DE10361739A1

DE10361739A1 - Method for machining crankshaft radii

Info

Publication number: DE10361739A1
Application number: DE2003161739
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr.-Ing. Heimann
Original assignee: Hegenscheidt MFD GmbH and Co KG
Current assignee: Hegenscheidt MFD GmbH and Co KG
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2023-12-30
Also published as: WO2005063442A1; DE10361739B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien an vorgefertigten Kurbelwellen (1) für Pkw-Motoren. Hierbei werden die Randschichten der Kurbelwellenradien (10 bis 13) zunächst gehärtet, dieselben Randschichten nach dem Härten angelassen und nach dem Anlassen mit Hilfe von Festwalzwerkzeugen festgewalzt.The invention relates to a method for machining crankshaft radii on prefabricated crankshafts (1) for passenger car engines. Here, the edge layers of the crankshaft radii (10 to 13) are first hardened, annealed the same surface layers after curing and rolled after tempering with the aid of deep rolling tools.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien an vorgefertigten Kurbelwellen für Pkw-Motoren. Einstiche und/oder Radien am Übergang zwischen einem Kurbelzapfen und einer Wange bzw. einem Flansch an Kurbelwellen werden nachstehend „Kurbelwellenradien" genannt. Das Festwalzen von Kurbelwellenradien ist beispielsweise bekannt aus der DE 30 37 688.6 . Das Festwalzen von Kurbelwellenradien erzeugt einen Druckeigenspannungszustand, der bei den für Pkw-Kurbelwellen typischen Werkstoffen und Kurbelwellenradien ein Maximum in etwa ein Millimeter Tiefe unterhalb der Oberfläche der Kurbelwellenradien aufweist und zur Oberfläche hin etwas abnimmt. Wird die Kurbelwelle im Betrieb, beispielsweise durch Druck, belastet, so baut sich je nach Lasthöhe ein Teil der Druckeigenspannung ab, nämlich überall dort, wo die Fliessgrenze des Materials, nachfolgend auch Werkstoff genannt, überschritten wird. Bei wechselnder Belastung, beispielsweise mehrere Millionen Zyklen, entsteht ein Riss, der im Bereich der höchsten Oberflächenspannung im Kurbelwellenradius beginnt und dort bleibend stoppt, wo die restlichen Druckeigenspannungen ausreichend groß sind, um das Wachstum des Risses zu verhindern. Zu diesem Vorgang gibt es zahlreiche Literatur: Achmus, Jung, Schaal (s. "Literaturhinweise" am Ende der Beschreibung).The invention relates to a method for machining crankshaft radii on prefabricated crankshafts for passenger car engines. Punctures and / or radii at the transition between a crank pin and a flange or flange on crankshafts are referred to below as "crankshaft radii." For example, the deep rolling of crankshaft radii is known from US Pat DE 30 37 688.6 , The deep rolling of crankshaft radii creates a compressive residual stress condition which, at the typical materials and crankshaft radii for car crankshafts, has a maximum approximately one millimeter depth below the surface of the crankshaft radii and decreases slightly towards the surface. If the crankshaft is loaded during operation, for example by pressure, depending on the load height, part of the compressive residual stress breaks down, namely wherever the flow limit of the material, also referred to below as the material, is exceeded. With alternating load, for example, several million cycles, creates a crack that begins in the range of the highest surface tension in the crankshaft radius and stops there stopping, where the residual compressive residual stresses are sufficiently large to prevent the growth of the crack. There are numerous literature on this process: Achmus, Jung, Schaal (see "Bibliography" at the end of the description).

