DE1527508B2

DE1527508B2 - Verfahren zum haerten einer kurbelwelle

Info

Publication number: DE1527508B2
Application number: DE19641527508
Authority: DE
Priority date: 1964-07-24
Filing date: 1964-07-24
Publication date: 1971-07-22
Also published as: US3313016A; GB1079468A; DE1527508A1

Description

1 2

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten tritt, die sich in ungünstigen Fällen in einer grob-

einer Kurbelwelle, deren an der Oberfläche gehärtete körnigen Struktur des Härtegefüges äußert.

Kurbelzapfen bzw. Lagerzapfen Öllöcher aufweisen. Während bei gerade geführten Öllöchern (Abb. 1)

Es ist bereits bekannt, Kurbelwellen für Otto- oder die Verhältnisse noch nicht allzu ungünstig sind, ver-

Dieselmotore, für Kompressoren, Pumpen od. dgl. 5 schlechtem sich die Verhältnisse, wenn die Öllöcher

herzustellen, indem diese aus einem Vergütungsstahl wie gemäß A b b. 2 schräg angebracht sind. Der Zap-

angefertigt und anschließend an ihren auf Verschleiß fen 11 hat die öllochbohrung 13, die unmittelbar von

beanspruchten Lagern einer Oberflächenhärtung diesem Zapfen durch die Wange in den nächsten

unterzogen werden. Diese Oberflächenhärtung wird Zapfen verläuft. Die Härtezone 14 ist im Bereich

durch autogenes oder elektro-induktives Aufheizen io der ungebohrten Oberflächenabschnitte oberflächen-

und anschließendes Abschrecken durchgeführt. So- parallel. Im Bereich des schrägliegenden ölloches da-

lange die Kurbelwellen in starkem Maße überdimen- gegen ergibt sich wiederum eine Vergrößerung der

sioniert waren und die Oberflächenhärtung nur zum Einhärtetiefe, wie sie bei 15' für den stumpfen Winkel

Zwecke der Verhinderung eines zu großen Ver- und bei 15" für den spitzen Winkel erkennbar ist.

schleißes durchgeführt wurde, erfüllten die so her- 15 Insbesondere im Bereich des spitzen Winkels nimmt

gestellten Kurbelwellen die an sie gestellten Förde- die Vergrößerung der Härtetiefe gefährliche Werte

rungen. Im Zuge der Erhöhung der Leistung der an. An dieser Stelle tritt mangels genügender Werk-

Motore ohne gleichzeitige Vergrößerung der Kurbel- Stoffmasse ein besonders starker Wärmestau auf, der

welle ist es jedoch erforderlich, den Kurbelwellen eine gleichzeitig mit einer besonders hohen Übertempera-

höhere Wechselbiege- und Torsionsfestigkeit zu 20 tür verbunden ist.

geben. Dieses ist unter Verwendung legierter Stähle Es stellt sich nun in der Praxis heraus, daß so ge-

durch Zusätze von Chrom, Nickel, Molybdän, Vana- härtete Wellen den an sie gestellten Anforderungen

dium möglich, jedoch außerordentlich kostspielig. nicht mehr entsprechen. Nach kürzerem oder länge-

Aus diesem Grunde wird versucht, die Torsions- und rem Gebrauch weisen solche Wellen Abplatzungen

Wechselbiegefestigkeit von Wellen unter Verwendung 25 im Bereich der öllochränder auf. Außerdem zeigen

unlegierter oder schwach legierter Baustähle mit sich tiefer in den Öllöchern selbst, insbesondere im

anderen Mitteln zu erhöhen; hierbei stellte sich Bereich des Übergangsgefüges zum Kern, nach länge-

heraus, daß durch eine Veränderung der Form der rem Gebrauch Anrisse, die ebenfalls zu einem Ab-

Härtezone, nämlich durch das zusätzliche Härten der platzen der Oberfläche führen können. Naturgemäß

die Kurbelzapfen und Lagerzapfen begrenzenden 30 wird eine Welle beim Eintreten solcher Abplatzungen

Radien eine wesentliche Steigerung der Wechselbiege- durch Festfressen der Lager oder durch sogenannte

und Torsionsfestigkeit erreicht werden kann. Bei glei-.. Heißläufer zerstört.

chen Abmessungen der Welle und gleichem Werkstoff Durchgeführte Versuche zeigen, daß insbesondere

gelingt es, die Leistungsbeaufschlagung der Welle um Wellen gefährdet sind, die in hochbeanspruchten

80 bis 100 % zu steigern, ohne daß die Gefahr von 35 Motoren einem häufigen Temperaturwechsel aus-

Dauerbrüchen eintritt. Das Verschleißverhalten der gesetzt sind. Dieser Temperaturwechsel führt zu einer

Welle ändert sich dabei nicht, da im Bereich der Vergrößerung und Vertiefung der auftretenden Risse

Lagerungen die Zapfen die übliche Härtezone auf- und in vielen Fällen zur völligen Zerstörung der

weisen. Wellen.

