DE3508131A1

DE3508131A1 - Verfahren und vorrichtung zum umschmelzen und haerten eines laenglichen werkstuecks, insbesondere einer nockenwelle

Info

Publication number: DE3508131A1
Application number: DE19853508131
Authority: DE
Inventors: Kenji Saitama Fujii; Akitaka Inao; Toshihiko Sayama Saitama Saga
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1984-03-07
Filing date: 1985-03-07
Publication date: 1985-09-19
Also published as: DE3508131C2; GB8505957D0; GB2155498B; US4761192A; GB2155498A; CA1236382A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Umschmelzen und Härten eines länglichen Werkstücks, insbesondere einer Nockenwelle

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umschmelzen und Härten eines länglichen Werkstücks, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umschmelzen und Härten der äußeren Nockenprofilflächen einer Nockenwelle.

Es ist bereits ein Umschmelz- und Härtungsvorgang für die äußeren Nockenprofilflachen von Nockenwellen zur Verwendung in Brennkraftmaschinen praktiziert worden. Wie in der Druckschrift UK Patentanmelduung GB 2 004 613 A offenbart, enthält ein bekannter Umschmelz- und Härtungsprozeß einen Schritt zum Schmelzen der Nockenoberflächen, beispielsweise mit einem sog. TIG-Brenner oder einem Laserstrahl, zum Bilden gehärteter Nockenoberflächen.

Eine Nockenwelle weist eine Vielzahl von Nockenoberflächen,

z. B. zumindest acht Nockenoberflächen zur Verwendung in einem Vierzylindermotor bzw. zwölf Nockenoberflächen zur Verwendung in einem Sechszylindermotor auf. Um diese Vielzahl von Nockenoberflächen umzuschmelzen und zu härten, enthält eine herkömmliche Vorrichtung für diese Zwecke eine Vielzahl von Umschmelzbrennern zum Erhitzen der jeweiligen Nockenoberflächen, wie dies in der US-Patentschrift 4,147,335 offenbart ist. Diese bekannte Vorrichtung ist insofern vorteilhaft, als alle der Nockenoberflächen gleichzeitig in einem einzigen Vorgang umgeschmolzen und abgeschreckt werden können. Indessen erfordert die Vorrichtung soviele Brenner, wie zu behandelnde Nockenoberflächen vorhanden sind, und demzufolge weist die Vorrichtung eine komplizierte Konstruktion auf, hat große Abmessungen und ist teuer in der Herstellung.

Um den zunehmenden Wünschen nach leichteren und mehr kompakten Motoren nachzukommen, besteht augenblicklich eine

Tendenz hin zu kleineren Abständen zwischen den Nocken einer Nockenwelle. Als Folge davon sind Umschmelzbrenner erforderlich, die in Abständen mit kleineren Intervallen angeordnet sein müssen, damit sie an die Abstände zwischen den Nockenoberflächen angepaßt sind. Da indessen jeder Brenner abmessungsmäßig wegen der erforderlichen Mindestbreite bestimmten Beschränkungen unterworfen ist, ist es praktisch unmöglich, die Umschmelzbrenner jeweils in Nachbarschaft der Nocken für die Nockenwelle zu plazieren.

Es ist üblich, die gesamte Nockenwelle bei dem Umschmelzprozeß auf eine Temperatur vorzuwärmen, die sich in einem Bereich von 250°C bis 450°C bewegt. Der Vorwärmschritt ist notwendig, weil dann, wenn die Nockenoberflächen wirksam ohne Vorwärmung umgeschmolzen und abgeschreckt wurden, die umgeschmolzenen Abschnitte zu schnell abgeschreckt und erstarrt sein würden, was zu Brüchen aufgrund der Materialschrumpfung führen würde. Es würden sich Sauerstoffmoleküle, die von einem Oxid in dem Gußeisen freigegeben würden, mit Kohlenstoffmolekülen verbinden, um ein Kohlendioxidgas zu erzeugen, das einem Einfangen in den erstarrten Oberflächen mit dem Ergebnis ausgesetzt werden könnte, daß sich eine poröse Struktur aufgrund eines sog. Kalteinschlusses ergibt. Die zuvor genannten Mängel können, wenn das Umschmelzen und Abschrecken der Nockenoberflächen ohne deren Vorwärmung durchgeführt wird, durch Zuführen einer der Vorwärmung äquivalenten Menge thermischer Energie zu jeder der Nocken, d. h. durch langsames Erhitzen der Nocken zum Umschmelzen derselben vermieden werden. Ein solcher Prozeß ist indessen zeitaufwendig und setzt die Fertigungsrate herab.

Es entspricht herkömmlicher Praxis, die Nocken in dem Umschmelzprozeß entweder durch Durchleiten eines elektrischen Stroms durch die Nockenwelle, umd dieselbe aufzuheizen, oder durch Verbringen der Nockenwelle in einen Wärmeofen vorzuwärmen. In jedem dieser Fälle wird die Nockenwelle in einem Bereich vorgewärmt, der ein anderer als der Um-

Schmelzbereich ist. Außerdem ist das elektrische Vorwärmen deshalb nachteilig, weil es zweitaufwendig ist, die vorgewärmte Nockenwelle aus dem Vorwärmbereich in den Umschmelzbereich zu verbringen, und weil die Nockenwelle unregelmäßig lokalisierten Temperaturen ausgesetzt werden kann, während sie aus dem Vorwärmbereich in den Umschmelzbereich verbracht wird, wobei die unregelmäßig lokalisierten Temperaturen für den Umschmelzprozeß keinesfalls günstig sind. Der Wärmeofenprozeß erfordert einen Wärmeofen, der den Raumbedarf und die Kosten der Installation erhöht und die Effektivität verringert.

