DE2018793A1

DE2018793A1 - Electron beam tool hardening

Info

Publication number: DE2018793A1
Application number: DE19702018793
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. 8000 München. M König
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Priority date: 1970-04-20
Filing date: 1970-04-20
Publication date: 1971-11-04
Also published as: DE2018793B2

Abstract

Localised heating of workpieces is effected by means of an electron beam, the intensity of which is varied according to the configuration, location and/or heat conductivity of the material being heated. This is done to prevent overheating and ensure uniform heating of workpieces, partic. in the heat treatment of steel components and profiles such as saw teeth.

Description

Verfahren zum Härten von Werkstücken oder Werkzeugen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Härten von Nerkstücken oder Werkzeugen, z.B. von Bandsägen, chneid- oder Stanzwerkzeugen, mittels eines Elektronenstrahls. Method for hardening workpieces or tools The present The invention relates to a method for hardening nerkpieces or tools, e.g. from band saws, cutting or punching tools, by means of an electron beam.

Das Härten mittels eines Elektronenstranls, d.h. also das Ernitzen eines Werkstücks durch Einwirkenlassen eines gebündelten Elektronenstrahls auf die jeweils zu härtende Zone des Werkstücks und das nachfolgende Abkühlen der erwärmten Zone durch Selbstabschreckung, ist bereits bekannt. Besonders vorteilhaft ist bei einem solchen Verfahren u.a., daß die Erwärmung der zu härtenden Werkstückszonen sehr kurzzeitig erfolgt.Hardening by means of an electron beam, i.e. pitting of a workpiece by applying a collimated electron beam to the zone of the workpiece to be hardened and the subsequent cooling of the heated one Self-deterrent zone is already known. Is particularly advantageous at such a method, inter alia, that the heating of the workpiece zones to be hardened occurs very briefly.

Darüber hinaus bietet der Elektronenstrahl infolge seiner leichten Ablenkbarkeit durch elektrische oder magnetische Felder die Iyiöglichkeit, ihn auf beliebige Oberflächenstellen eines Werkstücks oder Werkzeugs richten zu können.In addition, the electron beam offers due to its light weight Distractibility by electric or magnetic fields the possibility of it on to be able to straighten any surface areas of a workpiece or tool.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein derartiges mit Elektronenstrahlung arbeitendes fIärteverfahren noch wesentlich zu verbessern und es insbesondere hinsichtlicn seiner Anwendbarkeit dahingehend zu erweitern, daß auch Werkstücke oder Werkzeuge mit komplizierteren geometriachen Oberflächenausbildungen, z.B. Kanten und Spitzen aufweisende Werkzeuge, wie etwa Bandsägen, Scnneid- oder Stanzwerkzeuge, mittels eines Elektronenstrahls gehärtet werden können, wobei die höchsten Härtewerte gerade an den Kanten oder Spitzen eines Werkstücks oder Werkzeugs erzielbar sein sollen. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß vorbestimmte, zu närtende Bereiche oder Stellen eines Werkstücks bzw. Werkzeugs mit an die jeweilige Form und/oder Lage dieser Bereiche oder Stellen angepaßter Elektronenstrahl-Energie beaufschlagt werden.The present invention is based on the object of such a A hardening process using electron beams can still be improved significantly and especially with regard to it its applicability to that effect to expand that also workpieces or tools with more complicated geometriachen Surface formations, e.g. tools having edges and points, such as Band saws, cutting or punching tools, hardened by means of an electron beam can be, with the highest hardness values just at the edges or tips of a Workpiece or tool should be achievable. The invention solves this problem in that predetermined areas or locations to be hardened on a workpiece or Tool with adapted to the respective shape and / or location of these areas or locations Electron beam energy are applied.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vor allem dann äußerst vorteilhaft zum Einsatz bringen, wenn die zu härtenden Zonen eines Werkstücks oder Werkzeugs Volumenelementen zugeordnet sind, die von vornherein ein gegenüber den übrigen Volumenelementen des Werkstücks bzw. werkzeugs unterschiedliches Närmeleitverhalten aufweisen, wie dies etwa bei erkzeugkanten oder -spitzen der Fall ist. Derartige durch gegenüber dem Grundkörper unterschiedliches ärmeleitverhalten gekennzeichnete Bereiche oder Stellen eines Werkstücks bzw.The method according to the invention can then, above all, be extremely advantageous brought into use when the zones of a workpiece or tool to be hardened Volume elements are assigned, which from the start have a relation to the other volume elements of the workpiece or tool have different heat conductivity, such as this is the case with tool edges or tips. Such by opposite areas marked with different thermal conductivity properties or Positioning a workpiece or

