DE3626799C2

DE3626799C2 -

Info

Publication number: DE3626799C2
Application number: DE3626799A
Authority: DE
Inventors: Toshiharu Fukuizumi; Hideo Toyota Aichi Jp Nonoyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-08-08
Filing date: 1986-08-08
Publication date: 1992-01-09
Also published as: JPS6233720A; DE3626799A1; JPS6410574B2; US4720312A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nockenwelle mit Nocken und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht, die eine Härteschicht mit einer hervorragenden Verschleißfestigkeit aufweist, die durch Aufschmelzen einer Nockengleitfläche mittels Energie hoher Dichte, z. B. eines WIG-Lichtbogens (Wolfram-Inert-Gas- Lichtbogen), eines Laserstrahls, eines Plasmalichtbogens oder einer Elektronenstrahlung, und durch Abkühlen des aufgeschmolzenen Abschnittes mittels Selbstkühlung gebildet wird.

Bei einer Nockenwelle mit Nocken, die in eine Maschine für ein Kraftfahrzeug oder ähnliches eingesetzt ist, muß die Nockengleitfläche jeder Nocke eine sehr hohe Verschleißfestigkeit besitzen. Demgemäß wird jede Nocke einer Oberflächen- Aufschmelz-Behandlung, d. h. einer Oberflächen- Härte-Behandlung unterworfen, bei der der Nockengleitflächenabschnitt mittels Energie hoher Dichte, z. B. eines WIG-Lichtbogens, eines Laserstrahls oder einer Elektronenstrahlung aufgeschmolzen und mittels Selbstkühlung schnell abgekühlt wird, um eine abgekühlte gehärtete Schicht zu bilden, wie es z. B. in der JP-OS 59-23 156, der JP-OS 60- 2 34 168 und der JP-OS 60-2 34 169 beschrieben ist. Wenn die Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht unter Verwendung dieser Oberflächen- Aufschmelz-Behandlung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, hergestellt wird, wird zwischen einer Nocke 2 einer Nockenwelle 1 und einer Wolframelektrode 4 eines WIG- Brenners 3 ein WIG-Lichtbogen 5 erzeugt, um eine Nockengleitfläche aufzuschmelzen, und die Nockenwelle 1 wird gleichzeitig um ihre Mittelachse 6 in eine Richtung 7 gedreht und oszilliert parallel zur Mittelachse 6 bzw. wird parallel zur Mittelachse 6 hin- und herbewegt. Der Brenner 3 wird in eine vertikale Richtung 9 bewegt, wobei zwischen der Wolframelektrode 4 und der Oberfläche der Nocke 2 ein konstanter Abstand bzw. Spalt gehalten wird. Es ist zu bemerken, daß anstelle der Nockenwelle 1 auch der Brenner 3 oszilliert bzw. hin- und herbewegt werden kann.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der Nocke 2 der Nockenwelle 1, wobei die Z-Achse 11 des Brenners 3 die Mittelachse 6 der Nockenwelle 1 schneidet. Im Schmelzpunkt A bildet eine Tangentenlinie 12 des Nockenprofils und eine horizontale Linie 13 einen sich verändernden Winkel α, der im folgenden Senkungswinkel genannt wird. Wenn der Senkungswinkel α groß ist, tritt das Problem auf, daß ein Metallschmelzenbad, das mittels Energie hoher Dichte gebildet ist, infolge der Gravitationskraft einer nach unten gerichteten Senkung unterworfen wird. Der Senkungswinkel α weist einen maximalen Wert auf, wenn ein Winkel, der zwischen der Achse 11 des Brenners 3 und einer Linie, die den Spitzenpunkt 14 der Nocke mit der Mittelachse 6 der Nockenwelle 1 verbindet, gebildet ist, im Bereich zwischen 15° und 30° (deg) liegt. Dieser maximale Winkel wird zu beiden Seiten des Spitzenpunktes 14 der Nocke gebildet. Während des Aufschmelzens mittels eines WIG-Lichtbogens an einem Nockenoberflächenpunkt von einem kreisförmigen Basisabschnitt 15 der Nocke 2 zu dem Spitzenpunkt 14 der Nocke weist eine dieser beiden Stellen den maximalen Senkungswinkel auf, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Fall wird unterhalb der Aufschmelzposition durch Aufschmelzen und darauffolgendes schnelles Abkühlen mittels Selbstkühlung eine Härteschicht ausgebildet, die dementsprechend eine gewisse Wärme behält. Diese Wärme verzögert die Verfestigung eines Bereichs des Schmelzenbades, das sich infolge der Gravitationskraft senkt. Vorzugsweise wird ein Lichtbogen zwischen einem Heißpunkt, der aufgeschmolzen und verfestigt ist, und einer Wolframelektrode erzeugt, so daß eine Lichtbogensäule von einer Linie, die die Elektrode und die Mittelachse der Nockenwelle verbindet, sich zu der vorher ausgebildeten Härteschicht verschiebt. Je schneller die Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle ist, desto größer ist die Verschiebung der Lichtbogensäule. Desweiteren strömt ein Teil eines Argongasstromes, der die von der Linie verschobene Lichtbogensäule umgibt, entlang der Nockenoberfläche nach unten. Die oben beschriebenen Faktoren verstärken die Senkung des Metallschmelzenbades. Andererseits führt die Senkung an der anderen Position, die während des Aufschmelzens mittels des WIG-Lichtbogens auf einem Nockenflächenbereich von dem Spitzenpunkt 14 der Nocke zu dem kreisförmigen Basisabschnitt 15 den maximalen Senkungswinkel aufweist, nicht zu einem Problem. In diesem Fall verfestigt sich der Senkungsabschnitt schnell, wenn das Metallschmelzenbad infolge der Gravitationskraft einer Senkung unterworfen ist, da ein Abschnitt der Nocke unterhalb der Schmelzposition noch nicht erwärmt und somit kalt ist. Die Lichtbogensäule wird nach oben zu der vorher ausgebildeten Härteschicht verschoben und fährt an dem Spitzenpunkt 14 der Nocke fort und ein Teil des Argongasstromes, der die verschobene Lichtbogensäule umgibt, fließt entlang der Nockenoberfläche nach oben. Die Einflüsse der Wärme und des Argongasstromes, die vorher beschrieben wurden, treten deshalb nicht auf, so daß die Senkung nicht verstärkt wird.

