DE10361739B4 - Method for machining crankshaft radii - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien an vorgefertigten Kurbelwellen
für Pkw-Motoren
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Randschichten der Kurbelwellenradien
mit einem Laserstrahl mit einer Leistung von etwa 1 kW/cm2 bis auf eine Tiefe von einem Millimeter
bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des
jeweiligen Stahls und anschließende
Abkühlung
bis annähernd
auf Raumtemperatur gehärtet,
– dieselben
Randschichten nach dem Härten
innerhalb kurzer Anlasszeit mit einem Laserstrahl auf Anlasstemperatur bei
etwa 300°C
angelassen und
– nach
dem Anlassen mit Hilfe von Festwalzwerkzeugen festgewalzt werden.Process for machining crankshaft radii on prefabricated crankshafts for passenger car engines, characterized in that
Hardened the edge layers of the crankshaft radii with a laser beam with a power of about 1 kW / cm 2 to a depth of one millimeter at a temperature above the Austenitisierungstemperatur of the respective steel and subsequent cooling to approximately room temperature,
- The same surface layers after curing within a short annealing time with a laser beam to tempering temperature at about 300 ° C tempered and
- are rolled down 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.The The invention relates to a method for machining crankshaft radii on prefabricated crankshafts for Car engines.
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
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.
Aus
der
Zusätzlich ist
es aus der
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.The invention is based on the object to provide a method for processing crankshaft radii for crankshafts of passenger car engines, by which the fatigue strength of the crankshaft can be further increased. At the same time should The procedure is easy to use and inexpensive.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des Anspruchs 1 auf. Gemäß der Erfindung werden die Vorteile der beiden an sich bekannten Verfahren, nämlich des Festwalzens und des Randschichthärtens von Kurbelwellenradien miteinander kombiniert.The solution This object is achieved in the features of claim 1. The dependent claims advantageous developments of the subject matter of claim 1. According to the invention become the advantages of the two known methods, namely the Rolling and surface hardening combined by crankshaft radii.
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 during laser beam hardening achievable depth depends assuming that the cooling rate is big enough. If the cooling rate is too low It can happen that on the surface of the crankshaft radii not hardened Areas arise. For low-alloy steels, such as those for crankshafts widespread C 38 is the for the hardening required cooling rate high. An additional external deterrent 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
Die
Kurbelwelle
Beispielsweise
in der
Anschließend an
die Vergütung
wird die Abrundung
- 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
- Härtungsbereichtempering area
- 1616
- FestwalzkonturDeep rolling contour
- 1717
- Aufwerfungbeautiful
- 1818
- Aufwerfungbeautiful
- 1919
- Vertiefungdeepening
- 2020
- DruckeigenspannungCompressive stress
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