Bei derartig gehärteten Mittel- und Hublager- 40 Um Ausfallerscheinungen, die von den öllöchern

zapfen ergeben sich aber bei der hohen Belastung ausgehen, zu vermeiden, ist es — wie in der franzö-

kritische Stellen im Bereich der Öllöcher, weil durch sischen Patentschrift 1 001 858 erwähnt — bekannt,

die Härtung unter Anwendung des autogenen oder vor der Härtung metallische Stopfen in die Öllöcher

induktiven Erhitzens eine tiefe Einhärtung in diesen einzusetzen, um auf diese Weise Überhitzungen zu

Bereiche erfolgt. 45 vermeiden. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwen-

In Abb. 1 und 2 sind im senkrechten Längsschnitt dig und schwierig durchzuführen; vor allem das Ent-

die Verhältnisse für gerade oder schräg gebohrte öl- fernen der Stopfen nach der Härtung gelingt nicht

löcher dargestellt. immer planmäßig.

In A b b. 1 ist ein Hub- oder Mittellagerzapfen 1 Nach einem nicht vorbekannten Vorschlag soll das dargestellt, der mit einer axialen Bohrung 2 versehen 50 ölloch vor dem Härten mit Stoffen gefüllt werden, ist. Es ist ein Ölkanal 3 vorgesehen, der der Zufüh- die gebundenes Kristallwasser enthalten, welches rung des Schmieröls zur Lagerfläche dient. Bei der beim Erhitzen des Werkstückes entweicht. Die daunter autogenem oder induktivem Erhitzen durch- durch bewirkte Kühlung führt zwar zu einer Vergeführten Härtung wird eine Härtezone erzeugt, die ringerung der Übertemperatur; diese ist aber für viele — wie bei 4 angedeutet — parallel zur Oberfläche 55 Fälle nicht ausreichend.

verläuft. Im Bereich der abgerundeten Kanten des Aus der bereits genannten französischen Patentölloches 3 ergibt sich aber eine Vergrößerung der schrift ist ferner ein Verfahren bekannt, welches bei Härtetiefe wie bei 5' und 5" dargestellt. Diese Ver- Kurbelwellen zum Härten der Lagerflächen dient, an größerung der Härtetiefe erklärt sich aus dem zu- denen öllochbohrungen austreten. Bei diesem Versätzlichen Wärmestau, der sich automatisch am öl- 60 fahren wird nicht die gesamte Lagerfläche gehärtet, lochrand ergibt. Bei der induktiven Erhitzung kommt sondern nur jene Zonen der Lagerfläche, an denen hinzu, daß durch eine Konzentrierung der Stromfäden keine öllochbohrung austritt. Ein stärkerer Verim Bereich der öllochränder tatsächlich auch eine schleiß der weicheren, die Öllochbohrungs-Austrittsstärkere Heizwirkung in diesem Bereich ausgeübt öffnung enthaltenden, streifenförmigen Lagerflächenwird. 65 zone wird dabei bewußt in Kauf genommen. Auf diese

Es ist hierbei kaum zu vermeiden, daß neben der Weise hergestellte Kurbelwellenlager sind aber nicht

Vergrößerung der Härtetiefe auch eine mehr oder universell verwendbar,

weniger schädliche Überhitzung des öllochrandes ein- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,

ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle anzugeben, deren an der Oberfläche gehärtete Kurbelbzw. Lagerzapfen Öllöcher aufweisen, welche die gehärtete Oberflächenschicht des Lagers durchdringen und die — unter Vermeidung härtungsbedingter Anrisse im Bereich der Öllochbohrung — einfach und völlig betriebssicher ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwar die gesamte Oberfläche des Kurbel- oder Lagerzapfens gehärtet, jedoch der der Öllochaustrittsstelle entsprechende Umfangsbereich des Zapfens auf geringere Tiefe aufgeheizt wird als die übrige Breite des Zapfens und die Zapfenoberfläche durch Abschrecken gehärtet und das Ölloch mittels elektro-chemischem Werkstoffabtrags mindestens durch die Härteschicht hindurchgebohrt wird.

