DE3219172C2 - Maschine zum Härten von Nockenwellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Härten von Oberflächen gußeiserner Werkstücke durch Aufschmelzen im Lichtbogen. Zur Vermeidung einer ungleichmäßigen Härtung der Oberfläche bei schlangenförmigem Verlauf der Schmelzbahn wird im Bereich der Umkehrpunkte die oszillierende Bewegung des Lichtbogens in bezug auf das Werkstück vergrößert, während sie zwischen den Umkehrpunkten im wesentlichen konstant gehalten wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Härten einer im wesentlichen langgestreckten, gußeisernen Werkstückoberfläche, insbesondere der Lauffläche eines Nockens, durch Aufschmelzen der Oberfläche im Lichtbogen und anschließendes Abschrecken, bei dem der Lichtbogen entlang einer die Mittellinie der aufzuschmelzenden Werkstückoberfläche an in Richtung der Mittellinie versetzten Punkten kreuzenden Bahn mit Umkehrpunkten nah an den beiden Rändern der Werkstückoberfläche geführt ist.

Es sind Maschinen mit einem translatorisch verstellbaren Werkstückträger und einem Antrieb zur oszillatorischen Verstellung des Werkstückträgers bekannt, bei der der Werkstückträger motorisch über einen Kurbelantrieb verstellbar ist (vergleiche z. B. DE-PS 27 03 469 und DE-GM 77 02 409).

Mit Einrichtungen dieser Art wird die Oberfläche der Werkstücke auf schlangenförmig entlang der Oberflä

che verlaufenden Bahnen aufgeschmolzen und gehärtet Während sich das Werkstück um seine Achse dreht, bewegt sich der Brennfleck des Lichtbogens, der die Oberfläche des Werkstücks aufschmilzt aus einer 5 Mittenlage heraus nach beiden Seiten im Takt einer annähernd harmonischen Schwingung. Dabei ist die Geschwindigkeit der Schwingung in der Mittenlage, d. h. in der Mitte des aufzuschmelzenden Werkstücks, am größten und nimmt zum Rande hin ab. Die IO Oberlagerung der Drehbewegung des Werkstücks und der Bahnbewegung des Brennfleck ergeben eine annähernd sinusförmige Geschwindigkeitsverteilung, wobei am Rand der Schweißbahn eine relativ geringe Geschwindigkeit erzeugt wird. Daraus folgt jedoch is unmittelbar, daß die Umschmelztiefe in der Mitte des Werkstücks in Relation zu dem Rändern gering bleibt Man begibt sich deshalb in die Gefahr, daß am Rande des Werkstücks große Schmelztiefen erzielt und damit die aufgeschmolzenen Massen von dem Werkstück 20 ablaufen.

Es ergibt sich deshalb stets ein mehr oder weniger großer Formverlust der Werkstücke, der nachteilig ist Der Formverlust ist umso größer bemerkbar dann, wenn — wie allgemein üblich — die Werkstücke nach dem Härten abgeschliffen werden. Die infolge der unterschiedlichen Transportgeschwmdigkeiten des Brennflecks sich ergebenden unterschiedlichen Einschmelztiefen bzw. Einhärtetiefer. treten dann deutlich in Erscheinung, wenn die Kärteschicht durchlaufen wird. Es wird so deutlich, daß die Einhärtetiefen entlang der Schmelzbahn unterschiedlich sind.

Die Erfindung befaßt sich deshalb mit der Aufgabe, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugehen, bei dem die Einhärtetiefen entlang der gesamten Oberfläche des zu härtenden Werkstücks insbesondere quer zur Mittenachse der Werkstückoberfläche hin, im wesentlichen gleichmäßig verläuft

Erfindungsgemäß wird dieses durch ein Verfahren der

genannten Art dadurch erreicht, dnü der Lichtbogen

von dem einen Rande zum anderen im wesentlichen mit höherer Geschwindigkeit und/odir zurück zu dem einen Rand mit höherer Geschwindigkeit geführt ist