Werkzeugs lassen sich unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch härten, daß sie mit entsprechend unterschiedlicher Elektronenstrahl-Energie beaufschlagt werden.Tool can be using the method according to the invention by hardening them with correspondingly different electron beam energies be applied.

Insbesondere können gemäIj einer Weiterbildung der Erfindung die jeweils Volumenelementen mit gegenüber den übrigen Volumenelementen ungünstigerem Närmeleitverhalten zugeordneten zu wartenden Bereiche oder Stellen eines Werkstücks bzw. Werkzeugs mit relativ verminderter Elektronenstrahl-Energie. und/ oder mit einer geringeren Einwirkungsdauer der Elektronenstrahl-Energie beaufschlagt werden.In particular, according to a further development of the invention, the Volume elements with less favorable heat conduction behavior compared to the other volume elements assigned areas or locations of a workpiece or tool to be maintained with relatively reduced electron beam energy. and / or with a lower one Duration of action of the electron beam energy can be applied.

Ideispielsweise ist die Wärmeableitung an den Zahnspitzen einer däge stets etwas niedriger als an den zugehörigen Zahnflanken.For example, the heat dissipation at the tooth tips is a good idea always slightly lower than on the associated tooth flanks.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Härteverfahrens kann jedocn erreicht werden, daß gerade an den am stärksten beanspruchten Sägezahnspitzen die höchsten Härtewerte auftreten, indem beim härten die Energieeinbringung in Anpassung an die Geometrie des Werkstücks bzw. Werkzeugs gesteuert wird Gemä einer sehr vorteilhaften Ausführungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Anpassung der Elektronenstrahl-Energie an die Form und/oder Lage der zu härtenden Bereiche oder Stellen durch entsprechende Einstellung der Leistungsdichteverteilung im Strahlquerschnitt des Elektronenstrahls. eispielsweise läßt sich beim Härten einer Bandsäge durch Anwendung elektronen-optischer maßnahmen die Verteilung der Leistungsdicnte im Bestrahlungsfleck so einstellen, daß die Säge jeweils im Bereich einer Zahnspitze wegen der dortigen ungünstigeren Narmeableitungsverhältnisse mit etwas weniger Energie als an den übrigen zu härtenden Bereichen beaufsctllagt wird, so daß nach dem Abschalten der Energiezufuhr an den Sägezahnspitzen infolge Selbstabschreckung ein sehr feinkörniges Wlartensitgefüge gebildet werden kann.By using the hardening process according to the invention, however, can be achieved that just at the most heavily stressed sawtooth tips The highest hardness values occur by adjusting the energy input during hardening is controlled according to the geometry of the workpiece or tool according to a very advantageous The method according to the invention is carried out by adapting the electron beam energy to the shape and / or location of the areas or locations to be hardened by appropriate Adjustment of the power density distribution in the beam cross section of the electron beam. For example, when hardening a band saw, electron-optical measures adjust the distribution of the power thickness in the radiation spot so that that the saw in each case in the area of a tooth tip because of the less favorable there Heat dissipation relationships with a little less energy than the rest of the to be hardened Areas is acted upon, so that after switching off the energy supply a very fine-grained Wlartenite structure at the sawtooth tips as a result of self-quenching can be formed.