An der Nockenoberfläche, d. h. einer Oberfläche einer gehärteten Schicht 21, tritt dort eine Unregelmäßigkeit auf, wo eine große Senkung des Metallschmelzenbades vorhanden ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, die eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer Nocke entlang der Mittelachse 6 zeigt. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist unterhalb der Härteschicht 21 eine Martensitschicht 22 ausgebildet und unterhalb der Schicht 22 ist eine Matrixstruktur der Nocke bzw. eine im Gußzustand befindliche Struktur 23 vorhanden. Nach der Aufschmelzbehandlung unter Verwendung eines WIG-Lichtbogens wird die Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht einer Schleifbehandlung unterworfen, so daß geschliffene Oberflächen der Nocken mit einem vorbestimmten Profil gebildet werden. Wenn eine Nocke mit einer stark unregelmäßigen Oberfläche geschliffen wird, verbleibt in einer Vertiefung 24, die tiefer als das Schleifmaß t ist, ein Teil der Haut. Im allgemeinen beträgt das Schleifmaß t die Differenz zwischen der behandelten Nockenoberfläche und der Schleifoberfläche 27, d. h. etwa 0,5 mm. In der Praxis variiert das Schleifmaß gemäß der Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschine vor der Oberflächenhärtebehandlung. Unter Berücksichtigung dieser Schwankung ist es notwendig, die Tiefe einer Vertiefung in der behandelten Nockenoberfläche unterhalb von 0,25 mm von der Nockenoberfläche 26 zu halten, um eine Schädigung des verbleibenden Hautabschnittes auszuschließen. Um sicherzustellen, daß die Tiefe der Vertiefung infolge der Senkung des Metallschmelzenbades weniger als 0,25 mm beträgt, wenn der Senkungswinkel α 33° beträgt, wird ein Lichtbogenstrom, d. h. die Strahlungsenergie vermindert, um die Menge des Metallschmelzenbades zu verringern, wodurch eine maximale Härtetiefe von 0,8 bis 1,0 mm erreicht wird. Eine Härteschicht mit einer maximalen Härtetiefe dieser Größenordnung neigt dazu, instabil zu werden, selbst wenn die Verschleißfestigkeit der Härteschicht so groß ist, daß sie verschiedene Haltbarkeitstest bei Verwendung in einer Maschine besteht. Bevorzugterweise sollte die maximale Härtetiefe mehr als 1,0 mm und insbesondere mehr als 1,5 mm betragen.

Um eine maximale Härtetiefe, d. h. eine Härteschichtdicke dieser Größenordnung sicherzustellen, muß die Oberflächen- Aufschmelz-Behandlung, d. h. die Aufschmelz-Abkühl-Behandlung auf der Nockenoberfläche unter Verwendung einer vorbestimmten Energie durchgeführt werden, die gesteuert wird, um sicherzustellen, daß die Senkung des Metallschmelzenbades infolge der Gravitationskraft verringert wird.

Es ist vorgeschlagen worden, den Senkungswinkel α konstant bei 0° zu halten, um eine Senkung des Metallschmelzenbades infolge der Gravitationskraft zu minimieren bzw. auszuschließen. Gemäß einem Verfahren zur Härtung einer Nockengleitfläche, wie es in der JP-OS 57-1 77 926 beschrieben ist, wird z. B. ein Nockengleitflächenabschnitt immer in einer horizontalen Position gehalten, d. h. ein Senkungswinkel α ist näherungsweise gleich Null. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses vorgeschlagenen Verfahrens erfordert einen Mechanismus zur exzentrischen Drehung einer Nockenwelle um eine Mittelachse eines kleinen Kreises des Spitzenabschnittes und einen Mechanismus zur Verschiebung eines Brenners in einer Richtung, die im rechten Winkel zu der Mittelachse der Nockenwelle verläuft. In den vergangenen Jahren ist die Aufschmelz-Abkühl- Behandlung an der gesamten Umfangsoberfläche der Nocke durchgeführt worden, um eine ungewöhnliche Abnutzung an dem kreisförmigen Basisabschnitt der Nocke zu verhindern. Die Vorrichtung ist jedoch nicht mit einem Mechanismus zur Behandlung eines kreisförmigen Basisabschnitts der Nocke versehen. Bei der Durchführung der Aufschmelz- Abkühl-Behandlung wird der kreisförmige Basisabschnitt um eine Mittelachse eines großen Kreises des kreisförmigen Basisabschnittes, d. h. die Mittelachse entsprechend der Nockenwellenmittelachse gedreht, so daß die Vorrichtung sehr kompliziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Arbeits- bzw. Steuerungsverfahren zu schaffen, so daß die Senkung des Metallschmelzenbades infolge der Gravitationskraft verringert wird und eine Vorrichtung zur Durchführung einer Aufschmelz-Abkühl-Behandlung einer Kurbelwelle mittels einer herkömmlichen Energiebestrahlung hoher Dichte ohne übermäßige Umbauten verwendet werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht zu schaffen, bei dem eine Tiefe einer Vertiefung, die infolge der Senkung des Metallschmelzenbades entsteht, geringer als 0,25 mm ist und das über die gesamte Umfangsfläche der Nocke eine maximale, in Querrichtung der Nocke gemessene maximale Härtetiefe von mehr als 1,0 mm sicherstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Das Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, bei dem Nocken einer Aufschmelz-Abkühl-Behandlung unterzogen werden, umfaßt die Schritte des Aufschmelzens einer Nockengleitfläche jeder Nocke mittels Bestrahlen mit Energie hoher Dichte und des Ausbildens einer kontinuierlichen Härteschicht mittels Selbstkühlung, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der Aufschmelzvorgang an Stellen unterbrochen wird, an denen ein während des Aufschmelzens gebildetes Metallschmelzenbad infolge der Gravitationskraft zum Senken neigt, damit sich das Metallschmelzenbad verfestigt, und so fortgesetzt wird, daß ein vorher ausgebildeter Härteschichtabschnitt und ein folgender Härteschichtabschnitt überlagert werden.

Die Unterbrechung des Aufschmelzvorganges wird durchgeführt, indem die Energie hoher Dichte von einem schmelzenden Niveau auf ein nicht schmelzendes Niveau, d. h. ein Strom für einen WIG-Lichtbogen auf eine nicht schmelzende Stromstärke verringert wird, um eine Verfestigung zuzulassen, und gleichzeitig eine Drehung der Nockenwelle um ihre Achse zeitweilig stoppt oder umgekehrt wird.

Weitere Ziele, Anwendungen und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständig ersichtlich.

Fig. 1 zeigt eine Nocke einer Nockenwelle und einen WIG- Lichtbogen-Brenner in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Nocke und zeigt einen Senkungswinkel a,

Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung einer Nocke, die infolge des Durchsenkens eines Metallschmelzenbades eine unregelmäßige Oberfläche aufweist,

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines Steuersystems für eine Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl- Behandlung,

Fig. 5 zeigt einen mechanischen Teil der Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Behandlung in Schnittdarstellung entlang der Linie V-V in Fig. 6,

Fig. 6 zeigt eine Vorderansicht des mechanischen Teils der Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Behandlung und

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung und zeigt die Veränderung der Drehung einer Nockenwelle und eines Lichtbogenstroms bei den Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4, 5 und 6 wird im folgenden eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht erläutert. In Fig. 4 ist ein Steuersystem der Vorrichtung dargestellt. In den Fig. 5 und 6 ist ein mechanischer Teil der Vorrichtung dargestellt, dessen Aufbau im wesentlichen dem herkömmlichen Aufbau entspricht.