Die erfindungsgemäße Maßnahme führt zu einer Härtezone wie sie in A b b. 3 im senkrechten Axialschnitt dargestellt ist. Der Zapfen 21 ist mit einem schrägliegenden Ölloch 23 zu versehen. Im Bereich der Austrittsstelle des Ölloches an die Oberfläche wird eine Härtezone 25 erzeugt, die eine geringe Härtetiefe aufweist als in den oberflächenparallelen Abschnitten 24. Eine solche bewußt ungleichförmige Oberflächenhärtung läßt sich mit bekannten Mitteln ohne weiteres erzielen. Es kann beispielsweise, wenn das elektro-induktive Erhitzen angewendet wird, der elektrische Kopplungsabstand im Bereich 25 vergrößert werden oder es können auf dem Induktor gegenüber den Bereichen 24 Magnetjoche aufgesetzt werden, die jedoch im Bereich gegenüber 25 fehlen.

Auch bei autogener Beheizung der Zapfen ist es möglich, im Bereich des späteren Ölloches mit verringerter Energiezufuhr zu arbeiten. Im Anschluß an das Abschrecken wird das Ölloch 23 mittels elektro^vchemischem Werkstoffabtrag mindestens durch die Härteschicht 25 hindurchgebohrt.

Auf diese Weise wird erreicht, daß an den abgerundeten Rändern 23' und 23" des Ölloches 23 wie bei 25' und 25" angedeutet, höchstens die gleiche Härtetiefe erreicht wird wie in den Bereichen 24.

Der elektrochemische Werkstoffabtrag wird — wie an sich bekannt — mittels einer Metallelektrode unter Anwendung von Gleichstrom und einem aus wäßriger Metallsalzlösung bestehenden Elektrolyten durchgeführt. Dabei werden zweckmäßigerweise gleichzeitig die Bohrlochränder abgerundet.

Es wäre an sich möglich, ein solches Bohrloch 23 vollständig auf dem Wege des elektro-chemischen Werkstoffabtrags herzustellen. Die Abtragsleistung ist aber verhältnismäßig gering und in weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, daß nach Durchbohren der gehärteten Schicht auf elektro-chemischem Wege das weitere Bohren des ölloches spangebend erfolgt. Hierbei ist es besonders zweckmäßig, so vorzugehen, daß das elektrochemische Abtragen und das spangebende Bohren in gleicher Aufspannung des Werkstückes und unter Umschlagen des Werkzeugträgers erfolgt.

Da beim spangebenden Bohren ein Grat entsteht, kann es zweckmäßig sein, auf elektro-chemischem Wege auch noch ein Entgraten durchzuführen, wenn auch wiederum ein entsprechend einzustellender Werkzeugkopf bei gleicher Aufspannung des Werkstückes verwendet werden kann.

Die durch die Maßnahme gemäß der Erfindung verhinderte tiefe Einhärtung im Bereich der öllochränder und die Vermeidung einer Überhitzung des Gefüges in diesem Bereich stellen sicher, daß es nicht zu Ausfallerscheinungen wie Abplatzen und Ausbrechen der Kanten u. dgl. während der Betriebszeit der Welle kommt. Unterstützt wird diese Wirkung durch das Bearbeiten der gehärteten Schicht und das Abrunden der Öllöcher durch elektro-chemischen Werkstoffabtrag, weil auf diese Weise die Oberfläche völlig riefenfrei erhalten wird. Riefenfreiheit trägt dazu bei, daß auch bei hoher Beanspruchung der Wellen ein vom Bereich der Öllöcher ausgehender Dauerbruch auf Grund der Wechselbiege- oder Torsionsbeanspruchung nicht eintritt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Härten einer Kurbelwelle, deren an der Oberfläche gehärtete Kurbelzapfen bzw. Lagerzapfen Öllöcher aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zwar die gesamte Oberfläche des Zapfens gehärtet, jedoch der der öllochaustrittsstelle entsprechende Umfangsbereich des Zapfens auf geringere Tiefe aufgeheizt wird als die übrige Breite des Zapfens, daß die Zapfenoberfläche durch Abschrecken gehärtet und das Ölloch mittels elektro-chemischem Werkstoffabtrags mindestens durch die Härteschicht hindurchgebohrt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem elektro-chemischen Bohren gleichzeitig das Abrunden der Bohrlochränder erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchbohren der gehärteten Schicht auf elektro-chemischem Wege, vorzugsweise in gleicher Aufspannung und Umschlagen des Werkzeugträgers, das spangebende Bohren des Öllochs erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen