verfahren zum Behandeln einer Hohlkehle, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Laserhärten einer Freistich-zu-Freistich-Oberfläche einer grünbearbeiteten Hohlkehle auf eine einheitliche Tiefe d zum einheitlichen Induzieren von Druckspannungen in der Oberfläche; und Aufbringen von zusätzlicher Druckspannung auf die lasergehärtete Oberfläche über Hohlkehlwalzen, sodass die einheitliche Tiefe d entlang der gesamten Oberfläche beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche die Freistiche, Scheitel, Endbereiche und einen mittigen Bereich der Hohlkehle beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine gehärtete Tiefe d der Oberfläche etwa 1,0 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche etwa 80 bis 100 % Hohlkehlenberührungsfläche beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Welle eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Hohlkehlwalzen mit etwa 5 bis 15 kN durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hohlkehle ein Hauptlagerzapfen, ein Kurbelzapfen oder ein Wellenende ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der anschließende Schleifvorgang Aufarbeiten beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die einheitliche Tiefe d während eines anschließenden Vorgangs bzw. anschließender Vorgänge entlang der gesamten Oberfläche beibehalten wird.
Wellenhohlkehle, umfassend: eine Freistich-zu-Freistich-Fläche, die durch und zwischen Außenkanten von zwei Freistichbereichen der Hohlkehle definiert ist, wobei eine Gesamtheit der Fläche auf eine einheitliche Tiefe d lasergehärtet wird, um eine Schicht zu bilden, die gehärtete Abschnitte enthält, die dazu konfiguriert sind, zusätzliche Druckspannung über Hohlkehlwalzen ohne Bruch aufzunehmen.
Hohlkehle nach Anspruch 11, wobei die Tiefe d etwa 1,0 mm beträgt.
Hohlkehle nach Anspruch 11, wobei die Hohlkehle ein Hauptlagerzapfen, ein Kurbelzapfen oder ein Wellenende ist.
Hohlkehle nach Anspruch 11, wobei die Fläche die Freistiche, Scheitel, Endbereiche und einen mittigen Bereich der Hohlkehle beinhaltet.
Hohlkehle nach Anspruch 11, wobei die Welle eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle ist.