Angesichts der zuvor beschriebenen Schwierigkeiten, die beim Stand der Technik bestehen, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein leistungsfähiges und wirksames Umschmelzen und Härten einer Welle, die eine Vielzahl von zu behandelnden Oberflächen, wie Nocken auf einer Nockenwelle zur Verwendung in einer Vielzylinder-Brennkraftmaschine oder dergl., aufweist, zu schaffen, wodurch eine Vergrößerung des Arbeitsaufwandes bei dem Umschmelz- und Härtungsprozeß vermieden werden kann. Desweiteren besteht die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umschmelzen und Härten einer Welle in einem Prozeß, der einen Vorwärmschritt enthält, mit einer kompakten Anordnung zu schaffen, wobei der Prozeß in einer verkürzten Zeitspanne und mit einer erhöhten thermischen Leistungsfähigkeit bei verringerten Kosten durchzuführen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Umschmelzen und Härten eines länglichen Werkstücks, das eine Vielzahl von in axialer Richtung einen Abstand voneinander aufweisenden Werkstückabschnitten hat, die zu behandeln sind, vorgeschlagen, das Schritte zum Halten des Werk-Stücks in einer ersten Position, zum Drehen des Werkstücks um dessen Achse in der ersten Position, zum Umschmelzen und Härten zumindest eines Teils der äußeren Fläche zumindest

eines der Werkstückabschnitte mit einem Brenner und zum aufeinanderfolgenden Bewegen des Brenners in axialer Richtung längs des Werkstücks zum Umschmelzen und Härten benachbarter der Werkstückabschnitte enthält. 5

Außerdem wird erfindungsgemäß zur Lösung der genannten Aufgabe eine Vorrichtung zum Umschmelzen und Härten eines länglichen Werkstücks, das eine Vielzahl von in axialer Richtung einen Abstand voneinander aufweisenden Werkstückabschnitten hat, die zu behandeln sind, vorgeschlagen, die ein erstes Haltemittel zum Halten des Werkstücks in einer ersten Position, ein Werkstückdrehmittel zum Drehen des Werkstücks um dessen Achse in der ersten Position, zumindest einen Brenner zum Umschmelzen und Härten zumindest eines Teils jeder von äußeren Flächen der Werkstückabschnitte und Brennerbewegungsmittel zum aufeinanderfolgenden Bewegen des Brenners in axialer Richtung und den äußeren Flächen der Werkstückabschnitte gegenüberstehend enthält.

Die zuvor genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der im folgenden anhand mehrerer Figuren gegebenen Beschreibung deutlich, wobei die Figuren jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Erfindung darstellen.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.

Fig. 4 zeigt eine Teilschnittansicht einer Bewegungsschnecke und einer Basis, welche Teile sich gegenseitig durch eine Schraubverbindung halten.

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht längs einer Linie V-V in Fig. A.

Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Vertikalschnittansicht einer Plasmabrennerdüse.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuersystems für die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umschmelzen und Härten.
10

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Pfades der Prozeßbewegung eines Brenners über die Nockenoberfläche einer Nocke.

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung, die die Art und Weise verdeutlicht, in welcher ein einziger vorhandener Brenner bewegt wird.

Fig. 1OA zeigt eine Seitenansicht einer Nockenwelle. 20

Fig. 1OB zeigt eine diagrammartige Darstellung, die die oberen oder höchsten Positionen der Nocken angibt, wobei Nockenpaare, die im wesentlichen in Phase

miteinander liegen, gezeigt sind. 25

Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung, die die Art und Weise verdeutlicht, in der zwei vorhandene Brenner bewegt werden.

Fig. 12 zeigt eine Ansicht einer Umschmelz- und Härtungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung.

Fig. 13 zeigt eine Teilschnittansicht der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung.

Wie in den Figuren 1 bis 3 gezeigt, weist eine Umschmelz-

und Härtungsvorrichtung 1 eine Maschinenbasis 2 auf, die einen oberen Tisch 3 enthält, auf dem ein Vorwärmmechanismus an einer von dessen Vorderseiten montiert ist. Der Vorwärmmechanismus 4 ist in der Darstellung der Figur 1 aus Gründen der Vereinfachung fortgelassen.

Der Vorwärmmechanismus 4 hat eine Werkstückeinspannvorrichtung 5 und einen Dorn 6 zum Halten der Enden eines Werkstücks oder einer Nockenwelle 50, die horizontal liegt. Die Werkstückeinspannvorrichtung 5 ist mit einem Werkstückdrehmotor 7 gekoppelt, und der Dorn 6 ist mit einem Axialverschiebungs-Flüssigkeitszylinder 8 gekoppelt. Zwischen der Werkstückeinspannvorrichtung 5 und dem Dorn 6 ist eine Hochfrequenzheizspule 9.angeordnet, die eine sich nach oben öffnende Form eines halbkreisförmigen Querschnitts hat und sich in axialer Richtung erstreckt ist. Die Hochfrequenzheizspule 9 stellt eine Vorwärmstation in einer vorderen Position auf dem Tisch 3 dar. Die Nockenwelle 50, die zu behandeln ist, erstreckt sich durch die Hochfrequenzheispule 9 des Vorwärmmechanismus 4, und deren sich in axialer Richtung gegenüberliegenden Enden werden jeweils durch die Werkstückeinspannvorrichtung 5 bzw. den Dorn 6 gehalten.

Wie in Fig. 3 gezeigt, kann die Nockenwelle 50 durch eine obere Aussparung oder Öffnung 901, die sich über die volle Länge der Hochfrequenzheizspule 9 erstreckt, in vertikaler Richtung eingeführt oder entnommen werden. Die Nockenwelle 50 kann daher durch die Öffnung 901 in die Hochfrequenzheizspule 9 eingeführt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Hochfrequenzheizspule 9 mittels einer Zylindereinheit 902, die mit der Hochfrequenzheizspule 9 gekoppelt ist und auf der Maschinenbasis 2 unterhalb der Hochfrequenzheizspule 9 montiert ist, zu der Nockenwelle 50, die zwischen der Werkstückeinspannvorrichtung 5 und dem Dorn 6 gehalten wird, hin oder von dieser fort bewegt werden. Im Betrieb wird der Werkstückdrehmotor 7 erregt, um die Nockenwelle 50 um ihre eigene Achse zu drehen, und die

Hochfrequenzheizspule 9 wird ebenfalls erregt, um die Nockenwelle 50 durch Ströme vorzuwärmen, die durch einen hochfrequenten magnetischen Fluß induziert werden, der durch die Hochfrequenzheizspule 9 erzeugt wird. Die vorgewärmte Nockenwelle 50 wird dann durch einen Greifarm 10 (Fig. 3) gegriffen und nach unten in die Hochfrequenzheizspule 9 durch die Öffnung 901 eingeführt. Der Greifarm 10 wird dann angehoben, um die vorgewärmte Nockenwelle 50 aus der Hochfrequenzheizspule 9 zu entnehmen, und wird dann zurückbewegt, um die vorgewärmte Nockenwelle 50 zu einer Prozeßstation 11 hinter dem Vorwärmmechanismus 4 zu bewegen.

Wie zuvor beschrieben, wird die Nockenwelle 50 in Vorbereitung auf einen Umschmelzprozeß durch den Vorwärmmechanismus 4 vorgewärmt, der vor der Prozeßstation 11 positioniert ist. Nachdem die Nockenwelle 50 vorgewärmt worden ist, wird sie durch den Greifarm 10 angehoben und schnell zurück zu der Prozeßstation 11 bewegt, in der die Nockenwelle 50 in derselben Richtung wie der Richtung, in der sie in dem Vor-Wärmmechanismus 4 vorgewärmt wurde, orientiert liegt. Demzufolge kann die Nockenwelle leicht und schnell von dem Vorwärmmechanismus 4 zu der Prozeßstation 11 bewegt werden. Da die Nockenwelle 50 von dem Vorwärmmechanismus 4 zu der Prozeßstation 11 ohne Veränderung ihrer Lage transportiert wird, können der Vorwärmmechanismus 4 und die Prozeßstation 11 in einem geringstmöglichen Abstand voneinander angeordnet sein. Daher kann die Nockenwelle 50 in derselben Vorrichtung vorgewärmt und umgeschmolzen werden, was einen nur minimalen Raumbedarf für den Aufbau und geringe Abmessungen gestattet und erlaubt, daß Nockenwellen aufeinanderfolgend gleichzeitig schnell vorgewärmt und umgeschmolzen werden können, was zu effizienten und schnellen Umschmelzzyklen führt.

Während in dem gerade beschriebenen Ausführungsbeispiel der Vorwärmmechanismus 4 eine Hochfrequenzheizeinrichtung enthält, kann er auch eine elektrische Heizeinrichtung unter der Voraussetzung enthalten, daß der Vorwärmmechanismus 4

genügend nahe bei der Prozeßstation 11 angeordnet ist, wie dies gezeigt ist, damit die vorgewärmte Nockenwelle 50 zu der Prozeßstation 11 transportiert werden kann, bevor die Nockenwelle 50 einer wesentlichen Temperaturabsenkung ausgesetzt wird. In Fällen, in denen die elektrische Heizeinrichtung verwendet wird, kann der jeweils nächste Umschmelzprozeß in einem konstanten Zeitzyklus ausgeführt werden, und eine jeweils nächste Nockenwelle kann in einer festen zeitlichen Beziehung zu dem Umschmelzprozeß vorgewärmt werden. Auf diese Weise können der Vorwärmmechanismus 4 und die Prozeßstation 11 in Zusammenwirkung miteinander hocheffizient betrieben werden.

Die Prozeßstation 11 dient als eine Umschmelz- und Härtungsstation. Die Prozeßstation 11 besteht im übrigen aus einer Werkstückeinspannvorrichtung 12 zum Halten eines Endes der Nockenwelle 50, einem Motor 14, der wirksam mit der Werkstückeinspannvorrichtung 12 über einen Drehzahlminderer 35 gekoppelt ist, einem Dorn 13 zum Halten des anderen Endes der Nockenwelle 50 und einem Axialverschiebungs-Flüssigkeitszylinder 15 zum axialen Bewegen des Doms 13. Der Axialverschiebungs-Flüssigkeitszylinder 15 wird durch Führungsschienen 55a, 55a geführt, die von einem Halterahmen gehalten werden, der auf dem Tisch 3 montiert ist, um so nach links (Fig. 1 u. Fig. 2) bewegt werden zu können.

Ein im wesentlichen U-förmiger Halterahmen 16 ist auf dem Tisch 3 in einem hinteren Abschnitt davon und mit einem schräg nach oben weisenden Abbstand von der Nockenwelle 50, die von der Werkstückeinspannvorrichtung 12 und dem Dorn 13 gehalten wird, montiert. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Halterahmen 16 aus einem Paar von vertikalen Rahmenteilen 17, 17 zusammengesetzt, zwischen denen sich einen Abstand in vertikaler Richtung voneinander aufweisende Führungsstangen 19, 20 durch obere und untere Abschnitte eines Basis 21 eines Plasmabrenners 22 zum Umschmelzen und Härten der Nockenwelle 50 erstrecken. Der Plasmabrenner 22 kann hori-

te-

_/- 35 03131

zontal und längs der Führungsstangen 19, 20 bewegt werden. Eine Bewegungsschnecke 31 ist drehbar horizontal zwischen den Führungsstangen 19, 20 angeordnet und in einer Schraubverbindung mit der Basis 21 gehalten. Sie ist über einen Übertragungsmechanismus 34 mit einem Brennermotor 33 gekoppelt, der außerhalb von dem linken vertikalen Rahmenteil angeordnet ist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Bewegungsschnecke 31 kann durch den Brennermotor 33 selektiv in entgegengesetzten Richtungen um ihre eigene Achse gedreht werden.

Fig. 4 u. Fig. 5 zeigen die gegenseitigen Eingriffsbeziehungen zwischen der Basis 21, den Führungsstangen 19, 20 und der Bewegungsschnecke 31. Die Führungsstangen 19, 20 erstrecken sich durch Lager 21a, 21a, die auf der Basis 21 montiert sind. Die Bewegungsschnecke 31 ist in eine Mutter 25 eingeschraubt, die fest auf der Basis 21 durch einen Kugelmuttermechanismus (nicht gezeigt) montiert ist.

Auf der Basis 21 ist ein Motor 21b zum vertikalen Bewegen eines Halters 26 montiert, durch den der Plasmabrenner 22 gehalten wird. Der Plasmabrenner 22, der von dem Halter 26 gehalten wird, hat ein Düsenenende, das nach unten gerichtet ist, wobei seine vertikale Achse nach oben orientiert und auf die Nockenwelle 50 gerichtet ist, die zwischen der Werkstückeinspannvorrichtung 12 und dem Dorn 13 gehalten wird.

Wie in Fig. 6 gezeigt, enthält der Plasmabrenner 22 eine Düse 23 an seinem Düsenende, die einen Kopf 25 aufweist, der in einer Abschirmkappe 24 angeordnet ist, wobei ein Durchlaß 26, der zwischen dem Kopf 25 und der Abschirmkappe 24 zum Durchtretenlassen eines Edelgases durch diesen definiert ist, vorgesehen ist. Der Kopf 25 hat einen zentralen Kanal 27 zum Durchtretenlassen eines Arbeitsgases, beispielsweise Argongas, und einen Kühlkanal 28, der um den zentralen Kanal 27 herum definiert ist. Durch die Abschirmkappe 24 ist ein

_^; ^: " 3503131

Paar von Metallpulverzuführungsrohren 30, 30 geführt, wobei deren Achsen die Achse des zentralen Kanals 27 kreuzen. Eine elektrische Entladung, die durch eine Elektrode 29 der Düse 23 erzeugt wird, und ein Plasma, das durch das Arbeitsgas gebildet wird, erzeugen eine Schmelzzone in einer äußeren Fläche jeder von Nocken 53 der Nockenwelle 50, und der Schmelzzone wird Metallpulver aus den Metallpulverzuführungsrohren 30, 30 zugeführt, um den Prozeß des Umschmelzens und Härtens der Nockenoberfläche durchzuführen.

Wie in Fig. 7 gezeigt, wird die Elektrode 29 des Plasmabrenners 22 mit einer vorbestimmten Menge elektrischer Energie aus einer Plasmastromversorgungseinrichtung 40 versorgt. Eine Metallpulverzuführungseinrichtung 36 liefert, während sie durch einen Vibrator 37 in Schwingungen versetzt wird, Metallpulver durch Rohre 38, 38 an die Metallpulverzuführungsrohre 30, 30. Die Rohre 38 verlaufen· durch einen Detektor 39 zum Prüfen, ob durch die Rohre Metallpulver gefördert wird oder nicht.

Eine elektronische Steuereinheit 41 enthält einen Computer, der so programmiert ist, daß er Betriebssteuersignale an einen Motor 14 zum Drehen der Nockenwelle, den Brennermotor 33 zum Bewegen des Brenners in horizontaler Richtung und den Motor 21b auf der Basis 21 zum Bewegen des Brenners 22 in vertikaler Richtung abgibt. Die Betriebssteuersignale haben die Form von Impulssignalen, und demzufolge bestehen die Motoren 14, 33, 21b aus Schrittmotoren. Alternativ dazu können diese Motoren auch Servomotoren sein, die in Regelschleifen durch Positionsdetektoren bzw. Codierer gesteuert werden. Die elektronische Steuereinheit 41 gibt außerdem Treibersignale an die Plasmastromversorgungseinrichtung 40, die Metallpulverzuführungseinrichtung 36 und den Vibrator 34 aus.
35

Wie in Fig. 7 gezeigt, hat die Basis 21 eine in einem Stück mit ihr ausgebildete Befestigungsanordnung 42, die sich nach

3503131

unten erstreckt und einen Positionssensor 43 zum Erfassen der Position jeder der Nocken 53 trägt. Während der Positionssensor 43 zu demonstrativen Zwecken so gezeigt ist, daß er unterhalb der Nockenwelle 50 positioniert ist, ist er tatsächlich auf der rechten Seite (Fig. 3) der Nockenwelle 50 angeordnet. Der Positionsdetektor 43 kann eine Ausgabeeinheit oder einen Sender 43a zum Aussenden beispielsweise von Licht, eines magnetischen Flusses oder Ultraschallenergie und eine Eingabeeinheit oder einen Empfänger 43b zum Aufnehmen der ausgesendeten Energie, die von der Nockenwelle .50 reflektiert wird, und zum Ausgeben von Information -

bezogen auf die erfaßte Nockenwelle 50 - an die Steuereinheit 41 enthalten. Vorzugsweise besteht der Positionssensor 43 aus einem Laserstrahl-Positionssensor.

Im folgenden wird ein Prozeß zum Umschmelzen und Härten von Nocken der Nockenwelle 50 beschrieben.

Die Nockenwelle 50, die durch den Vorwärmmechanismus 4 vorgewärmt worden ist, wird transportiert und wird dabei fest zwischen der Werkstückeinspannvorrichtung 12 und dem Dorn 13 gehalten. Dann wird der Motor 33 erregt, um die Bewegungsschnecke 31 zu drehen, um dadurch die Basis 21 in horizontaler Richtung längs der Bewegungsschnecke 31 zu bewegen. Gleichzeitig wird der Motor 21b erregt, um den Halter 26 nach unten zu bewegen. Der Brenner 22 wird nun aus einer Bereitschaftsstellung in eine Position gebracht, in der die Düse 23 einen bestimmten Abstand von der Nockenoberfläche einer ersten Nocke 53a an dem linken Ende (Fig. 7) der Nockenwelle 50 hat.