Die Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl- Behandlung weist eine Steuereinheit und einen mechanischen Teil bzw. eine mechanische Einheit 31 auf. Die Steuereinheit weist eine Steuereinrichtung bzw. einen Kontroller 32, eine Quelle von Energie hoher Dichte 33 bzw. eine Stromquelle für einen WIG-Lichtbogen, eine Steuervorrichtung 34 zur Oszillation der Nockenwelle, eine Programmiereinheit (programming unit) 35, eine Lehreinheit (teaching unit) 36 und ein Betätigungspult (operating board) 37 auf. Der mechanische Teil 31 weist eine Bestrahlungsvorrichtung hoher Energiedichte bzw. einen WIG-Brenner 38, einen Handhabungsabschnitt (Robot-Abschnitt) 39 zur Bewegung des Brenners in Richtung der X-Achse und der Z-Achse, die im rechten Winkel zueinander stehen, und einen Antriebsabschnitt 40 zum Führen, Drehen und Oszillieren einer Nockenwelle auf. In diesem Ausführungsbeispiel oszilliert die Nockenwelle, aber anstelle der Nockenwelle kann auch der Brenner oszillieren.

Die Stromquelle 33 für den WIG-Lichtbogen erzeugt bevorzugterweise einen Schmelzstrom für einen Gleichstrom-WIG- Lichtbogen, der periodisch variiert und eine Wellenform aufweist, die der Stromwellenform beim sog. WIG-Impuls- Schweißen ähnlich ist. Dieser Impulsstrom weist einen Basisstrom (Hintergrundstrom) auf, der einen WIG-Lichtbogen zum Schmelzen einer Nockenoberfläche erzeugen kann, so daß kontinuierlich ein Metallschmelzenbad ausgebildet wird. Erfindungsgemäß ist die Stromquelle 33 für den WIG- Lichtbogen mit einer Umschalteinheit versehen, die den schmelzenden Strom in einen nicht schmelzenden Strom verändert, der einen WIG-Lichtbogen erzeugt, aber die Nockenoberfläche nicht zum Schmelzen bringt, so daß das Metallschmelzenbad sich langsam verfestigen kann. Bevorzugterweise weist der schmelzende Strom einen Basisstrom von 60 bis 100 A auf, wodurch eine maximale Aushärttiefe von mehr als 1,0 mm erzielt wird. Wenn der Basisstrom über 140 A liegt, ist die Schmelzmenge groß und bringt das Problem der Senkung mit sich. Bevorzugterweise liegen der Spitzenwert und die Impulsbreite bzw. -dauer des Impulsstroms zwischen 70 und 150 A bzw. zwischen 0,1 und 0,4 Sekunden. Der Handhabungsabschnitt 39, der zwei Bewegungsrichtungen entlang der X-Achse und der Z-Achse besitzt, die im rechten Winkel zueinander stehen, weist eine Gleitbahn 51, einen gleitenden Ständer 52 und einen Antrieb 53 für den gleitenden Ständer auf, der einen Brenner 38 in X-Richtung verschiebt, die parallel zur Mittelachse 6 der Nockenwelle 1 verläuft. Zur Verschiebung des Brenners 38 in Richtung der vertikalen Z-Achse und im rechten Winkel zur Mittelachse 6 ist der gleitende Ständer 52 mit einer in Richtung der Z-Achse bewegbaren Platte 54, einer Befestigung 55 zur Anbringung des Brenners 38 an der bewegbaren Platte 54 und einem Antrieb für die bewegbare Platte 56 versehen. Der Antriebsabschnitt 40 für das Werkstück (Nockenwelle) weist einen rotierenden Abschnitt 60, eine Gleitbahn 61 und einen oszillierenden Antrieb 62 auf. Der rotierende Abschnitt 60 weist Zentrierelemente bzw. Spitzen 57 und 58, die die Nockenwelle 1 halten, und einen Antrieb (Servomotor) 59 zum Drehen der Nockenwelle auf. Der oszillierende Antrieb 62 bewegt den rotierenden Abschnitt 60 auf der Gleitbahn 61 in X-Richtung hin und her. Bestimmte Befehle werden von dem Kontroller 32 zu dem Antrieb 53 des gleitenden Ständers, dem Antrieb 56 der bewegbaren Platte, dem Antrieb 59 zum Drehen der Nockenwelle und der Stromquelle 33, die die Umschalteinheit aufweist, übertragen, während weitere Befehle über die Oszillations-Steuervorrichtung 34 zum oszillierenden Antrieb 62 übertragen werden. Um das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung der Aufschmelz- Abkühl-Behandlung der Nockenwelle auszuführen, werden mittels der Programmiereinheit 35, der Lehreinheit 36 und des Betätigungspultes 37 bestmögliche Betriebsbedingungen festgesetzt und die Vorrichtung zur Durchführung der Behandlung wird demgemäß mittels des Kontrollers 32 automatisch betrieben.

Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Behandlung zur Herstellung einer Nockenwelle wird in den folgenden Beispielen 1 bis 5 deutlich.

Beispiel 1

Eine zu behandelnde Nockenwelle 1 wird zwischen den Spitzen 57 und 58 des rotierenden Abschnittes 60 eingesetzt, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Die Nockenwelle 1 weist z. B. Nocken 2, Lagerzapfen 65 und einen Wellenschaft 66 auf, besteht aus speziellem Gußeisen und besitzt folgende Abmessungen:
gesamte Länge der Nockenwelle: 400 mm
Nockenbreite: 14,4 mm
Durchmesser des kreisförmigen Basisabschnittes: 31 mm
Hebehöhe: 8 mm.

Der Brenner 38 ist ausgerichtet und mittels der Befestigung 55 so angebracht, daß seine Achse, d. h. die Z-Achse 11 die Mittelachse 6 der Nockenwelle schneidet und vertikal verläuft, wie in den Fig. 2 und 5 dargestellt ist. Bei der Erzeugung des WIG-Lichtbogens ist es notwendig, einen konstanten Abstand bzw. Spalt zwischen der Nockenoberfläche und der Wolframelektrode des Brenners 38 zu halten, weshalb ein Nockenprofil mittels eines Sensors unter Verwendung einer Kugel mit einem Durchmesser von 4 mm und eines elektromagnetischen Mikrometers vorab bestimmt und im Speicher der Programmiereinheit 36 gespeichert wird. Der gleitende Ständer 52 wird mittels des Antriebs 53 in Richtung der X-Achse verschoben, um den Brenner 38 genau über die vorbestimmte Nocke 2 zu bringen.

Anschließend wird zwischen dem Brenner 38 und der Nockenoberfläche ein WIG-Lichtbogen erzeugt, um die Nocke aufzuschmelzen. Bei Beginn ist die Nockenwelle kalt, d. h. nicht vorgeheizt. Wenn die Nocke mittels des WIG-Lichtbogens augenblicklich aufgeschmolzen und dann eine gehärtete Schicht ausgebildet wird, können zwischen der abgekühlten Schicht einschließlich des geschmolzenen Abschnittes und dem angrenzenden nicht erwärmten Abschnitt extreme Wärmespannungen auftreten, was zum Bruch führen kann. Um einen solchen Bruch zu verhindern, wird die Nocke mittels des WIG-Lichtbogens vor der Drehung der Nockenwelle erwärmt. Das Erwärmen wird ausgeführt, indem der Stromwert des Lichtbogens für etwa 4 Sekunden zuerst auf ein Vorheiz- Niveau und dann auf ein Schmelz-Niveau gesteuert wird, während die Nockenwelle in Richtung der Mittelachse (X- Achse) mit einem Zyklus von 1,0 Sekunden und einer Amplitude von 9,5 mm oszilliert.

Anschließend beginnt die Drehung der Nockenwelle 1 und die Nocke 2 wird der Aufschmelz-Abkühl-Behandlung unter Verwendung des WIG-Lichtbogens bei folgenden Bedingungen unterworfen:
Drehgeschwindigkeit der Nocke: 340°/min
Gleichstrom-Impulsstrom zum Schmelzen
Basisstrom: 115 A
Impulsspitzenstrom: 125 A
Impulsdauer: 0,2 Sekunden
Lichtbogenlänge: 2,0 ± 0,1 mm
Oszillationsgeschwindigkeit der Nockenwelle: 60
Zyklen /min
Oszillationsbreite der Nockenwelle: 9,5 mm

Es ist anzumerken, daß eine große Senkung des Metallschmelzenbades infolge der Gravitationskraft auftritt, wenn die gesamte Umfangsoberfläche der Nocke bei den oben erwähnten Bedingungen ohne Variation behandelt wird, so daß nach dem Schleifen im verbleibenden Oberflächenbereich in einer Vertiefung auf der Nockenoberfläche Fehlstellen auftreten.

Die Nocke 2 der Nockenwelle 1 weist einen Punkt bzw. eine Position eines minimalen Senkungswinkels α von 33° zwischen dem kreisförmigen Basisabschnitt und dem Nockenspitzenabschnitt auf, bei dem bzw. der die Senkung zu einem Problem wird. An diesem Punkt bilden eine Verbindungslinie zwischen dem Spitzenpunkt und der Nockenwellenmittelachse und die Achsenlinie des Brenners einen Winkel von 20°, der im folgenden als der von der Spitze gemessene Winkel bezeichnet wird. Wenn der von der Spitze gemessene Winkel 20° und 45° beträgt, werden erfindungsgemäß die Drehung der Nockenwelle und der Strom in der in Beispiel 1 in Fig. 7 dargestellten Weise gesteuert bzw. geändert. Das bedeutet, daß die Drehung gestoppt und gleichzeitig der Strom von einem schmelzenden Niveau auf ein nicht schmelzendes Niveau, z. B. 10 A bis 20 A verändert bzw. vermindert wird, wenn der Oberflächenpunkt der Nocke, der der Position bei einem von der Spitze gemessenen Winkel von 45° entspricht, sich unter dem Brenner befindet, um das Metallschmelzenbad zu verfestigen. Nach einer Sekunde wird der Strom wieder auf das schmelzende Niveau gebracht und mittels des WIG- Lichtbogens wird das Schmelzen für die Dauer von einer Sekunde ausgeführt, um mit der Bildung der Härteschicht fortzufahren. Somit ist die Drehung für zwei Sekunden gestoppt und wird anschließend wieder aufgenommen. An dem Punkt des maximalen Senkungswinkels, der der Position des von der Spitze gemessenen Winkels von 20° entspricht, wird die gleiche Steuerung wie die oben beschriebene Steuerung ausgeführt. Als Folge davon kann am Punkt des maximalen Senkungswinkels auf der Nockenoberfläche die Tiefe der Vertiefung in der unregelmäßigen Oberfläche, die durch die Senkung hervorgerufen wird, kleiner als 0,25 mm ausgebildet und die an einem Querschnitt in Breitenrichtung der Nocke gemessene Aushärttiefe in einem Bereich von 1,0 bis 1,2 mm ausgebildet werden. So ist es möglich, die Aushärttiefe bzw. die Dicke der Härteschicht um etwa 0,2 mm größer als im herkömmlichen Fall auszubilden. Wenn das Schmelzen mit dem WIG-Lichtbogen zeitweise gestoppt wird, tritt infolge der Oszillation und der Rotation der Nockenwelle ein leichter Fluß des Metallschmelzenbades mit einem Durchmesser von etwa 4 mm auf. Auf diese Weise ist eine der beiden Vertiefungen, die auf beiden Seiten eines konvexen Abschnittes in der Mitte in Breitenrichtung der Nocke ausgebildet sind, tiefer als die andere.

Beispiel 2

Eine Kurbelwelle und eine Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Behandlung werden in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 vorbereitet. Wenn die Aufschmelz-Abkühl- Behandlung mittels der Erzeugung des WIG-Lichtbogens mit einem schmelzenden Stromniveau und mittels des Drehens der Kurbelwelle ausgeführt wird, wird die Drehung der Kurbelwelle abschnittsweise mit schrittweisem Vorschub durchgeführt und die Änderung des Stroms von dem schmelzenden Niveau auf das nicht schmelzende Niveau und zurück wird synchron zu der Bewegung der Kurbelwelle in der Weise ausgeführt, wie es im Beispiel 2 in Fig. 7 gezeigt ist.

Die gesamte Umfangsfläche der Nocke wird bei folgenden Bedingungen behandelt:
Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle: 300°/min
schrittweiser Vorschub der Nockenwelle: 1 Sekunde
Drehen, 1 Sekunde Anhalten
Oszillationsgeschwindigkeit: 1,0 Sekunde/Zyklus
Oszillationsbreite: 9,5 mm
Gleichstrom-Impulsstrom zum Schmelzen:
Basisstrom: 115 A
Impulsspitzenstrom: 125 A
Impulsdauer: 0,2 Sekunden
Gleichstrom-Impulsstrom zum Nichtschmelzen: 10 bis 20 A
Zeitintervall zur Stromänderung: 1 Sekunde.

Als Folge dieser Aufschmelz-Abkühl-Behandlung ist die Senkung am Punkt des maximalen Senkungswinkel geringer als im Beispiel 1. Die Tiefe der Vertiefung kann geringer als 0,25 mm ausgebildet werden und die maximale Aushärte liegt im Bereich zwischen 1,3 und 1,6 mm. Allerdings beträgt in diesem Fall die Behandlungszeit etwa das Doppelte der Behandlungszeit der herkömmlichen Methode, was die Produktivität verringert.

Beispiel 3

Im Beispiel 2 war die Behandlungszeit relativ lang. Um diese Behandlungszeit zu verkürzen, wird die abschnittsweise Drehung und die Änderung des Stromes für eine vorbestimmte Dauer innerhalb eines Bereichs des von der Spitze gemessenen Winkels von 40° bis 10° in der im Beispiel 3 in Fig. 7 gezeigten Weise durchgeführt.

Der Oberflächenabschnitt der Nocke von dem kreisförmigen Basisabschnitt bis zu der Position mit dem von der Spitze gemessenen Winkel von 40° wird kontinuierlich der Aufschmelz- Abkühl-Behandlung bei folgenden Bedingungen unterworfen:
Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle: 340°/min
Oszillationsgeschwindigkeit: 1,0 Sekunde/Zyklus
Oszillationsbreite: 9,5 mm
Gleichstrom-Impulsstrom zum Schmelzen:
Basisstrom: 120 A
Impulsspitzenstrom: 130 A
Impulsdauer: 0,2 Sekunden.

Anschließend wird der Oberflächenbereich der Nocke zwischen der 40°-Position und der Position für den von der Spitze gemessenen Winkel von 10° der Aufschmelz-Abkühl- Behandlung mit schrittweisem Aufschmelzen bei den Bedingungen, wie sie im Beispiel 2 beschrieben sind, unterworfen.

Anschließend wird der verbleibende Oberflächenabschnitt von der 10°-Position bis zur Ausgangsposition einschließlich des kreisförmigen Basisabschnittes kontinuierlich der Behandlung bei den gleichen Bedingungen, wie sie vorher in diesem Beispiel beschrieben sind, unterworfen.

Als Folge der oben beschriebenen Aufschmelz-Abkühl-Behandlung entspricht die Senkung an dem Punkt des maximalen Senkungswinkels der aus Beispiel 2 und die Tiefe der Vertiefung (weniger als 0,25 mm) und die maximale Aushärttiefe (im Bereich von 1,3 bis 1,6 mm) nehmen die gleichen Werte wie im Beispiel 2 an.

Beispiel 4

Die Aufschmelz-Abkühl-Behandlung gemäß Beispiel 1 wurde entwickelt, um zu verhindern, daß eine der beiden ausgebildeten Vertiefungen eine größere Tiefe als die andere aufweist. Wie im Beispiel 4 in Fig. 7 gezeigt ist, wird der WIG-Strom von dem schmelzenden Niveau auf das nicht schmelzende Niveau geändert und gleichzeitig die Drehung der Kurbelwelle zeitweilig umgekehrt, wenn der von der Spitze gemessene Winkel 45° und 20° wird. Diese Unterbrechung des Schmelzvorganges und die Gegendrehung der Kurbelwelle erlauben den zuvor verfestigten Abschnitten, wieder aufzuschmelzen, was zu einer Verringerung der Tiefe der Vertiefung und eine Verbesserung der Unebenheit der Oberfläche, d. h. zu einer Normalisierung der unregelmäßigen Oberfläche führt.

Die Nockenoberfläche wird, mit Ausnahme der 45°-Position und der 20°-Position, der Aufschmelz-Abkühl-Behandlung bei den gleichen Bedingungen wie bei der kontinuierlichen bzw. konstanten Behandlung gemäß dem Beispiel 2 unterworfen. Bei der 45°-Position und der 20°-Position wird die Nockenwelle in Gegenrichtung gedreht und der Strom wird für eine Sekunde auf das nicht schmelzende Niveau, d. h. auf 10 bis 20 A geändert. Wenn die Geschwindigkeit der Gegendrehung 160°/min beträgt, entspricht der Gegendrehungsgrad einem Winkel von etwa 2°. Demgemäß wird das Metallschmelzenbad verfestigt und der Härteschichtabschnitt, der dem vorletzten Bearbeitungsabschnitt entspricht, kehrt infolge der Gegendrehung unter dem Brenner zurück. Anschließend werden die Drehung der Nockenwelle und der Strom auf die normale Drehung und das Schmelzniveau zurückgestellt.

Als Folge davon sind die Tiefen der zwei Vertiefungen in der unregelmäßigen Nockenoberfläche, die an der Position des maximalen Senkungswinkels infolge der Senkung entstehen, annähernd gleich. Obwohl das Schmelzstromniveau um 5 A höher als das im Beispiel 1 ist, ist die Tiefe der Vertiefung ähnlich der des Beispiels 1. Die maximale Aushärttiefe liegt im Bereich zwischen 1,2 und 1,4 mm.

