DE3626808A1 - Verfahren zur herstellung einer nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekuehlten oberflaechenschicht - Google Patents

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 ist.

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-Bearbeitung, d. h. einer Oberflächen-Härte- Bearbeitung 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 6 02 34 168 und der JP-OS 6 02 34 169 beschrieben ist. Wenn die Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht unter Verwendung dieser Oberflächen- Härte-Bearbeitung, 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 einer 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 oszillieren 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. Der Senkungswinkel variiert auf der unteren linken Seite, wie in Fig. 2 dargestellt ist und der unteren rechten Seite (nicht dargestellt) zu der horizontalen Linie, die eine Grenzlinie des Spitzenpunktes ist. Wenn der Senkungswinkel α groß ist, tritt das Problem auf, das ein Metallschmelzenbad, das mittels Energie hoher Dichte gebildet ist, infolge der Gravitationskraft einer nach unten gerichteten Senkung unterworfen wird. Der Senkungswinkel 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 verbindet, gebildet ist, im Bereich zwischen 15° und 30° (DEG) liegt. Dieser maximale Winkel ist zu beiden Seiten des Spitzenpunktes der Nocke gebildet. Während des Aufschmelzens mittels eines WIG-Lichtbogens an einem Nockenoberflächenabschnitt 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 Bereiches des Schmelzbades, 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 Lichtbogensäure. Desweiteren strömt ein Teil eines Argongasstromes, der die von der Linie verschobene Lichtbogensäule umgibt, entlang der Nockenoberfläche nach unten. Desweiteren neigt ein Mittelabschnitt des Metallschmelzenbades bei Drehung der Nockenwelle infolge der Winkelgeschwindigkeit dazu, in Rotationsrichtung zu fließen. 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 Nockenoberflächenbereich 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 der Abschnitt der Nocke unterhalb der Schmelzposition noch nicht erwärmt und somit kalt ist. Die Lichtbogensäure 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 Lichtbogensäure umgibt, fließt entlang der Nockenoberfläche nach oben. Die Einflüsse der Wärme und des Argongasstromes, die voher 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 eine Unregelmäßigkeit auf, wo eine Senkung des Metallschmelzenbades vorhanden ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, die eine auschnittsweise 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 Oberflächen-Aufschmelz-Bearbeitung 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 33° beträgt, wird ein Lichtbogenstrom, d. h. die Strahlungsenergie vermindert, 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 Haltbarkeitstests 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-Bearbeitung, d. h. die Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung 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 5 71 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- Bearbeitung 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 Basisabschnittes der Nocke versehen. Bei der Durchführung der Aufschmelz- Abkühl-Bearbeitung 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.

Es wurde ein weiterer Vorschlag zur Verminderung der Senkung des Metallschmelzenbades infolge der Gravitationskraft gemacht, wobei der Brenner von der vertikalen Linie, die die Nockenwellenmittelachse 6 durchläuft, in eine der Drehrichtung entgegengesetzte Richtung bewegt wird, so daß der Senkungswinkel nur auf der unteren rechten Seite gebildet wird. Diese Bewegung des Brenners ist in der JP-OS 53 94 209, die auf der DE-OS 27 03 469.1 basiert, beschrieben. Der Brenner ist dabei in einem Winkel von 45° zu der vertikalen Linie, die die Mittelachse der Nockenwelle durchläuft, auf der der Drehrichtung abgewandten Seite angeordnet. In diesem Fall wird der Senkungswinkel zwischen der horizontalen Linie und der Tangentenlinie des Nockenprofils auf der rechten Seite der Vertikallinie unterhalb gebildet, wie es in den Fig. 4a bis 4f und 5a bis 5f dargestellt ist. In den Fig. 4a bis 4f ist der Brenner 3 in einer zu der Drehrichtung der Nockenwelle entgegengesetzten Richtung verschoben und so angeordnet, daß seine Achse die Mittelachse 6 der Nockenwelle durchläuft, und bildet mit der vertikalen Linie 11 in Z- Richtung einen konstanten Winkel von 45°. Das Aufschmelzen mittels des WIG-Lichtbogens wird durchgeführt, wie es in Fig. 4a bis 4f dargestellt ist, während die Bildung des Senkungswinkels auf der unteren rechten Seite der horizontalen Linie beibehalten wird. Desweiteren ist gemäß den Fig. 5a bis 5f der Brenner in anderer Weise so angeordnet, daß die Brennerachse 3 mit der vertikalen Linie 11 einen konstanten Winkel von 45° bildet und die vertikale Linie 11 oberhalb des Mittelpunktes 6 der Nockenwelle schneidet. Das Aufschmelzen mittels des WIG-Lichtbogens wird durchgeführt, wie es in den Fig. 5a bis 5f dargestellt ist, während die Bildung des Senkungswinkels, der kleiner ist als der Senkungswinkel gemäß der Fig. 4a bis 4f, auf der unteren rechten Seite beibehalten bleibt. Da aber in diesen Fällen die Schwankung des Senkungswinkels relativ groß ist, variieren die durch den Lichtbogen erzeugten Punkte ebenfalls stark und ein Schild eines Argongases wird unregelmäßig. Die Elektrode des Brenners oxidiert und wird unbrauchbar, so daß die Unterbrechungen der Lichtbogenerzeugung an bestimmten Positionen kontinuierlich erfolgt. Als Folge davon können die Defekte des Durchbrennens der Endbereiche oder des Verbleibens eines Hautabschnittes während der Bearbeitung häufig auftreten. Die Elektrode muß deshalb häufig gewechselt werden, was zu einem Anwachsen der Kosten für die Elektroden, für das Schleifen der Elektroden und zu einer Erhöhung der Verfahrensschritte beim Wechsel führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Verminderung der Senkung des Metallschmelzenbades bei der Durchführung der Aufschmelz-Abkühl- Bearbeitung unter Verwendung von Strahlungsenergie hoher Dichte erreicht werden kann, daß sich von den oben beschriebenen Verfahren unterscheidet und einen größeren Freiheitsgrad als diese aufweist.

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

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 besteht, geringer als 0,25 mm ist und daß über die gesamte Umfangsfläche der Nocke eine maximale, in Querrichtung der Nocke gemessene Härtetiefe von mehr als 1,0 mm sicherstellt.

Das Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit Nocken, die einer Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung unterzogen wird, umfaßt die Schritte des Aufschmelzens einer Nockengleitfläche jeder Nocke mittels des Bestrahlens mit Energie hoher Dichte und des Ausbildens einer kontinuierlichen Härteschicht mittels Selbstkühlung, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Nocke um die Mittelachse der Nockenwelle gedreht und eine Position eines Brenners zur Abstrahlung der Energie hoher Dichte auf der Nockengleitfläche so gehalten wird, daß an der Aufschmelzstelle unterhalb einer horizontalen Linie und in einer der Drehrichtung der Nockenwelle entgegengesetzten Richtung ein Winkel zwischen einer Tangentenlinie der Nockenoberfläche und der horizontalen Linie gebildet ist, der zwischen 30° und 0°, bevorzugterweise zwischen 20° und 0° liegt, so daß die Senkung des Metallschmelzenbades infolge der Gravitationskraft verringert wird.

Die Positionssteuerung des Brenners wird mittels der sogenannten Umfangssteuerung (contour control) durchgeführt, indem der Brenner in mindestens zwei Bewegungsrichtungen der horizontalen Y-Achsen-Richtung, die senkrecht zu der Mittelachsenrichtung der Nockenwelle verläuft, und der vertikalen Z-Achsen-Richtung, die senkrecht zu der Mittelachsenrichtung verläuft, durchgeführt wird. Wenn die Energie hoher Dichte durch einen WIG-Lichtbogen gebildet wird, wird die Positionssteuerung des Brenners so durchgeführt, daß zwischen dem Brenner und der zu bearbeitenden Nockenoberfläche ein konstanter kürzester Abstand bzw. Spalt gehalten ist.

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 α, der gemäß dem Stand der Technik ausgebildet ist,

Fig. 3 ist eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer Nocke, die infolge der Senkung eines Metallschmelzenbades eine unregelmäßige Oberfläche aufweist,

die Fig. 4a bis 4f sind schematische Darstellungen einer Nocke und eines WIG-Lichtbogen-Brenners in verschiedenen Stellungen während der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung gemäß dem Stand der Technik,

die Fig. 5a bis 5f sind schematische Darstellungen einer Nocke und eines WIG-Lichbogen-Brenners in verschiedenen Stellungen während der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung gemäß einem herkömmlichen Verfahren,

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems für eine Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung,

Fig. 7 zeigt einen mechanischen Teil der Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung in Schnittdarstellung entlang der Linie VII-VII in Fig. 8,

Fig. 8 zeigt eine Vorderansicht des mechanischen Teils der Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung,

die Fig. 9a bis 9e sind schematische Darstellungen einer Nocke und eines WIG-Lichtbogen-Brenners in verschiedenen Stellungen während der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

die Fig. 10a, 10b sind schematische Darstellungen einer Nocke und eines WIG-Lichtbogen-Brenners in Zwischenstellungen während der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6, 7 und 8 wird im folgenden eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberfläche erläutert. In Fig. 6 ist ein Steuersystem der Vorrichtung dargestellt. In den Fig. 7 und 8 ist ein mechanischer Teil der Vorrichtung dargestellt.

Die Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl- Bearbeitung 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 bzw. eine Stromquelle für einen WIG-Lichtbogen 33, 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-, Y- und Z- Achse, die sich im rechten Winkel einander schneiden, 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. Bevorzugterweise weist der schmelzende Strom einen Basisstrom von 60 bis 140 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 des Impulsstroms zwischen 70 und 150 A bzw. zwischen 0,1 und 0,4 Sekunden.

Der Handhabungsabschnitt 39, der drei Bewegungsrichtungen entlang der X-, Y- und Z-Achse besitzt, die sich im rechten Winkel einander schneiden, weist eine Gleitbahn 51, ein gleitendes Teil 52 une einen Antrieb 53 für das gleitende Teil 52 auf, der einen Brenner 38 in X-Richtung parallel zur Mittelachse 6 einer Nockenwelle 1 verschiebt. Zur Verschiebung des Brenners 38 in horizontaler Y-Achsen- Richtung, die senkrecht bzw. im rechten Winkel zu der Mittelachsenrichtung der Nockenwelle verläuft, sind an dem in X-Achsen-Richtung gleitenden Teil 52 ein weiteres gleitendes Teil 55 und ein Antrieb 56 für dieses angeordnet. Zur Verschiebung des Brenners 38 in vertikaler Z-Achsen- Richtung, die senkrecht bzw. im rechten Winkel zu der Mittelachsenrichtung verläuft, ist das in Y-Achsen- Richtung gleitende Teil 55 mit einer vertikal bewegbaren Platte 57, einer Befestigung 59 zur Anbringung des Brenners 38 an der bewegbaren Platte 59 und einem Antrieb für die bewegbare Platte 58 versehen. Der Antriebsabschnitt 40 für ein Werkstück (Nockenwelle) weist einen rotierenden Abschnitt 64, eine Gleitbahn 65 und einen oszillierenden Antrieb 66 auf. Der rotierende Abschnitt 64 weist Zentrierelemente 61 und 62 zur Halterung der Nockenwelle 1 und einen Antrieb (Servomotor) 63 zur Drehung der Nockenwelle auf. Der oszillierende Antrieb 66 bewegt den routierenden Abschnitt 64 auf der Gleitbahn 61 in X-Achsen- Richtung hin und her. Bestimmte Befehle werden von dem Kontroller 32 zu den Antrieben 53, 56, 58, 63 und 66 sowie zur Stromquelle 33 übertragen. Um das erfindungegemäße Verfahren zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung der Nockenwelle durchzuführen, werden mittels der Programmiereinheit 35, der Lehreinheit 36 und des Betätigungspultes 37 bestmögliche Betriebsbedingungen festgesetzt und die Bearbeitungsvorrichtung wird demgemäß mittels des Kontrollers 32 automatische betrieben.

Bei der Verwendung der oben genannten Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung wird eine Nockenwelle 1 gedreht und ein WIG-Lichtbogen-Brenner 38 wird verschoben, wie es in den Fig. 9a bis 9e dargestellt ist, so daß mittels des Aufschmelzens einer Nockenoberfläche mit dem WIG-Lichtbogen und mittels Selbstkühlung eine kontinuierliche Härteschicht gebildet und somit eine Nockenwelle hergestellt ist.

Die Nockenwelle 1 wird zuerst zwischen den Zentrierelementen 61 und 62 des routierenden Abschnittes 60 eingesetzt, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Die Nockenwelle 1 weist Nocken 2, Lagerzapfen 68 und einen Wellenschaft 69 auf und besteht z. B. aus speziellem Gußeisen. Die Nockenwelle 1 ist so bearbeitet, daß sie z. B. folgenden Abmessungen besitzt:
gesamte Nockenwellenlänge: 400 mm
Nockenbreite: 14,4 mm
Durchmesser des kreisförmigen Basisabschnittes: 31 mm
Hebehöhe: 8 mm
ein Profil der Nocke 2, wie es in den Fig. 9a bis 9e dargestellt ist, weist einen kreisförmigen Basisabschnitt der sich vom Punkt E über die Punkte F und A bis zum Punkt B erstreckt, einen Spitzenabschnitt bzw. einen exzentrischen Kreisabschnitt geringen Durchmessers zwischen den Punkten C und D und zwei im wesentlichen geradlinige Abschnitte zwischen dem Punkt B und dem Punkt C bzw. zwischen dem Punkt D und dem Punkt E auf, die die kreisförmigen Abschnitte glatt verbinden. Bei der Erzeugung eines WIG-Lichtbogens ist es notwendig, zwischen der Nockenoberfläche und einer Wolframelektrode des Brenners 38 einen konstanten kürzesten Abstand bzw. Spalt zu halten, weshalb die Form einer Bezugsnocke (master) mittels eines Sensors unter Verwendung einer Kugel mit einem Durchmesser von 4 mm und eines elektromagnetischen Mikrometers vorab bestimmt und die Lageveränderung des Brenners mittels der Lehreinheit 35 in Verbindung mit der Drehung der Nockenwelle 1 geeignet festgesetzt ist. Das Nockenprofil und die Lageveränderung werden in dem Speicher der Programmiereinheit 36 gespeichert. Eine Bewegung zur Verschiebung des Handhabungsabschnittes 39 in X-Achsen-Richtung ist ebenfalls programmiert, so daß nach Beendigung der Aufschmelz- Abkühl-Bearbeitung einer Nocke die folgende Nocke bearbeitet werden kann.

Wie in Fig. 9a dargestellt ist, ist der Brenner 38 auf der vertikalen Linie, die die Nockenwellenachse 6 durchläuft, angeordnet. Der Punkt A, d. h. der Startpunkt ist bezüglich des Brenners 38 ein gewählter Punkt auf dem kreisförmigen Basisabschnitt der Nocke. Bevorzugterweise wird der Punkt A so festgelegt, daß er mehr als ± 45° von der Verlängerung der Linie, die den Spitzenpunkt und die Mittelachse 6 durchläuft, entfernt liegt. In diesem Stadium wird zwischen dem Brenner 38 und der Nockenoberfläche der WIG- Lichtbogen erzeugt und die Nockenwelle 1 oszilliert in Richtung der Nockenwellenmittelachse 6, d. h. in X-Achsen- Richtung mit einer Oszillationsbreite, d. h. Amplitude von 9,5 mm bei einem Zyklus von 1,1 Sekunden, d. h. 1,1 Sekunden pro Zyklus. In den ersten 3 Sekunden nach der Lichtbogenerzeugung dreht sich die Nockenwelle 1 nicht und wird anschließend mit einer Drehgeschwindigkeit von 300°/min gedreht. Dieser Zeitabschnitt des Nichtdrehens gilt als Vorwärmzeit, da eine geringe Aufschmelztiefe und eine dünne Härteschicht erhalten würde, wenn die kalte Nockenwelle nicht vorgeheizt wird, und es würden thermische Spannungen auftreten, die zu einem Bruch führen können. Wenn die Nockenwelle mittels des Hindurchleitens eines elektrischen Stromes oder mittels einem ähnlichen Verfahren vorgewärmt werden kann, ist kein Zeitabschnitt notwendig, in dem die Kurbelwelle sich nicht dreht. Der WIG- Lichtbogen-Strom zum Schmelzen ist auf folgende Bedingungen festgesetzt:
Basisstrom: 115 A
Impulsspitzenstrom: 125 A
Impulsdauer: 0,2 Sekunden.
Der Abschnitt auf der Nockenoberfläche zwischen dem Punkt A und dem Punkt B wird so unter Verwendung des WIG-Lichtbogens mit einer Lichtbogenlänge von 2,0 mm der Aufschmelz- Abkühl-Bearbeitung gemäß einer Tangentenlinie der Nockenoberfläche und der horizontalen Linie am Aufschmelzpunkt unterworfen. Die Tangentenlinie und die horizontale Linie bilden zueinander keinen Winkel bzw. einen Winkel von 0°.

Die Nockenwellendrehung wird gestoppt, wenn der Punkt B unter dem Brenner 38 zu liegen kommt, wie es in Fig. 9b dargestellt ist. Der Brenner 38 wird dann entlang des geradlinigen Abschnittes von Punkt B zu Punkt C in einer annähernd horizontalen Position in Y-Achsen-Richtung verschoben, während die Lichtbogenlänge von 2,0 mm beibehalten wird. Bevorzugterweise verläuft die Tangentenlinie des geradlinigen Abschnittes auf der unteren rechten Seite zu der horizontalen Linie in einer zu der Nockenwellen-Drehrichtung entgegengesetzten Richtung und es wird insbesondere bevorzugt, daß ein Winkel β, der zwischen der Tangentenlinie und der horizontalen Linie gebildet wird, nahe an Null liegt, wie es in Fig. 9b dargestellt ist. Es ist es möglich, den Winkel β zu 0 zu machen. Die Bewegung des Brenners 38 wird mittels einer Bewegung des in Y- Achsen-Richtung gleitenden Teils 55 (siehe Fig. 7) mit Hilfe des Antriebs 56 und mittels einer Bewegung der bewegbaren Platte 57 mit dem Brenner in vertikale, d. h. Z- Achsen-Richtung mit Hilfe des Antriebs 58 für die bewegbare Platte gemäß dem geradlinigen Abschnitt ausgeführt. In diesem Abschnitt wird der Brenner 38 mit einer Geschwindigkeit von 100 nm/min verschoben und die Stärke des Schmelzstroms wird auf den Basisstrom von 120 A und den Impulsspitzenstrom von 130 A erhöht, während die Impulsdauer unverändert bleibt. Diese Intensivierung des WIG- Lichtbogen-Stroms wird ausgeführt, um eine ausreichende Härteschicht durch Vergrößerung der Aushärtetiefe bzw. der Härteschichtdicke sicherzustellen, obwohl in dem vorhergehenden Rohbearbeitungsschritt für das Nockenprofil Unregelmäßigkeiten in den Abmessungen der Nocke aufgetreten sind.

Wenn der Brenner 38 diesen Punkt erreicht hat, wird die Nockenwelle mit einer Drehgeschwindigkeit von 30°/min gedreht und der Brenner wird gleichzeitig entlang der Y- Achsen-Richtung gemäß der Zeichnung nach links und entlang der Z-Achsen-Richtung bewegt, so daß eine Lichtbogenlänge von 2,0 mm eingehalten bleibt. Der Spitzenabschnitt vom Punkt C bis zum Punkt D wird dann der Aufschmelz-Abkühl- Bearbeitung unterworfen, wobei die Tangentenlinie an dem Aufschmelzpunkt auf der unteren rechten Seite zu der horizontalen Linie verläuft. Da die Wärme des WIG-Lichtbogens in dem Spitzenabschnitt konzentriert ist und so eine schnelle Selbstkühlung behindert, wird in diesem Abschnitt die Stärke des Schmelzstromes auf einen Basisstrom von 100 A und einen Impulsspitzenstrom von 110 A vermindert, während die Impulsdauer unverändert bleibt. Wenn der Aufschmelzpunkt den Punkt D erreicht, sind der Brenner 38 und die Nocke 2 gemäß der Fig. 9d angeordnet. Wenn die Situation gemäß der Fig. 9d erreicht ist, wird die Drehung der Nockenwelle angehalten. Dann wird der Brenner 38 unter Beibehaltung der Lichtbogenlänge von 2,0 mm entlang des geradlinigen Abschnittes in annähernd horizontaler Position auf den Punkt E verschoben, der auf der vertikalen Linie, die den Nockenwellenmittelpunkt 6 durchläuft, angeordnet ist. In diesem Fall sind die Bedingungen denen in Fig. 9b dargestellten Bedingungen bis auf die Tatsache ähnlich, daß der Basisstrom 110 A und der Impulsspitzenstrom 120 A beträgt.

Wenn der Brenner 38 einen Punkt gerade oberhalb des Punktes E erreicht, wie es in Fig. 9e dargestellt ist, wird die Nockenwelle 1 mit einer Geschwindigkeit von 300°/min gedreht. Da der Abschnitt vom Punkt E bis zum Punkt A der kreisförmige Basisabschnitt ist, ist es nicht notwendig, den Brenner 38 zu verschieben, und die Tangentenlinie der Nockenoberfläche an der Aufschmelzposition entspricht der horizontalen Linie, d. h., der Senkungswinkel ist Null. Wenn nicht der gesamte kreisförmige Basisabschnitt der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung unterworfen werden muß, kann die Bearbeitung bis zu einem gewählten Punkt F ausgeführt werden.

Die oben erwähnte Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung unter Verwendung des WIG-Lichtbogens weist keinen geneigten Abschnitt des Nockenprofils oder keinen Senkungswinkel infolge der Senkung des Metallschmelzenbades auf und demgemäß gibt es keine Vertiefung, die tiefer als 0,5 mm ist, so daß nach dem Schleifen kein Fehler auf dem verbleibenden Außenabschnitt existiert. Bezüglich der Untersuchung der Härteschichtdicke in einem Querschnitt der bearbeiteten Nocke liegt die maximale Aushärttiefe in einem Bereich von 1,5 bis 1,7 mm. Ein Bereich der Nockenoberfläche zwischen dem Punkt B und dem Punkt C, der einem großen Druck unterworfen ist, weist eine Härteschichtdicke von 1,5 bis 1,7 mm auf.

In dem oben beschriebenen Beispiel bewegt sich der Brenner 38 von der Position auf der rechten Seite gemäß Fig. 9c zu der Position auf der linken Seite gemäß Fig. 9d während der Bearbeitung des Nockenoberflächenabschnittes zwischen dem Punkt C und dem Punkt E über die vertikale Linie, die den Nockenwellenmittelpunkt 6 durchläuft, hinaus. Es ist aber andererseits möglich, die Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung zwischen der Bedingung gemäß der Fig. 10a und 10b durchzuführen. In Fig. 10b kann der Senkungswinkel β in Abhängigkeit von z. B. den Nockenabmessungen zu etwa 30° gebildet werden, aber die Senkung des Metallschmelzenbades ist nicht so groß, daß die Senkung infolge der Gravitationskraft ein Problem mit sich bringt. Wenn der Senkungswinkel mehr als 30° beträgt, kann das Verhalten des WIG-Lichtbogens nicht genau gesteuert werden und die Standzeit einer Elektrode des WIG-Lichtbogen-Brenners wird kürzer. Unter Berücksichtigung dieser Nachteile wird bevorzugt, daß der Senkungswinkel auf einer unteren Seite der horizontalen Linie in einer zu der Kurbelwellen-Drehrichtung entgegengesetzten Richtung geringer als 20° ist.

Wie oben ausgeführt ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht unter Verwendung des WIG-Lichtbogens die Senkung des Metallschmelzenbades infolge der Gravitationskraft verringert 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, anstelle des in dem Ausführungsbeispiel verwendeten WIG-Lichtbogens einen Laserstrahl, einen Plasmalichtbogen oder eine Elektronenstrahlung zur erfindungsgemäßen Herstellung einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Nockenwelle zu verwenden.

In einem Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht unter Verwendung einer Energiestrahlung hoher Dichte und Selbstkühlung wird eine Nocke um die Mittelachse der Nockenwelle gedreht und eine Position eines Brenners für die Strahlung, z. B. eines WIG-Lichtbogen-Brenners wird so gesteuert, daß an der Aufschmelzstelle unterhalb einer horizontalen Linie und in einer der Drehrichtung der Nockenwelle entgegengesetzten Richtung ein Winkel zwischen einer Tangentenlinie der Nockenoberfläche und der horizontalen Linie gebildet ist, der zwischen 30° und 0°, bevorzugterweise zwischen 20° und 0° liegt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberflächenschicht, wobei Nocken einer Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung unterworfen 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 die Nocke um die Mittelachse der Nockenwelle gedreht und eine Position eines Brenners zum Abstrahlen der Energie hoher Dichte auf der Nockengleitfläche so gesteuert wird, daß an der Aufschmelzstelle unterhalb einer horizontalen Linie und in einer der Drehrichtung der Nockenwelle entgegengesetzten Richtung ein Winkel zwischen einer Tangentenlinie der Nockenoberfläche und der horizontalen Linie gebildet ist, der zwischen 30° und 0°, bevorzugterweise zwischen 20° und 0° liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionssteuerung des Brenners in mindestens zwei Bewegungsrichtungen der horizontalen Y-Achsen-Richtung, die senkrecht zu der Mittelachsenrichtung der Nockenwelle verläuft, und der vertikalen z-Achsen-Richtung, die senkrecht zu der Mittelachsenrichtung verläuft, ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionssteuerung des Brenners für jede Nocke wiederholt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner und die Nocke in Mittelachsenrichtung relativ zueinander oszillieren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocke oszilliert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Nockenwelle für einen kreisförmigen Basisabschnitt und einen Spitzenabschnitt der Nockenoberfläche ausgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie hoher Dichte von einem WIG-Lichtbogen, einem Laserstrahl, einem Plasmalichtbogen oder einer Elektronenstrahlung bewirkt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie hoher Dichte von einem WIG-Lichtbogen erzeugt wird und daß die Positionssteuerung des Brenners unter Beibehaltung eines konstanten kürzesten Abstandes zwischen dem Brenner und der Nockenoberfläche ausgeführt wird.