Wenn die Basis 21 beginnt, sich nach rechts zu bewegen, wird der Positionssensor 43, der auf dieser montiert ist, ebenfalls nach rechts bewegt. Der Positionssensor 43, der der Nockenwelle 50 gegenübersteht, sendet beispielsweise einen Laserstrahl aus der Ausgabeeinheit oder dem Sender 43a, der aus einer Laserstrahlquelle bestehen soll, in Richtung auf

die Nockenwelle 50 aus und empfängt einen von der Nockenwelle 50 reflektierten Laserstrahl mit dem Empfänger 43b, der beispielsweise aus einer Kamera besteht. Wenn eine Kante oder eine Endfläche der Nockenoberfläche der Nocke 53a durch den Positionsdetektor 43 erfaßt wird, gibt der Positionssensor 43 ein Signal an die Steuereinheit 41 aus, die die Bewegung der Basis 21 anhält. Der Positionssensor 43 und der Brenner 22 sind versetzt zueinander positioniert, so daß der Brenner in einer Referenzposition befestigt sein kann, in der der Umschmelz- und Härtungsprozeß beginnen kann.

Der Brenner 22 kann in der Referenzposition durch Erfassen einer gegenüberliegenden Kante oder Endfläche der Nockenoberfläche der Nocke 53 positioniert werden. Außerdem kann die Position und die Breite der Nocke auf der Nockenwelle genau durch Abtasten beider Endflächen der Nocke erfaßt werden.

Desweiteren kann die Position, in der der Umschmelz- u. Härtungsprozeß zu beginnen hat, durch Abtasten jeder der Endflächen der Nocke und darauffolgendes Bewegen der Basis 21 aus der erfaßten Position, die als eine Referenzposition dient, eingestellt werden.

Wenn der Brenner 22 auf diese Weise positioniert ist, wird die Nockenoberfläche der ersten Nocke 53a der Nockenwelle durch die Düse 23 in der Weise, wie sie zuvor anhand von Fig. 6 beschrieben wurde, umgeschmolzen und gehärtet. Während dieses Umschmelz- u. Härtungsprozesses wird die Nockenwelle 50 bei einer niedrigen Drehzahl durch den Motor 14 über den Drehzahlminderer 35 um ihre eigene Achse gedreht, während sie in vertikaler Richtung durch den Motor 21b, welcher durch die Steuereinheit 41 gesteuert wird, bewegt wird, um zu ermöglichen, daß das Düsenende den Änderungen in der Höhe der Nocke 53a mit einem konstanten Abstand, der zwischen dem Düsenende des Brenners 22 und der Nockenoberfläche gehalten wird, folgen kann. Gleichzeitig

- - 3503131

wird der Brenner in horizontaler Richtung innerhalb des Breitenbereiches der Nockenoberfläche durch den Motor 33 unter Steuerung durch die Steuereinheit 41 hin- und herbewegt. Der Motor 33 wird wiederholt durch Impulssignale, die in Übereinstimmung mit dem Programm der Steuereinheit 41 erzeugt werden, in einer Richtung gedreht und dann umgekehrt gedreht. Die Zeit, in der der Brennermotor 33 in einer Richtung gedreht wird, und die Zeit, in der Brennermotor 33 umgekehrt gedreht wird, sind als eine Zeit wählbar, in der das Kopfende des Brenners 22 die Breite der Nocke 53a überstreicht. Die Drehung des Brennermotors 33 in entgegengesetzten Richtungen wird über den Kugelmuttermechanismus zwischen der Bewegungsschnecke 31 und der Mutter 25 auf die Basis 21 des Brenners 22 übertragen, was die Basis 21 veranlaßt, sich gleichförmig in horizontaler Richtung hin und her zu bewegen, während sie durch die Führungsstangen 19, geführt wird. Die Hin- u. Herbewegung des Brenners 22 in Kombination mit der Drehung der Nockenwelle 50 versetzt den Brenner 22 in die Lage, die Nockenoberfläche umzuschmelzen und zu härten, während er gleichzeitig einem mäanderfö'rmigen Pfad A auf der Nockenoberfläche der Nocke 53a folgt.

Wenn die Nocke 53a umgeschmolzen und gehärtet worden ist, beginnt sich die Basis 21 aufgrund der Steuerung durch die Steuereinheit 41 zu bewegen, bis eine nächste Nocke erreicht ist. Dann wird die nächste Nocke in gleicher Weise wie zuvor beschrieben umgeschmolzen und gehärtet. Wie in Fig. 9 gezeigt, werden alle Nocken 53a bis 53h aufeinanderfolgend mit dem Brenner 22 umgeschmolzen und gehärtet, worauf ein Bewegen des Brenners 22 zurück in dessen Beretischaftsstellung in Vorbereitung auf einen nächsten Umschmelz- und Härtungsvorgang erfolgt. Die umgeschmolzene und gehärtete Nockenwelle 50 wird durch eine neue unbehandelte Nockenwelle ersetzt, die dann in gleicher Weise wie zuvor beschrieben umgeschmolzen und gehärtet wird. Durch Wiederholen des zuvor beschriebenen Arbeitszyklus kann eine Anzahl von Nockenwellen aufeinanderfolgend behandelt werden.