Auch das Härten der Randschichten von Kurbelwellenradien ist an sich bekannt. Beim Randschichthärten des Kurbelwellenradius entsteht in Folge der Bildung von Martensit ebenfalls eine Druckeigenspannung im Kurbelwellenradius. Diese Druckeigenspannung und die höhere Zugfestigkeit des gehärteten Materials führen ebenfalls zu einer Erhöhung der Dauerfestigkeit der Kurbelwelle. Allerdings ist das gehärtete Material rissanfällig, da es wenig dehnbar ist. Einmal entstandene Risse laufen weiter und führen zum Bruch. In folge dessen ist es üblich, nach dem Härten der Randschichten von Kurbelwellenradien diese Randschichten anzulassen, um ein zähes Gefüge zu erhalten.Also the hardening The marginal layers of crankshaft radii is known per se. At the Surface hardening the crankshaft radius arises as a result of the formation of martensite also a compressive residual stress in the crankshaft radius. This compressive residual stress and the higher one Tensile strength of the cured Lead materials also to an increase the fatigue strength of the crankshaft. However, this is the hardened material susceptible to cracking, because it is less elastic. Once formed cracks continue to run and to lead to break. As a result, it is common after curing the Marginal layers of crankshaft radii to start these edge layers, a tough one structure to obtain.

Sowohl das an sich bekannte Festwalzen von Kurbelwellenradien als auch das Härten der Randschichten der Kurbelwellenradien erreichen ähnlich gute Dauerfestigkeiten. Der eigenspannungsbehaftete Bereich beim Festwalzen ist allerdings kleiner als jener des Härtens der Randschichten, da sehr begrenzte Härtebereiche und geringe Härtetiefen vom induktiven Randschichthärten nicht verwirklicht werden können. Die größeren Bereiche des Eigenspannungszustandes von gehärteten Kurbelwellenradien führen jedoch zu vergrößerten Verzügen an der Kurbelwelle.Either the known deep rolling of crankshaft radii as well the hardening The marginal layers of the crankshaft radii achieve similar good Fatigue strengths. The area subject to intrinsic stress during deep rolling However, it is smaller than that of hardening the surface layers, since very limited hardness ranges and low hardness depths from inductive surface hardening can not be realized. The larger areas of the Residual stress state of hardened Guide crankshaft radii However, to increased delays in the Crankshaft.

Im Zusammenhang mit dem Härten der Randschichten von Kurbelwellenradien ist es bereits bekannt, das Härten mit Hilfe von Laserstrahlen durchzuführen. Hierzu wird auf die Internetveröffentlichung des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit LBF, Darmstadt, verwiesen, die am Ende der vorliegenden Beschreibung noch genauer angegeben ist. Weiterhin enthält „Werkstoffkundliche Qualifizierung des Randschichthärtens mit Laserstrahlung" ausführliche Unterlagen zum Randschichthärten.in the Related to the hardening the marginal layers of crankshaft radii it is already known the hardening with the help of laser beams. This is on the Internet publication of the Fraunhofer Institute for Stability LBF, Darmstadt, referenced at the end of the present Description is specified in more detail. Furthermore contains "Materials Qualification of surface hardening with laser radiation "detailed Documents for surface hardening.

Durch die Oberflächenbehandlung, wie zum Beispiel das Laserhärten, lässt sich die Schwingfestigkeit von Kurbelwellen beträchtlich steigern. Die Ursachen für die Steigerung der Schwingfestigkeit sind die in die bruchkritischen Bereiche eingebrachten Druckeigenspannungen und die gesteigerte Randhärte.By the surface treatment, such as laser hardening, let yourself considerably increase the fatigue strength of crankshafts. The reasons for the Increase in the fatigue strength are those in the fracture critical Areas introduced compressive residual stresses and the increased Surface hardness.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Bearbeitung von Kurbelwellenradien für Kurbelwellen von Pkw-Motoren anzugeben, durch welches die Dauerschwingfestigkeit der Kurbelwellen weiter erhöht werden kann. Zugleich soll das Verfahren einfach in der Handhabung und preisgünstig sein.Of the The invention is based on the object, a method for processing of crankshaft radii for Specify crankshafts of passenger car engines, through which the fatigue strength the crankshaft further increased can be. At the same time, the process should be easy to use and reasonably priced be.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, die Vorteile der beiden an sich bekannten Verfahren, nämlich des Festwalzens und des Randschichthärtens von Kurbelwellenradien miteinander zu kombinieren. Die Lösung besteht in den Merkmalen des Hauptanspruchs. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Merkmale des Hauptanspruchs auf.The solution The object is to the advantages of the two known Method, namely the deep rolling and surface hardening of crankshaft radii to combine with each other. The solution consists in the features of the main claim. The dependent claims show advantageous developments the features of the main claim.