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in der Praxis in verschiedener Weise durchführen. So ist es *5 möglich, auf dem Werkstück einen zickzackförmigen Verlauf aber auch einen mäanderförmigen Verlauf der Schmelzbahn zu erzeugen. Der zickzackförmige Verlauf der Schmelzbahn läßt sich noch dadurch variieren, daß der eine Bahnabschnitt vom einen Rand zum anderen Rand mit konstanter, für die Aufschmelzung ausreichend kleiner Bahngeschwindigkeit durchlaufen wird, .vährend der andere Bahnabschnitt von dem anderen Rand zum einen Rand zurück mit wesentlich höherer Relativgeschwindigkeit durchlaufen wird, so daß es bei diesem Rücklauf nicht zu einem Aufschmelzen der Oberfläche kommt. Während im ersten Fall der zickzackförmigen Schmelzbahn die Abstände benachbarter Bahnabschnitte über die Breite der aufzuschmelzenden Oberfläche unterschiedlich ist, ist im zweiten Fall der Abstand der Schmelzbahnen konstant. Bei der dritten Alternative, dem mäanderförmigen Verlauf der Schmelzbahn, muß in den Umkehrpunkten die Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Elektrode ausreichend groß sein, damit es nicht zur Aufschmelzung an den Rändern kommt. Die für die Schmelzbahnen erforderliche Querbewegung erfolgt dagegen mit einer für die Aufschmelzung ausreichend kleinen Relativgeschwindigkeit. Vorzugsweise wird das Werk-

stück gegenüber der Querbewegung der Elektrode schrittweise vorbewegt

Die an den verschiedenen Orten der aufzuschmelzenden Oberfläche geforderte unterschiedliche Geschwindigkeit läßt sich maschinell auf verschiedene Art und Weise verwirklichen.

Bei einer erfindungsgemäßen Maschine zur Härtung von gußeisernen Werkstücken, die sich zur Durchführung des Verfahrens eignet, ist einem translatorisch verstellbaren Werkstückträger ein Antrieb zu dessen oszillatorischer Verstellung vorgesehen. Der Werkstückträger ist motorisch über einen Kurbelantrieb mit zyklisch veränderlicher Drehzahl derart antreibbar, daß der Brennfleck über das Werkstück mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit und mit hoher Geschwindigkeit in den Umkehrpunkten der Bewegung und/oder zurück über das Werkstück transportiert wird. Für die Ausführung eines solchen Ungleichförmigkeitsgetriebes bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Nach einer Ausführung erfolgt der Antrieb der Kurbel über zwei ovale Zahnräder. Nach einer Ausführung erfolgt der Antrieb der Kurbel mittels eines in seiner Drehzahl steuerbaren Motors. Schließlich kann die Relativbewegung zwischen Werkstück und Brenner auch mittels eines SNC-gesteuerten Werkstückträgers mit mäanderförmigen, im wesentlichen konstanten Vorschub über die gesamte Breite der umzuschmelzenden Fläche erfolgen.

Da es für die gleichmäßige Einhärtetiefe nur auf eine konstante Relativbewegung zwischen Werkstück und Elektrode ankommt, auf bestimmten Bahnabschnitten, wo keine Einschmelzung erfolgen soll, die Bahngeschwindigkeit aber beliebig groß sein kann, sollte zur Vermeidung von unnötig großen Antriebsaggregaten jeweils das an der Relativbewegung teilnehmende Teil angetrieben werden, das die kleinste Masse hat In der Regel ist das die Elektrode. Es ist in diesem Sinne sogar möglich, eine elektromagnetische Ablenkung vorzusehen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung, die teilweise eine Maschine zur Härtung von Nockenwellen zeigt, näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine umzuschmelzende Nocke in einer Seitenansicht.

F i g. 2 zeigt als wesentlichen Bestandteil einer Härtemaschhie für solche Nocken eint;» Bewegungsmechanismus für diese Nocke.

F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Teils des Bewegungsmechanismus.

Fi;:. 4 zeigt ein weitere: Ausführungsbeispiel eines Teils des Bewegungsmechanismus.