Beispiel 5

Bezüglich der Arbeitsweise im Beispiel 4 wird zur Vergrößerung der maximalen Aushärttiefe ein Niederfrequenzimpuls mit einer Pulsdauer von 0,2 Sekunden im Impulsspitzenstrom mit einem Hochfrequenzimpuls von 15 kHz überlagert und die normale Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle wird auf 300°/min geändert. Die Aufschmelz-Abkühl-Behandlung wird bei den Bedingungen des Beispiels 4 mit Ausnahme der oben beschriebenen zwei Faktoren durchgeführt. Die Überlagerung des Hochfrequenzimpulses auf dem Niedrigfrequenzimpuls erlaubt, daß das Metallschmelzenbad tiefer wird und daß der Einwirkbereich des WIG-Lichtbogens auf der Nockenoberfläche kleiner wird. Als Folge davon beträgt die Tiefe der Vertiefung in der unregelmäßigen Nockenoberfläche an der Position des maximalen Senkungswinkels ähnlich wie im Beispiel 4 weniger als 0,25 mm und die maximale Aushärttiefe liegt im Bereich von 1,5 bis 1,7 mm.

Wie oben erwähnt ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht unter Verwendung eines WIG-Lichtbogens die Senkung des Metallschmelzenbades, die infolge der Gravitationskraft auftritt, verringern und die maximale Aushärttiefe vergrößern.

Vorstehend sind nur einige Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert worden. Es liegt jedoch für den Fachmann auf der Hand, daß zahlreiche Änderungen und Abwandlungen ausführbar sind, ohne den Rahmen und den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Es ist z. B. möglich, als Energiequelle, für die in den Beispielen 1 bis 5 ein WIG-Lichtbogen verwendet wurde, einen Laserstrahl, einen Plasmalichtbogen oder eine Elektronenstrahlung zu verwenden, um gemäß der Erfindung eine Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht herzustellen.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht, bei dem Nocken einer Aufschmelz-Abkühl-Behandlung unterzogen werden, umfaßt die Schritte des Aufschmelzens einer Nockengleitfläche mittels Bestrahlen mit Energie hoher Dichte, d. h. mittels eines WIG-Lichtbogens und des Ausbildens einer kontinuierlichen Härteschicht mittels Selbstkühlung. An Stellen, an denen ein gebildetes Metallschmelzenbad infolge der Gravitationskraft einer Senkung unterworfen werden kann, wird der Aufschmelzvorgang unterbrochen, damit sich das Metallschmelzenbad verfestigt, und so fortgesetzt, daß ein vorher ausgebildeter Härteschichtabschnitt und ein folgender Härteschichtabschnitt überlagert werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, wobei Nocken einer Aufschmelz-Abkühl-Behandlung unterzogen werden, die die Schritte des Aufschmelzens einer Nockengleitfläche jeder Nocke mittels Bestrahlen mit Energie hoher Dichte und des Ausbildens einer kontinuierlichen Härteschicht mittels Selbstkühlung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufschmelzvorgang an Stellen, an denen ein während des Aufschmelzens gebildetes Metallschmelzenbad infolge der Gravitationskraft einer Senkung unterworfen werden kann, unterbrochen wird, damit sich das Metallschmelzenbad verfestigt, und so fortgesetzt wird, daß ein vorher ausgebildeter Härteschichtabschnitt und ein folgender Härteschichtabschnitt überlagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung des Aufschmelzvorganges durchgeführt wird, indem die Energie hoher Dichte auf nicht schmelzendes Niveau verringert und gleichzeitig eine Drehung der Nockenwelle um ihre Achse zeitweilig gestoppt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung des Aufschmelzvorganges durchgeführt wird, indem die Energie hoher Dichte auf ein nicht schmelzendes Niveau verringert und gleichzeitig eine Drehung der Nockenwelle um ihre Achse zeitweilig umgekehrt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung des Aufschmelzvorganges bei einer schrittweisen Drehung der Nockenwelle um ihre Achse kontinuierlich durchgeführt wird, indem die Energie hoher Dichte, die während der Drehung das Aufschmelzen bewirkt, auf ein nicht schmelzendes Niveau verringert wird, während die Drehung gestoppt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie hoher Dichte von einem Wolfram-Inert-Gas- Lichtbogen, einem Laserstrahl, einem Plasmalichtbogen oder einer Elektronenstrahlung bewirkt wird.