DE10261710B4

DE10261710B4 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Welle

Info

Publication number: DE10261710B4
Application number: DE2002161710
Authority: DE
Inventors: Peter 38162 Reim; Werner 38304 Hüttig; Christian 38667 Koch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2022-12-31
Also published as: DE10261710A1

Abstract

Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Welle aus Stahl und mit einem abschnittsweise nicht-rotationssymmetrischen Querschnitt, bei dem in einem Härteprozess mittels eines von einer Energiequelle abgegebenen energiereichen Strahls, insbesondere einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl, zumindest abschnittsweise durch einen Energieeintrag in die Oberfläche des Wellenabschnittes eine Oberflächenhärtung der Welle durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Härteprozess mit einem Richtprozess kombiniert wird, und dass in dem Richtprozess unter Nutzung derselben Energiequelle der Energieeintrag in die Oberfläche des Wellenabschnittes als Funktion der Wellengeometrie, nämlich in Abhängigkeit von der Wärmeleitung von dem zu härtenden Wellenabschnitt in einen benachbarten Wellenabschnitt positionsabhängig variiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Welle aus Stahl und mit einem abschnittsweise nicht-rotationssymmetrischen Querschnitt, bei dem in einem Härteprozess mittels eines von einer Energiequelle abgegebenen energiereichen Strahls, insbesondere einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl, zumindest abschnittsweise durch einen Energieeintrag in die Oberfläche des Wellenabschnittes eine Oberflächenhärtung der Welle durchgeführt wird.
Aus der DE 42 37 484 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Umschmelzen einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks, insbesondere einer Nocken- oder Kurbelwelle bekannt.
Zur Oberflächenhärtung von Wellen aus Stahl, insbesondere von Wellenabschnitten mit hohen Anforderungen an die Oberflächenkontur und die Verschleißfestigkeit, können bekannte thermochemische Härtungsverfahren, wie z. B. das Einsatzhärten und das Nitrieren, thermische Härtungsverfahren, wie das Flammhärten, das Induktionshärten, das Laserhärten, und das Elektronenstrahlhärten, sowie mechanische Härtungsverfahren, wie das Festwalzen und das Kugelstrahlen, angewendet werden. Da die meisten dieser Härtungsverfahren einen erheblichen apparativen Aufwand erfordern und zumeist nicht in einen automatisierten Fertigungsablauf integrierbar sind, wird bei der Herstellung von Großserienwellen, wie Kurbelwellen und Nockenwellen, wegen ihrer Flexibilität und Automatisierbarkeit bevorzugt das Laserhärten und das Elektronenstrahlhärten, im folgenden als Härten mit einem energiereichen Strahl genannt, angewendet.
Hierbei werden Wellenbereiche, wie die Lagerzapfen und die Kurbelzapfen einer Kurbelwelle oder die Lagerzapfen und die Nocken einer Nockenwelle, an den Lager- bzw. Nockenoberflächen und benachbarten Randzonen durch den energiereichen Strahl auf die Austenitisierungstemperatur von ca. 1300°C erhitzt, auf dieser Temperatur zur vollständigen Austenitumwandlung ca. 1 Sekunde gehalten, und anschließend zur Bildung von Martensit schnell abgekühlt, was zumeist auf natürlichem Weg über Wärmeleitung in das innere der Welle, in benachbarte Wellenabschnitte, und in die Umgebungsluft erfolgt. Die übrigen, nicht gehärteten Bereiche der Welle behalten ihre Zähigkeit und Elastizität bei und können daher im Betrieb auftretende Biege- und Torsionsschwingungen problemlos aufnehmen.
Bei einer derartigen Oberflächenbehandlung kommt es bei Wellen mit einem abschnittsweise nicht-rotationssymmetrischen Querschnitt aufgrund von asymmetrischer Abkühlung des gehärteten Wellenabschnittes zu asymmetrischen Verspannungen, die zu einer mehr oder weniger großen Deformation der Welle führen können. Beispielsweise tritt bei der Härtung der Kurbelzapfen einer Kurbelwelle aufgrund der benachbarten Kurbelwangen eine asymmetrische Abkühlung auf, die im Ergebnis zu einem radial inneren axialen Zusammenziehen der Kurbelwangen und damit zu einer Krümmung der Mittel- bzw. Drehachse der Kurbelwelle führt. Bislang wurden derartige Deformationen in Kauf genommen und in einem zusätzlichen Arbeitsschritt nachträglich korrigiert, entweder durch mechanisches Richten oder durch das Abarbeiten von zuvor vorgesehenen Übermaßabschnitten.
Es ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer eingangs definierten Welle anzugeben, mit dem bei Durchführung eines genannten Härteprozesses mit möglichst geringem Aufwand eine Deformation der Welle korrigiert bzw. verhindert werden kann.
Das Problem wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Härteprozess mit einem Richtprozess kombiniert wird, und dass in dem Richtprozess unter Nutzung derselben Energiequelle der Energieeintrag in die Oberfläche des Wellenabschnittes als Funktion der Wellengeometrie, nämlich in Abhängigkeit von der Wärmeleitung von dem zu härtenden Wellenabschnitt in einen benachbarten Wellenabschnitt positionsabhängig variiert wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 aufgeführt.
Durch eine die Wellengeometrie und damit die bei gleichmäßigem Energieeintrag auftretende asymmetrische Abkühlung eines gehärteten Wellenbereiches berücksichtigende Variation des Energieeintrags können beim Härteprozess auftretende asymmetrische Verspannungen korrigiert oder sogar von vornherein vermieden werden. Da für den Richtprozess dieselbe Energiequelle genutzt wird, ist kein zusätzlicher apparativer Aufwand erforderlich. Eine nach dem Stand der Technik übliche aufwendige Nachbearbeitung der Welle am Ende der Herstellungskette wird somit vorteilhaft vermieden.
Die Variation des Energieeintrags kann sowohl in axialer Richtung als auch über den Umfang erfolgen und orientiert sich im wesentlichen an der Wärmeleitung von dem zu härtenden Wellenabschnitt in einen benachbarten Wellenabschnitt. Hierzu wird der Energieeintrag bevorzugt in einem Übergangsbereich mit asymmetrischer Wärmeleitung in einem Bereich hoher Wärmeleitung reduziert und/oder in einem Bereich, der dem Bereich hoher Wärmeleitung diametral gegenüberliegt, erhöht. In dem Bereich hoher Wärmeleitung wird durch den Härteprozess bedingt durch die dortige schnellere Abkühlung eine höhere Materialspannung aufgebaut als in dem diametral gegenüberliegenden Bereich niedriger Wärmeleitung. Diese die Deformation der Welle bewirkenden asymmetrischen Materialspannungen können durch reduzierten Energieeintrag in den Bereich hoher Wärmeleitung und/oder durch erhöhten Wärmeeintrag in den Bereich niedriger Wärmeleitung ausgeglichen und damit die Deformation der Welle aufgehoben werden.
Um eine ausreichende Tiefe der gehärteten Oberfläche zu erreichen, wird aber bei einer Oberflächenbehandlung der Lager- und Kurbelzapfen einer Kurbelwelle jeweils im Übergangsbereich zu einer Kurbelwange der Energieeintrag in einem der Kurbelwange diametral gegenüberliegenden Außenbereich vorteilhaft erhöht.
Der Richtprozess kann als separater Arbeitsschritt nach dem Härteprozess und nach einer Ermittlung der Verformung der Welle durchgeführt werden, wobei die Variation des Energieeintrags in Abhängigkeit von der zuvor ermittelten Verformung der Welle durchgeführt wird. In diesem Fall eines Mehrschrittverfahrens umfasst die Oberflächenbehandlung der Welle also die Arbeitsschritte Härteprozess, Ermittlung der Wellendeformation, und Richtprozess, wobei diese Arbeitschritte zweckmäßig abschnittsweise, d. h. bei der Bearbeitung jedes Wellenabschnittes, z. B. eines Lager- oder Kurbelzapfens einer Kurbelwelle, durchgeführt werden und nicht erst nacheinander jeweils für die gesamte Welle.
In Kenntnis der bei einer gleichmäßigen Härtung zu erwartenden Wellendeformation kann der Richtprozess aber auch in einem einzigen Arbeitsschritt zusammen mit dem Härteprozess durchgeführt werden, wobei die Variation des Energieeintrags dann anhand von bauteilspezifischen Steuerungsdaten zur Verteilung des Energieeintrags durchgeführt wird. In diesem Fall eines Einschrittverfahrens wird die Bearbeitungszeit gegenüber dem Mehrschrittverfahren nochmals deutlich verkürzt, wobei die hierzu erforderlichen Steuerungsdaten zur Verteilung des Energieeintrags zuvor in einem Laborversuch an einer Musterwelle oder anhand einer computergestützten Modellrechnung ermittelt werden können.