Andererseits ist es aber aucn möglich, daß die Anpassung der Elektronenstrahl-Energie an die Form und/oder Lage der zu härtenden Bereiche oder Stellen des Werkstücks bzw. Werkzeugs durch Wendeln des Elektronenstrahls bei unveränderter Leistungsdichteverteilung in dessen Strahlquerschnitt erfolgt. m beim Beispiel der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für das bandsägehärten zu bleiben, wird gemäß letzterer Ausführungsmöglichkeit der Elektronenstrahl in der Neise beeinflußt, daß der Bestrahlungsfleck mittels hochfrequenter wendelung Bannkurven beschreibt, dergestalt, daß die Einwirkzeit an der Zahnspitze kürzer als in den übrigen Bereichen gehalten wird. Mit anderen Worten wird jeweils an dem Ort einer Sägezahnspitze eine höhere Rastergeschwindigkeit des Bestrahlungsflecks erzeugt als an anderen Bereichen, etwa an den unmittelbar benachbarten Bereichen der Schneidflanken. Beispielsweise laßt sich durch Überlagerung des Elektronenstranls mit einer nocnfrequenten Sinus schwingung eine Nedelung erreichen, bei der die Zahnspitzen jeweils im Bereich des riulldurchgangs der ßinusschwingung liegen, d.h. also jeweils im Bereicn der tiC)Ctlsten Nedelgescnwindigkeit. Im übrigen ist es möglich, das *rfindungsgemäße Verfahren in der Neise auszuführen, daß die Energiebeaufschlagung der zu hartenden Bereiche oder stellen von Volumenelementen mit voneinander abweichendem Wärmeleitverhalten gleichzeitig erfolgt, so daß auf jeden Fall die maximale, durch den Härtungseffekt bedingte Bearbeitungsgeschwindig keit eingehalten werden kann.On the other hand it is also possible that the adjustment of the electron beam energy the shape and / or position of the areas or locations of the workpiece to be hardened or tool by twisting the electron beam with unchanged power density distribution in whose beam cross-section takes place. m in the example of the application of the invention The procedure for band saw hardening is to remain in accordance with the latter implementation option the electron beam in the Neise affects that the irradiation spot by means of high-frequency winding describes spell curves in such a way that the exposure time is kept shorter at the tooth tip than in the other areas. With others Words, a higher scanning speed is achieved in each case at the location of a sawtooth tip of the radiation spot than in other areas, for example in the immediate areas adjacent areas of the cutting flanks. For example, by overlaying of the electron flow with a regular sinusoidal oscillation achieve a refinement, where the tooth tips are each in the area of the zero passage of the ßinus oscillation lie, i.e. in each case in the range of the lowest Nedelgescn SPEED. Furthermore it is possible to carry out the method according to the invention in the manner that the Applying energy to the areas to be hardened or providing volume elements with differing thermal conductivity takes place at the same time, so that in any case the maximum processing speed due to the hardening effect can be maintained.

Andererseits kann es aber auch in manchen Anwendungsfällen günstig sein, wenn die Energiebeaufschlagung der zu härtenden Bereiche oder Stellen von Volumenelementen mit voneinander abweichendem ärmeleitverhalten in zeitlichem Abstand vorgenommen wird.On the other hand, it can also be favorable in some applications be when the application of energy to the areas or places to be hardened by Volume elements with differing thermal conductivity at a time interval is made.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen die'Zeichnungen.The drawings serve to explain the invention in more detail.

Im Rahmen von Ausführungsbeispielen zeigen: Fig. 1 einige Zähne einer mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gehärteten Säge aus Bandstahl und Fig. 2 das Diagramm einer möglichen Leistungsdichteverteilung eines zur Härtung von Sägezahnspitzen dienenden Elektronenstrahls.In the context of exemplary embodiments: FIG. 1 shows some teeth of a with the help of the method according to the invention hardened saw made of strip steel and Fig. 2 the diagram of a possible power density distribution for the hardening of sawtooth tips serving electron beam.

Die Standzeit und die bei Betrieb erzielbare Schnittgeschwindigkeit einer Bandsäge hängen im wesentlichen von den Härtewerten ab, die die Säge an ihren Zahnspitzen und an ihren je einer Zahnspitze benachbarten Schneidflanken aufweist, wobei es äußerst wünschenswert ist, daß die maximale Härte jeweils an den Sägezahnspitzen auftritt.The service life and the cutting speed that can be achieved during operation a band saw depend essentially on the hardness values that the saw on their Has tooth tips and cutting flanks adjacent to each tooth tip, it is highly desirable that the maximum hardness be at each of the sawtooth tips occurs.