Das Randschichthärten der Kurbelwellenradien einer Kurbelwelle kann beispielsweise durch Laserstrahlung erfolgen. Der Laser erwärmt mit einer Leistung von etwa 1 kW pro Quadratzentimeter die Oberfläche des Kurbelwellenradius und das darunter liegende Material auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls. Diese Temperatur liegt bei etwa 900° Celsius. Die Vorschubbewegung des Laserstrahls wird so gewählt, dass genügend Zeit zur Austenitisierung, das heißt Kohlenstoffdiffusion, in dem vom Laserstrahl erwärmten Bereich zur Verfügung steht. Sobald der Laserstrahl den bestrahlten Bereich verlässt, erfolgt durch das umgebende kalte Material der Kurbelwelle eine Selbstabschreckung und Härtung des austenitisierten Gebietes und es entsteht Martensit. Auch über diesen Vorgang gibt es weitergehende Literatur, zum Beispiel: Clemens Schmitz-Justen: „Einordnung des Laserstrahlhärtens in die fertigungstechnische Praxis".*The Surface hardening the crankshaft radii of a crankshaft, for example, by Laser radiation done. The laser heats up with a power of about 1 kW per square centimeter the surface of the crankshaft radius and the underlying material to a temperature above the austenitizing temperature of the steel. This temperature is at about 900 ° Celsius. The advancing movement of the laser beam is chosen so that enough Time for austenitisation, that is carbon diffusion, in the heated by the laser beam Area available stands. As soon as the laser beam leaves the irradiated area, takes place by the surrounding cold material of the crankshaft a self-quenching and curing austenitic area and martensite is produced. Also about this There is more literature, for example: Clemens Schmitz-Justen: "classification of laser beam hardening into production engineering practice ". *

Die bei der Laserstrahlhärtung erreichbare Tiefe hängt davon ab, dass die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend groß ist. Bei zu niedriger Abkühlgeschwindigkeit kann es passieren, dass auf der Oberfläche der Kurbelwellenradien nicht gehärtete Bereiche entstehen. Bei den niedrig legierten Stählen, beispielsweise dem für Kurbelwellen verbreiteten C 38 ist die für das Härten erforderliche Abkühlgeschwindigkeit hoch. Eine zusätzliche äußere Abschreckung durch Wasser oder Pressluft kann daher vorgesehen werden.The achievable depth in the laser beam hardening depends on the cooling rate is sufficiently large. If the cooling rate is too low, unhardened areas may form on the surface of the crankshaft radii. For low alloy steels, such as the C 38, which is widely used for crankshafts, the cooling rate required for hardening is high. An additional external quenching by water or compressed air can therefore be provided.

Weitere, im Rahmen der vorliegenden Erfindung für Kurbelwellen von Pkw-Motoren geeignete Werkstoffe sind zum Beispiel 42 Cr Mo 4 und 44 Mn Si V6.Further, in the context of the present invention for crankshafts of passenger car engines suitable materials are, for example, 42 Cr Mo 4 and 44 Mn Si V6.

Nach dem Härten der Kurbelwellenradien erfolgt das Anlassen. Auch hierbei bedient man sich vorteilhafterweise der Laserstrahlung. Zum Anlassen wird bei relativ hoher Temperatur von beispielsweise 300° Celsius, die Anlasszeit sehr kurz gewählt, da man ein hochfestes aber verformbares Material benötigt.To the hardening the crankshaft radii are tempered. Also served here it is advantageous to the laser radiation. To start is at a relatively high temperature of, for example, 300 ° Celsius, the start time chosen very short, because you need a high-strength but deformable material.

Der letzte Prozessschritt im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Festwalzen, bei dem über die vom Härten vorgegebenen Druckeigenspannungen hinaus weitere Druckeigenspannungen in den Kurbelwellenradien aufgebaut werden. Dabei sind wegen der höheren Materialfestigkeiten und der bereits vorhandenen Druckeigenspannungen, höhere Festwalzkräfte erforderlich.Of the last process step in the context of the present invention is the Deep rolling at which over the hardening predetermined compressive residual stresses addition pressure residual stresses be built in the crankshaft radii. It is because of the higher Material strengths and the existing residual compressive stresses, higher Deep rolling forces required.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielbare erhöhte Dauerfestigkeit von Kurbelwellen beruht darauf, dass die an der Oberfläche der Kurbelwellenradien durch das Festwalzen eingebrachte Druckeigenspannung dank der höheren Druckfestigkeit des vorher gehärteten beziehungsweise hochvergüteten Materials nicht mehr oder nur noch in geringem Maße durch die Betriebsbelastung abgebaut wird. Damit entstehen bei der Betriebsbelastung keine Anrisse mehr, die von der Oberfläche der Kurbelwellenradien ausgehen. Unterhalb der Oberfläche muss die Steigerung der Festigkeit des Materials so groß sein, dass sich ebenfalls nur geringe Umlagerungen der Spannungen in Folge der Betriebsbelastung ergeben. Geht man davon aus, dass die Umlagerungen der Spannungen bis in den Bereich hineinreichen muss, wo ein Riss zum Stillstand kommt, so muss die erforderliche Härtung/Vergütung bis in eine Tiefe von etwa einem Millimeter unterhalb der Oberfläche der Kurbelwellenradien hinabreichen.The achievable by the method according to the invention increased Fatigue strength of crankshafts is based on the fact that at the surface the crankshaft radii introduced by the deep rolling compressive residual stress thanks to the higher Compressive strength of the previously hardened or high-tempered Material no longer or only to a small extent by the operating load is reduced. This results in the operating load no more cracks coming from the surface of the crankshaft radii out. Below the surface must the increase in the strength of the material will be so great that also only slight rearrangements of the tensions in consequence the operating load. Assuming that the rearrangements the stresses must reach into the area where a crack comes to a standstill, then the required hardening / remuneration must be up at a depth of about one millimeter below the surface of the Go down crankshaft radii.

Neben der überwiegend beschriebenen Behandlung der Kurbelwellenradien mit Laserstrahlen ist eine Härtung möglich auch durch die Anwendung des Flammhärtens, des Einsatzhärtens oder des Induktivhärtens. Entscheidend aber ist das örtliche Einbringen von sehr hohen Wärmemengen. Das lässt sich, nach vorliegender Erkenntnis, am wirksamsten mit Laser- oder Elektronenstrahlen verwirklichen.Next the predominantly described treatment of the crankshaft radii with laser beams is a cure possible also by the application of flame hardening, case hardening or inductive hardening. Decisive but is the local Introduction of very high amounts of heat. That can be, according to available knowledge, most effective with laser or electron beams realize.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.following the invention is based on an embodiment described in more detail.

Es zeigen dieIt show the

1 einen Längenabschnitt einer Kurbelwelle in der Seitenansicht, 1 a longitudinal section of a crankshaft in the side view,

2 einen vergrößerten Ausschnitt X der 1. 2 an enlarged section X of the 1 ,

Die Kurbelwelle 1 ist über ihre beiden Hauptlagerzapfen 2 und 3 im Motorblock (nicht gezeigt) eines Pkw-Motors um ihre Drehachse 4 drehbar gelagert. Im Abstand 5 von der Drehachse 4 befindet sich die Drehachse 6. Die Drehachse 6 stellt die Mitte des Hubzapfens 7 der Kurbelwelle 1 dar. Der Abstand 5 entspricht dem Hub der Kurbelwelle 1.The crankshaft 1 is about her two main journals 2 and 3 in the engine block (not shown) of a passenger car engine about its axis of rotation 4 rotatably mounted. At a distance 5 from the axis of rotation 4 is the axis of rotation 6 , The rotation axis 6 represents the middle of the crankpin 7 the crankshaft 1 dar. The distance 5 corresponds to the stroke of the crankshaft 1 ,