In F i g. 1 bezeichnen 1 die Achse einer Nockenwelle, deren Nocken 2 um die Achse herum drehbar und in Richtung des Doppelpfeils oszillatorisch bewegbar sind. Der Brennfleck eines Lichtbogenbrenners schmilzt die Nockenoberfläche entlang einer Bahn auf, und das Material wird einer Selbstabschreckung überlassen. Die Kanten der Nockenlauffläche werden nicht aufgeschmolzen.

Zur oszillatorischen Lagerung der einen Seite der Nockenwelle nach F i g. 1 dient die Anordnung nach F i g. 2, die einen Teil der Härtemaschine für die Nocken der Fig. 1 wiedergibt. Mit 20 ist ein in Richtung des Zapfens 21 auf diesen Zapfen translatorisch in Richtung dos Zapfens verschiebbarer Trägerbalken bezeichnet, der auf den Aufnahmen 22 die eine Seite der Nockenwellen nach Fig.! aufnimmt. Die andere Seite der Welle ist in entsprechenden Lagern gelagert und

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wird durch Federkraft gegen die Aufnahmen 22 gepreßt

Der Trägerbalken 20 ist über Stangen 23 und 24 an Gelenkdreiecke 25 und 26 angelenkt Die Gelenkdreiekke 25 und 26 sind miteinander über eine Stange 27 gekoppelt An dem Gelenkdreieck 26 ist eine Kurbelstange 27a angelenkt, so daß über diese Kurbelstange 27a eine hin- und hergehende Bewegung in die Stange 27 und eine entsprechende oszillatorische Bewegung des Trägerbalkens 20 in Richtung der Koppelstangen 23 und 24 erzeugt werden kann. Die Kurbelstange 27a ist über eine Verstellmöglichkeit an ein Kurbelrad 28 angelenkt Durch Verstellung des Anlenkungspunktes der Kurbelstange 27a an das Kurbelrad 28 läßt sich der Oszillationshub des Trägerbalkens 20 einstellen.

Zum Antrieb des Kurbelrades 28 dienen zwei Ovalzahnräder 29 und 30, die dem Kurbelrad 28 eine zyklisch veränderliche Antriebsdrehzahl verleihen, die eine im wesentlichen gleichbleibende Relativbewegung der Elektrode zur Nockenoberfläche über die Nockenbreite und höhere Geschwindigkeit su den Umkehrpunkten zur Folge hat Das Ovalrad 30 isc über einen Drehstrommotor 31 mit einem entsprechenden mechanisch verstellbaren Getriebe angetrieben.

Die beiden ovalen Zahnräder 29 und 30, die miteinander ständig derart kämmen, daß die Halbmesser der miteinander in Eingriff stehenden Zähne in Summe ständig konstant sind, verleihen der Kurbel eine zyklisch veränderliche Drehzahl derart, daß die Geschwindigkeit des oszillierenden Trägerbalkens 20 in Richtung der Nockenwelle 1 in etwa konstant ist und die Beschleunigung an den Umkehrpunkten der Bewegung, d. h. an den Rändern der Nocke, relativ groß ist Die Verhaarungszeit, die der Brennfleck in den Umkehrpunkten der Nockenbahn einnimmt, ist deshalb verhältnismäßig klein.

In Fig.3 ist die Anordnung derart getroffen, daß Motor 31 über ein Getriebe 31A wiederum zwei Ovalrad-Getriebeteile 32 und 33 antreibt, de&sen Antriebsrad 33 über ein Untersetzungsgetriebe. 34, 25 einen Kurbelantrieb 36,37, der ebenfalls einstellbar ist, antreibt und über eine Kupplung 38 den Trägerbalken 20 entsprechend der F i g. 1 antreibt

Schließlich lassen sich die beschriebenen Ancrdnungen noch durch einen Motorantrieb ersetzen, der einen in seiner Drehzahl steuerbaren Gleichstrommotor o. d. enthält.