In Fig. 1 sind einige Zahnspitzen einer unter Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung gehärteten Bandsäge dargestellt. Der Werkstoff dieser Bandsäge wies die Bestandteile 0,75 O/o C, 1,4 °S Si, 0,65 % Mn und 0,37 60 Cr auf.In Fig. 1, some tooth tips are one using the method shown hardened band saw according to the present invention. The material of this The band saw had the constituents 0.75% O / o C, 1.4 ° S Si, 0.65% Mn and 0.37% Cr.

Zum Härten der Sägezahnspitzen wurde ein Elektronenstrahl mit einem Strahl strom von 10 mA bei 100 kV Beschleunigungsspannung verwendet, wobei die Sägezähne mit einer Gescnwindigkeit von 0,5 m/sec. unter dem einwirkenden Elektronenstrahl hinwegbewegt wurden. Die Anpassung der Elektronenstrahl-Energie an die Sägezaunform erfolgt jeweils durch eine entsprecnende Verteilung der Leistungsdichte im Strahlquerschnitt, wie sie beispielsweise aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 entnommen werden kann, in welchem die Leistungsdichte I in Abhängigkeit vom Abstand r von der Strahlachse dargestellt ist.To harden the sawtooth tips, an electron beam was used with a Beam current of 10 mA at 100 kV acceleration voltage used, the saw teeth with a speed of 0.5 m / sec. under the acting electron beam were moved away. The adaptation of the electron beam energy to the saw-fence shape takes place in each case by a corresponding distribution of the power density in the beam cross-section, as can be seen, for example, from the diagram according to FIG. 2, in which the power density I is shown as a function of the distance r from the beam axis is.

Wie zu erkennen ist, wurde eine derartige Verteilung der Leistungsdichte I im Bestrahlungsfleck gewählt, daß die Intensität im Bereich jeweils einer Sägezahnspitze abnimmt mit einem Minimum direkt an der Zahnspitze (r = O). Im Bereich der beiden einer Spitze benachbarten Zahnflanken wird dagegen mittels entsprechender elektronen-optischer Maßnahmen eine jeweils erhöhte Leistungsdichte im Strahlquerschnitt erzeugt (mit den Maxima bei -r1 und bei +r1), da die Wärmeableitung von diesen Zahnflanken aus zum Sägeblatt bereits wesentlich besser ist als unmittelbar von der Zannspitze aus. Da das Abkühlen durch Selbstabschreckung erfolgen soll, kommt es gerade sehr wesentlich auf eine gute und rasche Wärmeableitung von den erhitzten Zonen an die nicht erhitzten Bereiche eines Nerkstücks bzw. Werkzeugs an. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es nun, durch eine steuerbare Energiebeaufschlagung der zu härtenden Zonen der jeweiligen Werkstücksgeometrie vollauf Rechnung zu tragen und hierdurch der Härte den erforderlichen Verlauf am Werkstück bzw. Werkzeug zu geben.As can be seen, there was such a distribution of power density I selected in the irradiation spot that the intensity is in the range of a sawtooth tip decreases with a minimum directly at the tooth tip (r = O). In the area of the two Tooth flanks adjacent to a tip, on the other hand, are electron-optical by means of a corresponding Measures an increased power density in each case in the beam cross-section (with the maxima at -r1 and at + r1), since the heat dissipation from these tooth flanks to the saw blade is already much better than directly from the Zann tip. Since the cooling is supposed to be done by self-quenching, it comes down to a very important point good and rapid heat dissipation from the heated zones to the unheated areas of a nerkpiece or tool. The inventive The method now allows the to be hardened by a controllable application of energy Zones of the respective workpiece geometry to take fully into account and thereby to give the hardness the required curve on the workpiece or tool.

In dem hier behandelten Beispiel einer Härtung der Sägezahnspitzen einer Bandsäge wird also erfindungsgemäß eine derartige Leistungsdichteverteilung im Bestranlungsfleck des auf einen Zahn jeweils einwirkenden Elektronenstrahls gewählt, daß die Energieeinbringung im Bereich der Zannspitze wegen der dortigen ungünstigeren Wärmeableitungsverhältnisse stets vermindert ist, so daß bei gleichzeitiger äußerst kurzer Einwirkungsdauer der Energie eine rasche Abkühlung durch Selbstabschreckung nach Unterbrechung der Energiezufuhr gewährleistet und somit eine sehr hohe Härte gerade in den Zannspitzen erzielt'werden kann. messungen haben ergeben, daß die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gearteten Sägezahnspitzen (vgl. die gestrichelt gezeichneten Bereiche der Sägezähne in Fig. 1) eine Härte von 950 HVl aufwiesen, wobei der Werkstoff eine Ausgangshärte von 530 HV1 besaß.In the example treated here of a hardening of the sawtooth tips According to the invention, a band saw is thus such a power density distribution selected in the irradiation spot of the electron beam acting on a tooth, that the energy input in the area of the Zannspitze because of the less favorable there Heat dissipation ratios is always reduced, so that at the same time extremely short duration of application of the energy a rapid cooling through self-quenching after interruption of the energy supply guaranteed and thus a very high hardness can be achieved precisely in the Zannspitzen. measurements have shown that the sawtooth tips (cf. the areas of the saw teeth shown in dashed lines in FIG. 1) have a hardness of 950 HV1, the material having an initial hardness of 530 HV1.

Eine Bandsäge aus dem gleichen Werkstoff, die mittels eines üblichen Induktionshärteverfahrens gehärtet wurde, erreichte vergleichsweise lediglich einen Härtewert von 770 HVl in den Zahnspitzen.A band saw made of the same material, which by means of a conventional Induction hardening method was hardened, achieved comparatively only one Hardness value of 770 HVl in the tooth tips.

Als Folge der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielbaren hohen Härte in den Sagezahnspitzen ließ sich eine um den Faktor 6 erhöhte Standzeit der betreffenden Bandsäge gegenüber mit konventionellen Verfahren gehärteten Sägen feststellen, während gleichzeitig die Vorschubgeschwindigkeit verdoppelt werden konnte.As a result of the achievable by means of the method according to the invention Due to the high hardness in the saw tooth tips, the tool life increased by a factor of 6 the band saw in question compared to saws hardened using conventional methods while the feed rate is doubled at the same time could.

Das erfindungsgemaße Iiärteverfahren laßt sich im übrigen mit großem Vorteil vor allen Dingen zur Wartung von Werkstücken bzw. Werkzeugen anwenden, die von Hause aus Kanten und/oder spitzen aufweisen und bei denen speziell diese Kanten bzw.The curing process according to the invention can also be carried out with a large Advantage above all for the maintenance of workpieces or tools that inherently have edges and / or sharp points and specifically these edges respectively.

spitzen die höchsten Härtewerte erfordern, da sie im Betrieb dem starksten Verschleiß ausgesetzt sind, wie dies beispielsweise bei den verschiedenartigsten otanz- und Schnittwerkzeugen der Fall ist.tips require the highest hardness values, as they are the strongest in operation Are exposed to wear, as is the case, for example, with the most diverse otanz- and cutting tools is the case.

- Patentanspruche -- Claims -

Claims

Claims 1. Method for hardening workpieces or tools, e.g.

of band saws, cutting or otanz tools, by means of electron beams, characterized in that predetermined areas or locations to be hardened Workpiece or

Tool with the respective shape and / or location of these areas or places adapted electron beam energy are applied.

2. The method according to claim 1, characterized in that each Volume elements with compared to the other volume elements of the workpiece or Areas to be hardened assigned to the tool with different thermal conductivity properties or areas acted upon with correspondingly different electron beam energy will.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that {the each volume elements with less favorable compared to the other volume elements Thermal conductivity associated with areas to be hardened or areas with relatively reducing Electron beam energy and / or applied with a shorter duration of action will.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that the adaptation of the electron beam energy to the shape and / or location of the to hardening areas or by setting the power density distribution accordingly takes place in the beam cross-section.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in, that the adaptation of the electron beam energy to the shape and / or location of the to hardening areas or places by waving the electron beam with unchanged Power density distribution takes place in the beam cross-section.

6. The method according to claim 6, characterized in that the coiling of the electron beam by superimposing it with a high-frequency sinusoidal oscillation is made.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that the application of energy to the areas or locations of volume elements to be hardened with different thermal conductivities takes place at the same time.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that the application of energy to the areas or locations of volume elements to be hardened takes place with differing thermal conductivities at a time interval.