Über die beiden Wangen 8 und 9 ist der Hubzapfen 7 jeweils mit den Hauptlagerzapfen 2 und 3 verbunden. Die Übergänge zwischen den Wangen 8 und 9 und den Hauptlagerzapfen 2 und 3 beziehungsweise dem Hubzapfen 7 können unterschiedlich ausgestaltet sein. Die Übergänge bestehen beispielsweise aus Einstichen 10 bis 12, wie sie in der 1 überwiegend dargestellt sind. Die Übergänge können aber anstelle von Einstichen 10 bis 12 auch durch Radien 13 realisiert sein, wie zwischen dem Hubzapfen 7 und der Wange 9 vorgesehen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist diese Unterscheidung aber nicht von besonderer Bedeutung, deshalb werden im vorliegenden Text die Einstiche 10 bis 12 und die Radien 13 kollektiv als „Kurbelwellenradius" bezeichnet.Over the two cheeks 8th and 9 is the crankpin 7 each with the main journals 2 and 3 connected. The transitions between the cheeks 8th and 9 and the main journal 2 and 3 or the crank pin 7 can be configured differently. The transitions consist for example of punctures 10 to 12 as they are in the 1 are predominantly shown. The transitions can but instead of punctures 10 to 12 also by radii 13 be realized, as between the crankpin 7 and the cheek 9 intended. For the purposes of the present invention, this distinction is not of particular importance, therefore, in the present text, the punctures 10 to 12 and the radii 13 collectively referred to as "crankshaft radius".

Beispielsweise in der 2 steht der Radius 13 senkrecht auf der Abrundung 14. Beim Einsetzen der Erwärmung mit Hilfe eines Laserstrahls und anschließender Abkühlung wird unterhalb der Abrundung 14 ein mondsichelförmiger Bereich 15 aus gehärtetem Material, beispielsweise Martensit, gebildet. Im Anschluss an die Bildung des gehärteten Bereichs 15 erfolgt die Vergütung durch das an sich bekannte Verfahren des „Anlassens". Beim Anlassen wird die Abrundung 14 noch einmal mit einem Laserstrahl bei Temperaturen um 300° Celsius kurzzeitig behandelt. Als Ergebnis erhält man somit eine Zone vergüteten Materials innerhalb des mondsichelförmigen Bereichs 15.For example, in the 2 is the radius 13 perpendicular to the rounding 14 , At the onset of heating by means of a laser beam and subsequent cooling is below the rounding 14 a crescent-shaped area 15 made of hardened material, for example martensite. Following the formation of the hardened area 15 the remuneration is carried out by the per se known method of "tempering." On starting, the rounding off 14 treated once again with a laser beam at temperatures around 300 ° C for a short time. As a result, one obtains a zone of annealed material within the crescent-shaped area 15 ,

Anschließend an die Vergütung wird die Abrundung 14 nochmals mit einem Festwalzwerkzeug (nicht gezeigt) verdichtet. Durch das Festwalzen stellt sich in der Abrundung 14 eine Kontur ein, wie sie etwa der Linie 16 entspricht. Das heißt, es entstehen Aufwerfungen 17 und 18 von geringer Höhe zum Hubzapfen 7 bzw. zur Wange 9 hin und eine Vertiefung 19 annähernd senkrecht zum Radius 13. Dabei stellt sich im Kurbelwellenradius eine Druckeigenspannung ein, wie sie durch die Linie 20 angedeutet wird. Die Druckeigenspannung 20 hat ihr Maximum dicht unterhalb der Vertiefung 19 und reicht bis in eine Tiefe von über einem Millimeter in den Kurbelwellenradius hinein. Die 2 zeigt den Verlauf der Druckeigenspannung 20 deutlich. Die Druckeigenspannung 20 verhindert, dass sich innerhalb der Vertiefung 19 in Folge der Biegewechsellast, welches die Kurbelwelle 1 im Betrieb dauern unterworfen ist, Anrisse ausbilden können.After the compensation is the rounding off 14 again compacted with a deep rolling tool (not shown). Due to the deep rolling turns in the rounding off 14 a contour, such as the line 16 equivalent. That is, it originates elevations 17 and 18 from low height to the crankpin 7 or to the cheek 9 towards and a depression 19 approximately perpendicular to the radius 13 , This creates a compressive residual stress in the crankshaft radius, as through the line 20 is hinted at. The compressive residual stress 20 has its maximum just below the depression 19 and extends into the crankshaft radius to a depth of over one millimeter. The 2 shows the course of the compressive residual stress 20 clear. The compressive residual stress 20 prevents it from getting inside the recess 19 as a result of the bending load, which is the crankshaft 1 in operation, is subjected to subject, can form cracks.

11: Kurbelwellecrankshaft
22: HauptlagerzapfenMain bearing journal
33: HauptlagerzapfenMain bearing journal
44: Drehachseaxis of rotation
55: Abstand Hubdistance stroke
66: Drehachseaxis of rotation
77: Hubzapfencrank pins
88th: Wangecheek
99: Wangecheek
1010: Einstichpuncture
1111: Einstichpuncture
1212: Einstichpuncture
1313: Radiusradius
1414: Abrundungrounding off
1515: Härtungsbereichcuring area
1616: FestwalzkonturDeep rolling contour
1717: Aufwerfungbeautiful
1818: Aufwerfungbeautiful
1919: Vertiefungdeepening
2020: DruckeigenspannungCompressive stress

LITERATURHINWEISEREFERENCES

1. Achmus, Christian: "Measurement and calculation of the Surface condition of complex components after deep rolling "Clausthal-Zellerfeld: Paper plane, 1999 Zugl .: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 1998 ISBN 3-89720-276-X
2. Young, Udo: "FEM simulation and experimental optimization of deep rolling component-like Samples of different sizes "/ As Ms. gedr.- Aachen: Shaker, 1996 (reports from material technology) Zugl .: Darmstadt, Techn. Hochsch., Diss., 1996 ISBN 3-8265-1861-6
3. Schaal, Reimar: "Calculation the fatigue strength of solid components by FEM solid rolling simulation and Methods of Linear-elastic Fracture Mechanics "Aachen: Shaker, 2002 (Reports from Materials Engineering, edited by Prof. Dr.-Ing. Christina Berger; Bd. 2002, 1) Zugl .: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2002 ISBN 3-8322-0745-7
4. "Classification of laser beam hardening into the production engineering practice " From the Faculty of Mechanical Engineering of the Rheinisch-Westfälische Technical University of Aachen to obtain the academic degree a doctor engineer approved dissertation submitted by graduate engineer Clemens Schmitz - Justen
5. Fraunhofer Institute for Durability LBF, Darmstadt "Laser hardening of a crankshaft" Fraunhofer IFAM DZ-SIMTOP-Simulation, CAE, FEM, FEA - rmcat V0.2.278 2.20 http://www.simtop.fhg.de/cgi-bin/rmcat? 1099sz01 12.11.03

Claims

Method of machining crankshaft radii on prefabricated crankshafts for passenger car engines, characterized in that - the edge layers of the crankshaft radii are hardened, - the same surface layers are tempered after hardening and - after tempering, they are firmly rolled using deep-rolling tools.

A method according to claim 1, characterized in that for hardening a crankshaft radius, a laser beam is used, with a power of about 1 kW / cm ^2, the surface of the crankshaft radius and the immediately underlying material to a depth of one millimeter to a temperature above the austenitizing temperature of the material is heated.

Method according to claim 2, characterized in that that the material is at about 900 ° C is heated.

Method according to claim 2, characterized in that that the advancing movement of the laser beam is chosen that sufficient time is available for austenitizing the material.

Method according to claim 4, characterized in that that an additional external deterrent is provided by water or compressed air.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the crankshaft radii after curing at a very short tempering time tempered at relatively high temperatures.

Method according to Claim 6, characterized that the tempering temperature is selected at about 300 ° C.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized that the crankshaft radii when hardening approximately to room temperature cools.

Method according to claim 8, characterized in that that the crankshaft radii after starting approximately on Room temperature cools down.

Method according to one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that the roller crankshafts festwalzt with increased rolling forces.