Die Erfindung läßt sich nicht nur auf Nockenwellen anwenden. Es lassen sich z. B. auch Kipphebel, die nicht rotationssymmetrisch sind, in dem Verfahren nach der Erfindung härten. An diesen Kipphebeln, die mit Nockenwellen zusammenarbeiten, sind im wesentlichen rechteckförmige Oberflächen, die in Kontakt mit der Nockenwelle stehen zu härten.

Bei Versuchen fiat sich herausgestellt, daß derartige Teile beim Umschmelzen auf einem CNC-gesjeuerten Teiltisch mit konstanter Geschwindigkeit quer zur Laufrichtung eine weitestgehend gestreckte Härtezone ohne die bekannte Schnurrbartbildung haben. Aufgrund der seitlichen Begrenzung der Werkstücke ist nur ein geringer Wärmestföm in Achsrichtung des K.rün> mungsradiusses erforderlich, so daß in den Unikehrpunkten der Oszillationsbewegung eine nur unwesentlich höhere Wärmeleistung als auf der Laufbahn selbst erforderlich ist.

Aber auch andere Automobilteile rotationssymmetrischer oder nicht rotationssymmetrischer Ausbildung lassen sich in dem Verfahren nach der Erfindung mit

Vorteil härten.

Sofern die Relativbewegung zwischen Werkstück und Brenner mittels eines CNC-gesteuerten Werkstückträgers erfolgt, kann auf einfache Art und Weise auch unterschiedlichen Massenverteilungen am Werkstück Rechnung getragen werden, indem die Geschwindigkeiten entsprechend angepaßt werden, so daß z. B. bei geringeren Materialdicken höhere und bei großen Materialdicken geringere Geschwindigkeiten zur Erzielung einer gleichmäßigen Umschmelztiefe gefahren werden.

Das beschriebene Verfahren arbeitet mit Selbstabschreckung der aufgeschmolzenen Metallbahnen. Die Anordnung kann jedoch auch derart getroffen sein, daß mit Hilfe eines Hilfsmediums, z. B. Luft oder Wasser, die Aufschmelzbahnen einer Fremdabschreckung unterworfen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Härten einer im wesentlichen langgestreckten, gußeisernen Werkstückoberfläche, vorzugsweise der Lauffläche eines Nockens, durch Aufschmelzen der Oberfläche im Lichtbogen und anschließendes Abschrecken, bei dem der Lichtbogen entlang einer die Mittellinie der aufzuschmelzenden Werkstückoberfläche an in Richtung der Mittellinie versetzten Punkten kreuzenden Bahn mit Umkehrpunkten nahe an den beiden Rändern der Werkstückoberfläche geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen von dem einen Rande zum anderen im wesentlichen mit gleichbleibender Geschwindigkeit und an den Umkehrpunkten der Bahn mit höherer Geschwindigkeit und/oder zurück zu dem anderen Rand mit höherer Geschwindigkeit geführt ist

2. Maschine zur Härtung von gußeisernen Werkstücken nach Anspruch ί durch Aufschmelzen der Werkstückoberfläche im Lichtbogen und anschließendes Abschrecken mit einem translatorisch verstellbaren Werkstückträger und einem Antrieb zur oszillatorischen Verstellung des Werkstückträgers, bei der der Werkstückträger motorisch über einen Kurbelantrieb versteilbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelantrieb (27a, 28; 36,37) mit zyklisch veränderlicher Drehzahl derart antreibbar ist, daß der Brennfleck über das Werkstück (2) mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit und mit hoher Geschwindigkeit in den Umkehrpunkten der Bewegung und/oder zurück über das Werkstück (2) transportiert wir 1.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Kurbel (27a, 28; 36,37) über zwei ovale Zahnräder (29,30) erfolgt

4. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Kurbel mittels eines in seiner Drehzahl steuerbaren Motors erfolgt.

5. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen Werkstück und Brenner mittels einem CNC-gesteuerten Werkstückträger mit mäanderförmigem im wesentlichen konstantem Vorschub über die gesamte Breite der umzuschmelzenden Fläche erfolgt.