-'J⁰-' 3503131

In dem Umschmelz- und Härtungsprozeß kann der Brenner 22 durch den Brennermotor 33, der durch Impulssignale erregt wird, die diesem durch die Steuereinheit 41 zugeführt werden, horizontal bewegt werden.
5

Mit der Umschmelz- und Härtungsvorrichtung 1 der zuvor beschriebenen Konstruktion kann eine Vielzahl von Nocken durch einen einzigen Brenner 22 umgeschmolzen und gehärtet werden, und demzufolge ist die Umschmelz- u. Härtungsvorrichtung 1 verhältnismäßig einfach und weist kleine Abmessungen auf. Selbst dann, wenn die Nocken nur einen kleinen Abstand voneinander aufweisen, können sie gleichförmig aufeinanderfolgend durch Bewegen des Brenners durch Erhöhungsraten der axialen Richtung behandelt werden. Da die Nocken aufeinanderfolgend durch Drehen der Nockenwelle um ihre eigene Achse und durch Bewegen des Brenners in aufeinanderfolgende Positionen gegenüberliegend den Nocken behandelt werden, kann die Nockenwelle auf der gleichen Vorrichtung ohne Entfernung derselben oder Unterbrechung behandelt werden, bis der Prozeß beendet ist.

In dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Brenner 22 hin- und herbewegt, um dem mäanderförmigen Pfad A über jeder der Nocken zu folgen, wenn diese gedreht wird.

Stattdessen kann der Brenner lediglich vertikal bewegt werden, während er unbeweglich in axialer Richtung gehalten wird, und die Nockenwelle kann in axialer Richtung für ein Intervall gleich dem der axialen Länge jeder der Nocken hinu. herbewegt werden. Mit einer derartigen Modifikation ist jedoch ein mehr komplexer und größerer Hin- u. Herbewegungsmechanismus erfoderlich, um die Hin- u. Herbewegung auf den Motor 14 und den Flüssigkeitszylinder 15 zu übertragen. Daher ist die gezeigte Anordnung, in der der Brenner durch Drehung der Bewegungsschnecke in entgegengesetzten Richtungen hin- u. herbewegt wird, viel besser geeignet als die zuvor genannten alternativen Lösungen.

]Α 3503131

Wie in Fig. 1, Fig. 2 u. Fig. 7 gezeigt, kann ein weiterer Brenner 122 in einer rechten Position zusätzlich zu dem Brenner 22 vorgesehen sein. Der Brenner 122 wird durch einen Halter 126, der auf einer Basis 121 montiert ist, gehalten. Die Basis 121 ist über die Führungsstangen 19, 20 bewegbar angeordnet und wird in Schraubverbindung mit einer Bewegungsschnecke 131 gehalten, die durch einen Motor 133 drehbar ist. Auf diese Weise kann der Brenner 122 unabhängig durch den Motor 133 bewegt werden. Die übrige Konstruktion des Brenners 122 ist die gleiche wie die des Brenners 22. Der Brenner 122 kann in horizontaler Richtung durch den Motor 133 und in vertikaler Richtung durch einen Motor in der Basis 121 unter Steuerung der elektronischen Steuereinheit 41 bewegt werden.

Wie in Fig. 10 gezeigt, sind die Nocken 53a bis 53h der Nockenwelle 50 in Paaren 53a, 53d; 53b, 53f; 53c, 53g; 53e, 53h zusammengefaßt, wovon jedes aus Nocken zusammengesetzt ist, die winkelmäßig im wesentlichen in Phase miteinander positioniert sind. Die Nocken in jedem Paar weisen in axialer Richtung einen genügend großen Abstand voneinander auf. Die Nocken 53a, 53b, 53c, 53e werden durch den Brenner 22 behandelt, und die Nocken 53d, 53f, 53g, 53h werden durch den Brenner 122 behandelt. Die Brenner 22, 122 werden gleichzeitig bewegt, um die Nockenoberflächen der Nocken in jedem Paar umzuschmelzen und zu härten, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist.

Mit einer derartigen Anordnung behindern sich die Brenner 22, 122 während ihrer Betriebszustände nicht gegenseitig, und die Zeit, die erforderlich ist, um alle der Nocken mit den beiden Brennern 22, 122 zu behandeln, beträgt die Hälfte der Zeit, die für den einzigen Brenner 22 erforderlich ist, um alle der Nocken zu behandeln, da jeder der beiden Brenner 22, 122 jeweils die Hälfte der Nockenwelle 50 behandelt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Paare der Nocken, die dasselbe Nockenprofil haben und im wesentlichen

-ve-

3503131

unter dem gleichen Winkel positioniert sind, aufeinanderfolgend durch die Brenner 22, 122 behandelt. Auf diese Weise können die Nockenpaare unter der Steuerung desselben Programms behandelt werden, was dazu führt, daß die Steuereinheit vereinfacht werden kann.

Durch Bewegen der beiden Brenner in Pfaden, die parallel zueinander liegen, und in axialer Richtung längs der Nockenwelle kann die Nockenwelle in einer verringerten Zeitperiode mit einem erhöhten Effizienzgrad behandelt werden. Die Vorrichtung, die die beiden Brenner benutzt, ist zum Behandeln von Nockenwellen zur Verwendung in Vielzylindermotoren geeignet, die eine Vielzahl von Nocken, beispielsweise 8 Nocken bzw. 12 Nocken aufweisen.

Fig. 12 u. Fig. 13 zeigen eine Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung. Es ist ein Vorwärmmechanismus 104, der vor einem Behandlungsmechanismus 111 angeordnet ist, vorgesehen, der eine rohrförmige Spule 109 enthält. Eine Nockenwelle 150 hat ein Ende 152, das durch einen Dorn 106 gehalten wird, und ein gegenüberliegendes Ende, das durch eine Spannvorrichtung gehalten wird. Die Spannvorrichtung 105 hat einen Schaft 105a, der im wesentlichen von gleicher axialer Länge wie die der Spule 109 ist, während die axiale Länge der Spule 109 geringfügig länger als die der Nockenwelle 150 ist. Die Spule 109 ist zu der Spannvorrichtung hin und von dieser fort durch einen Halter 109a, der unterhalb der Spule 109 angeordnet ist, bewegbar. Die Spule 109 umgibt die Nockenwelle 150, die zwischen der Spannvorrichtung 105 und dem Dorn 106 gehalten wird, über die gesamte Länge der Nockenwelle 150 zum Erhitzen der Nockenwelle 150 mit Strömen, die durch einen magnetischen Fluß induziert werden, der durch die Spule 109 erzeugt wird. Nachdem die Nockenwelle 150 vorgewärmt worden ist, wird die Spule 109 in Richtung auf die Spannvorrichtung 105, wie dies durch die strichpunktierten Linien in Fig. 12 angedeutet ist, und fort von der

\f 3503131

Nockenwelle 150 bewegt, wonach sie den Schaft 105a umgibt. Dann wird die vorgewärmte Nockenwelle 150 durch einen Greifarm 110 zu dem Behandlungsmechanismus 111 transportiert. Eine nächste Nockenwelle wird dann zwischen die Spannvorrichtung 105 und den Dorn 106 eingespannt, und die Spule 109 wird in axialer Richtung auf die neue Nockenwelle 150 zu bewegt, wonach sie die Nockenwelle umgibt, um dieselbe vorwärmen zu können. Der zuvor beschrieene Betriebszyklus wird wiederholt, um eine Anzahl von Nockenwellen aufeinanderfolgend zu behandeln.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann nicht nur Nockenwellen, sondern auch andere Wellen oder längliche Werkstücke allgemein behandeln.

Mit der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Werkstück, wie beispielsweise eine Nockenwelle·, die eine Vielzahl von Oberflächen oder Abschnitten hat, die umzuschmelzen und zu härten sind, mit hoher Effizienz und wirksam durch eine einzige Vorrichtung, die zumindest einen Brenner hat, behandelt werden, und demzufolge kann die Vorrichtung an sich relativ einfach in ihrer Konstruktion ausge führt we rden.

Da die Vorrichtung einen Vorwärmmechanismus enthält, der so nahe an einem Behandlungsmechanismus angeordnet ist, daß das Werkstück von dem Vorwärmmechanismus unmittelbar zu dem Behandlungsmechanismus bewegt werden kann, weist die Vorrichtung über alles geringe Abmessungen auf, nimmt demzufolge einen geringen Raum für deren Installation ein und kann kostengünstig gefertigt werden. Das zu behandelnde Werkstück kann leicht und schnell von dem Vorwärmmechanismus zu dem Behandlungsmechanismus transportiert werden. Als Folge davon wird verhindert, daß das vorgewärmte Werkstück abkühlt, bevor es den Behandlungsmechanismus erreicht, und es wird bei einer stabilen Vorwärmtemperatur gehalten, wenn das Werkstück umgeschmolzen und gehärtet wird, was zu dem

- ve - 3 503131

Ergebnis führt, daß das umgeschmolzene und gehärtete Werkstück eine gleichförmige Qualität aufweist. Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß das Werkstück in einer verringerten Zeitperiode mit einem hohen Grad an Effizienz behandelt werden kann. Eine Temperatur, auf die das Werkstück vorgewärmt werden soll, kann frei ohne Rücksicht auf irgendeine Temperaturabsenkung vor dem Umschmelz- u. Härtungsvorgang ausgewählt werden. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schafft daher eine verbesserte thermische Effizienz in dem Umschmelz- u. Härtungsvorgang.

Obgleich lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele für die vorliegende Erfindung beschrieben wurden, ist ersichtlich, daß die Erfindung in anderen Formen ausgeführt werden kann, ohne daß dazu der allgemeine Erfindungsgedanke oder wesentliche Merkmale der Erfindung verlassen werden müßten. Die vorliegende Ausführungsbeispiele sind daher in. jeder Hinsicht lediglich als erläuternd, nicht jedoch einschränkend zu betrachten. Der Schutzumfang für die vorliegende Erfindung ist durch die Ansprüche bestimmt.

- Leerseite -

Claims

Ansprüche

Verfahren zum Umschmelzen und Härten eines länglichen Werkstücks (50), das eine Vielzahl von in axialer Richtung einen Abstand voneinander aufweisenden Werkstückabschnitten (53a-53h) hat, die zu behandeln sind, gekennzeichnet durch
folgende Schritte:

(a) Halten des Werkstücks (50) in einer ersten Position;

(b) Drehen des Werkstücks (50) um dessen Achse in der ersten Position;

(c) Umschmelzen und Härten zumindest eines Teils der äußeren Fläche zumindest eines der Werkstückabschnitte (53a-53h) mittels eines Brenners (22);

(d) Bewegen des Brenners (22) in axialer Richtung längs des Werkstücks (50) zum aufeinanderfolgenden Um-

schmelzen und Härten benachbarter der Werkstückabschnitte (53a-53h).
2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Werkstückabschnitte (53a-53h) durch Hin- und Herbewegen des Brenners (22) in axialer Richtung längs des Werkstücks (50) innerhalb des Breitenbereichs der äußeren Flächen der Werkstückabschnitte (53a-53h) umgeschmolzen und gehärtet werden, wobei der Brenner (22) einem mäanderförmigen Pfad (A) über die äußere Fläche jedes der Werkstückabschnitte (53a-53h) folgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1,

2g dadurch gekennzeichnet ,

daß die Werkstückabschnitte (53a-53h) zu Paaren (53a, 53d: 53b, 53f: 53c, 53g: 53e, 53h) zusammengefaßt sind, wovon jedes aus Werkstückabschnitten (53a-53h) besteht, die im wesentlichen winkelmäßig in Phase miteinander positioniert sind, und daß die Werkstückabschnitte (53a-53h) jedes der Paare jeweils durch zwei Brenner (22, 122) umgeschmolzen und gehärtet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1,

„r dadurch gekennzeichnet ,

daß für jeden der Werkstückabschnitte (53) das Umschmelzen und Härten beginnt, wenn zumindest ein axiales Ende des Werkstückabschnitts (53a-53h) durch einen Sensor (43) erfaßt wird, der mit dem Brenner (22)

_on in axialer Richtung längs des Werkstücks (50) bewegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet ,

daß desweiteren folgende Schritte vorgesehen sind: 35

(e) Halten des Werkstücks (50) in einer zweiten Position nahe und parallel zu der ersten Position;

(f) Erhitzen des Werkstücks (50), das in der zweiten Position gehalten wird;

(g) anschließendes Zurückverbringen des Werkstücks (50) in die erste Position.
6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß das Werkstück (5O) in der zweiten Position in zeitlicher Relation zu einem Zeitzyklus des Umschmelzens und Härtens des Werkstuckabschnitts (53) erhitzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, · daß das Werkstück (50), das in der zweiten Position erhitzt worden ist, in die erste Position (11) zurückverbracht wird, bevor das Werkstück (50) einer wesentlichen Temperaturabsenkung ausgesetzt wird.
8. Vorrichtung zum Umschmelzen und Härten eines länglichen Werkstücks (50), das eine Vielzahl von in axialer Richtung einen Abstand voneinander aufweisenden Werkstückabschnitten (53a-53h) hat, die zu behandeln sind, gekennzeichnet durch

(a) erste Haltemittel (12, 13) zum Halten des Werkstücks (50) in einer ersten Position;

(b) ein Werkstückdrehmittel (14) zum Drehen des Werkstücks (50) um dessen Achse in der ersten Position;

(c) zumindest einen Brenner (22) zum Umschmelzen und Härten zumindest eines Teils jeder von äußeren Flächen der Werkstückabschnitte (53a-53h);

(d) Brennerbewegungsmittel (33) zum aufeinanderfolgenden Bewegen des Brenners (22) in axialer Richtung und den äußeren Flächen der Werkstückabschnitte

(53a-53h) gegenüberstehend.
5
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronisches Steuermittel (41) zum Senden von

Steuersignalen an die Brennerbewegungsmittel (33) zum 10

Zwecke der Steuerung der Brennerbewegungsmittel (33) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet ,

daß ein weiterer Brenner (122) vorgesehen ist, daß die Brennerbewegungsmittel (33) zwei Brennerbewegungseinheiten (33; 133) enthalten, die jeweils mit den beiden Brennern (22, 122) zum Zwecke unabhängiger Bewegungen der Brenner (22, 122) verbunden sind, daß die Werk-

stückabschnitte (53a-53h) zu Paaren (53a, 53d: 53b-53f: 53c, 53g: 53e, 53h) zusammengefaßt sind, wobei jedes aus Werkstückabschnitten (53) besteht, die im wesentlichen winkelmäßig miteinander in Phase positioniert sind, und daß die beiden Brennerbewegungseinheiten (33; 133)

durch das elektronische Steuermittel (41) gesteuert werden, um die Brenner (22, 122) jeweils in eine Stellung gegenüber den Werkstückabschnitten (53) in jedem der Paare zu bringen.

°
11. Vorrichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß die Brennerbewegungsmittel (33) Mittel zum Hin- und Herbewegen des jeweils betreffenden Brenners (22) längs

des Werkstücks (50) innerhalb des Breitenbereiches der 35

äußeren Fläche des jeweils betreffenen Werkstückabschnitts (53), während der Brenner (22) die äußere Fläche eines der Werkstückabschnitte (53a-53h) um-

schmilzt und härtet, enthalten.
5

12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Hin- und Herbewegen einen Schrittmotor (33) enthalten, der in der einen Richtung und der anderen Richtung in Abhängigkeit von Impulssignalen, die diesem zugeführt werden, drehbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, 15

daß ein elektronisches Steuermittel (41) zum Erzeugen der Impulssignale zur Steuerung des Schrittmotors (33) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß Erfassungsmittel (43) vorgesehen sind, die mit dem Brenner (22) in axialer Richtung längs des Werkstücks (50) zum Erfassen jedes der Werkstückabschnitte (53a-53h) vorgesehen sind, daß die Brennerbewegungsmittel (33) Mittel zum Anhalten der Bewegung des Brenners (22) in axialer Richtung längs des Werkstücks (50) in einer Position enthalten, die der äußeren Fläche des Werkstückabschnitts (53) gegenüberliegt und in welcher das Umschmelzen und Härten der äußeren Fläche

zu beginnen hat, wenn zumindest ein axiales Ende des Werkstückabschnitts (53) durch die Erfassungsmittel (43) erfaßt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8,

desweiteren gekenzeichnet durch:

(e) zweite Haltemittel (5, 6) zum Halten des Werk-Stücks (50) in einer zweiten Position, die nahe

und parallel zu der ersten Position (11) liegt;

(f) Vorwärmmittel (4) zum Vorwärmen des Werkstücks (50), das von den zweiten Haltemitteln (5, 6)

gehalten wird.
10

. Vorrichtung, nach Anspruch 15 ,

dadurch gekennzeichnet , daß die Vorwärmmittel (4) eine Hochfrequenzheizeinrichtung aufweisen, die eine Heizspule (9) enthält, ¹^ welche eine nach oben offene Form eines kreisförmigen Querschnitts hat, und daß die Heizspule (9) im wesentlichen die gleiche Länge wie das Werkstück (50) hat.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet , daß die Vorwärmmittel (4) eine Hochfrequenzheizeinrichtung aufweisen, die eine rohrförmige Heizspule (109) enthält, und daß die Heizspule (109) im wesentlichen die gleiche Länge wie das Werkstück (150) hat und in axialer Richtung längs des Werkstücks (150) bewegbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet , daß die Vorwärmmittel (4) eine elektrische Heizeinrichtung aufweisen.