Da das erfindungsgemäße Verfahren vollständig automatisierbar ist, wird die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung bei der Herstellung der Welle zweckmäßig als letzter Bearbeitungsschritt der Herstellungskette durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für die Herstellung und Bearbeitung von Kurbelwellen, Nockenwellen, und Getriebewellen geeignet.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die beispielhaft zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens dienen.
Hierzu zeigen:
1, 1a Eine Kurbelwelle in einer Seitenansicht und ein zugeordneter Kurbelzapfen in einer Axialansicht, jeweils nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenbehandlung,
2, 2a dieselbe Kurbelwelle in einer Seitenansicht und der zugeordnete Kurbelzapfen in einer Axialansicht, jeweils nach Anwendung eines bekannten Härteprozesses, und
3 dieselbe Kurbelwelle im Ausgangszustand der Bearbeitung in einer Seitenansicht.
Eine in 3 dargestellte Kurbelwelle 1 weist drei Lagerzapfen 2, 3, 4 mit einer gemeinsamen Drehachse 5 und zwei Kurbelzapfen 6, 7 mit jeweils einer Kurbelachse 8, 9 auf. Die Kurbelzapfen 6, 7 stehen jeweils über zwei Kurbelwangen 10a, 10b bzw. 11a, 11b mit den Lagerzapfen 2, 3 bzw. 3, 4 in Verbindung. Zur besseren Veranschaulich der Problematik sind die Kurbelzapfen 6, 7 und die zugeordneten Kurbelwangen 10a, 10b bzw. 11a, 11b um die Drehachse 5 in die Zeichenebene gedreht dargestellt, wobei die folgende Betrachtung auf die Oberflächenbehandlung der Kurbelzapfen 6, 7 beschränkt ist.
Nach dem Stand der Technik (siehe 2 und 2a) werden die Kurbelzapfen 6, 7 in einem Härteprozess gleichmäßig, d. h. in axialer Richtung und in Umfangsrichtung an ihrer Oberfläche 12, 13 und in den zugeordneten Übergangsbereichen 14a, 14b bzw. 15a, 15b zu den Kurbelwangen 10a, 10b bzw. 11a, 11b gleichverteilt mittels eines energiereichen Strahls 16, z. B. eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls, mit Energie beaufschlagt. Die Strahlenergie wird an der Oberfläche 12, 13 absorbiert, d. h. in Wärme umgewandelt, und führt in Verbindung mit einem Abkühlvorgang zur Oberflächenhärtung der Kurbelzapfen 6, 7. Da sich aufgrund der seitlichen Kurbelwangen 10a, 10b bzw. 11a, 11b jeweils eine asymmetrisch unterschiedlich schnelle Abkühlung der Kurbelzapfen 6, 7 einstellt, ergeben sich die in 2 dargestellten Deformationen der Kurbelwelle 1, d. h. die Kurbelwangen 10a, 10b bzw. 11a, 11b werden radial innen zusammengezogen und die Drehachse 5 der Kurbelwelle 1 ist gekrümmt, bzw. deren Abschnitte 5a, 5b, 5c verlaufen gekrümmt zueinander. Die vorliegend überzeichnet dargestellten Deformationen können in der Praxis etwa 0,1 mm bis 0,5 mm betragen. Demzufolge ist eine aufwendige Nachbearbeitung der Kurbelwelle erforderlich, die durch mechanisches Richten oder durch das Abarbeiten von zuvor vorgesehenem Übermaßmaterial an den Lagerzapfen 2, 3, 4 und den Kurbelzapfen 6, 7 erfolgen kann.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird erfindungsgemäß, wie in 1 dargestellt, der vorliegend jeweils durch die Länge 17 des energiereichen Strahls 16 repräsentierte Energieeintrag in die Oberfläche der Kurbelzapfen 6, 7 als Funktion der Geometrie der Kurbelwelle 1 positionsabhängig variiert. Der ursprüngliche Härteprozess wird also unter Nutzung derselben Energiequelle mit einem Richtprozess kombiniert. Konkret wird vorliegend jeweils der Energieeintrag in einem der jeweiligen Kurbelwange 10a, 10b bzw. 11a, 11b diametral gegenüberliegenden Außenbereich 18a, 18b bzw. 19a, 19b erhöht. Hierdurch werden die in den gegenüberliegenden Innenbereichen 20a, 20b bzw. 21a, 21b durch verstärkte Wärmeleitung in die Kurbelwangen 10a, 10b bzw. 11a, 11b entstandenen Materialspannungen kompensiert und somit eine Deformation der Kurbelwelle 1 bei einem dem Härtprozess nachfolgenden Richtprozess wieder ausgeglichen bzw. bei einem mit dem Härteprozess zusammengefassten Richtprozess von vorn herein vermieden. Die Lagerzapfen 2, 3, 4 und die Kurbelzapfen 6, 7 können somit schon vor dem Härteprozess ihre Endabmessungen aufweisen. Eine nach dem Stand der Technik erforderliche Nachbearbeitung der Kurbelwelle 1 ist somit nicht mehr nötig.
Bezugszeichenliste

1: Kurbelwelle
2: Lagerzapfen
3: Lagerzapfen
4: Lagerzapfen
5: Drehachse
5a: Achsabschnitt
5b: Achsabschnitt
5c: Achsabschnitt
6: Kurbelzapfen
7: Kurbelzapfen
8: Kurbelachse
9: Kurbelachse
10a: Kurbelwange
10b: Kurbelwange
11a: Kurbelwange
11b: Kurbelwange
12: Oberfläche
13: Oberfläche
14a: Übergangsbereich
14b: Übergangsbereich
15a: Übergangsbereich
15b: Übergangsbereich
16: energiereicher Strahl
17: Länge
18a: Außenbereich
18b: Außenbereich
19a: Außenbereich
19b: Außenbereich
20a: Innenbereich
20b: Innenbereich
21a: Innenbereich
21b: Innenbereich

Claims

Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Welle aus Stahl und mit einem abschnittsweise nicht-rotationssymmetrischen Querschnitt, bei dem in einem Härteprozess mittels eines von einer Energiequelle abgegebenen energiereichen Strahls, insbesondere einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl, zumindest abschnittsweise durch einen Energieeintrag in die Oberfläche des Wellenabschnittes eine Oberflächenhärtung der Welle durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Härteprozess mit einem Richtprozess kombiniert wird, und dass in dem Richtprozess unter Nutzung derselben Energiequelle der Energieeintrag in die Oberfläche des Wellenabschnittes als Funktion der Wellengeometrie, nämlich in Abhängigkeit von der Wärmeleitung von dem zu härtenden Wellenabschnitt in einen benachbarten Wellenabschnitt positionsabhängig variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag in einer Axialverteilung und/oder in einer Umfangsverteilung des Wellenabschnittes variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag in einem Übergangsbereich mit asymmetrischer Wärmeleitung in einem Bereich mit hoher Wärmeleitung reduziert und/oder in einem Bereich, der dem Bereich mit hoher Wärmeleitung diametral gegenüberliegt, erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Oberflächenbehandlung der Lager- und Kurbelzapfen (6) einer Kurbelwelle (1) jeweils im Übergangsbereich (14a, 14b) zu einer Kurbelwange (10a, 10b) der Energieeintrag in einem der Kurbelwange (10a, 10b) diametral gegenüberliegenden Außenbereich (18a, 18b) erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtprozess als separater Arbeitsschritt nach dem Härteprozess und nach einer Ermittlung der Verformung der Welle durchgeführt wird, wobei die Variation des Energieeintrags in Abhängigkeit von der zuvor ermittelten Verformung der Welle durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtprozess in einem einzigen Arbeitsschritt zusammen mit dem Härteprozess durchgeführt wird, wobei die Variation des Energieeintrags anhand von bauteilspezifischen Steuerungsdaten zur Verteilung des Energieeintrags durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsdaten zur Verteilung des Energieeintrags zuvor in einem Laborversuch an einer Musterwelle ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsdaten zur Verteilung des Energieeintrags zuvor anhand einer computergestützten Modellrechnung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlung bei der Herstellung der Welle als letzter Bearbeitungsschritt durchgeführt wird.