DE3626808C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zur Herstellung einer
Nockenwelle mit einer aufgeschmolzenen und abgekühlten
Oberflächenschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 (Wolfram-Inert-Gas-Lichtbogen), 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
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 in einer Richtung 8 hin- und herbewegt. Der Brenner 3 wird in
einer vertikalen 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 α
variiert in Abhängigkeit von der aktuell aufzuschmelzenden Stelle
der Oberfläche der Nocke 2.
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 α weist einen maximalen
Wert auf, wenn ein Winkel zwischen der Z-Achse 11 des
Brenners 3 und einer Linie, die den Spitzenpunkt 14 der
Nocke 2 mit der Mittelachse 6 der Nockenwelle verbindet,
im Bereich zwischen 15° und 30° (DEG) liegt.
Dieser maximale Winkel ist zu beiden Seiten des Spitzenpunktes
14 der Nocke vorhanden. Während des Aufschmelzens
eines Nockenoberflächenabschnittes
zwischen einem kreisförmigen Basisabschnitt 15 der
Nocke 2 und dem Spitzenpunkt 14 der Nocke 2 mittels eines WIG-Lichtbogens weist eine dieser
beiden Stellen den maximalen Senkungswinkel α 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
6 der Nockenwelle 1 verbindet, sich zu der vorher
ausgebildeten Härteschicht verschiebt. Je schneller die
Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle 1 ist, desto größer ist
die Verschiebung der Lichtbogensäule. Des weiteren strömt
ein Teil eines Argongasstromes, der die von der Linie
verschobene Lichtbogensäule umgibt, entlang der Nockenoberfläche
nach unten. Des weiteren neigt ein Mittelabschnitt
des Metallschmelzenbades bei Drehung der Nockenwelle
1 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 2 zu dem kreisförmigen Basisabschnitt 15 den maximalen
Senkungswinkel α 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 2 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 2 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 Stelle der Nockenoberfläche, d. h. einer Oberfläche einer gehärteten
Schicht 21 tritt eine Unregelmäßigkeit auf, an der
eine 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 Martensitschicht 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 t gemäß der Leistungsfähigkeit der
Werkzeugmaschine. 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 Haltbarkeitstests
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.
In der DE-AS 27 03 469 und der EP-00 09 563-A1 ist ein weiterer Vorschlag zur Verminderung der
Senkung des Metallschmelzenbades infolge der Gravitationskraft
beschrieben, wobei der Brenner
unter einem Winkel von 30° zu der
vertikalen Z-Achse, die die Mittelachse der Nockenwelle
durchläuft, in Richtung der der Drehrichtung abgewandten Seite
geneigt ist.
Der Brenner
ist dabei so angeordnet,
daß seine Achse entweder die Mittelachse der Nockenwelle
durchläuft
oder die vertikale Z-Achse
oberhalb des Mittelpunktes der Nockenwelle schneidet.
Da die Schwankung des Senkungswinkels dabei aber 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 an bestimmten Positionen eine Unterbrechung der Lichtbogenerzeugung
erfolgt.
Als Folge davon können die Defekte des Durchbrennens der
Endbereiche oder des Verbleibens eines Hautabschnittes
während der Bearbeitung 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 eine Verminderung des Senkungswinkels sowie dessen Schwankungsbereich
bei der Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-
Bearbeitung unter Verwendung von Strahlungsenergie hoher
Dichte erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren
gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Darüber hinaus ist damit erreicht, daß das Maß
einer Vertiefung, die infolge der
Senkung des Metallschmelzenbades auftritt, 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 vorliegt.
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.
Die Nocke wird um die Mittelachse
der Nockenwelle gedreht und eine Position eines
Brenners zur Abstrahlung der Energie hoher Dichte auf der
Nockengleitfläche wird so eingestellt, daß an der Aufschmelzstelle
unterhalb einer horizontalen Linie und in einer der
Drehrichtung der Nockenwelle entgegengesetzter 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 durchgeführt,
indem der Brenner in
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, bewegt 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;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems für eine
Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung;
Fig. 5 zeigt einen mechanischen Teil der Vorrichtung zur
Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung in Schnittdarstellung
entlang der Linie VII-VII in Fig. 6;
Fig. 6 zeigt eine Vorderansicht des mechanischen Teils der
Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung;
Fig. 7a bis 7e sind schematische Darstellungen einer
Nocke und eines WIG-Lichtbogen-Brenners in verschiedenen
Stellungen während der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung gemäß
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 8a und 8b 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. 4, 5 und 6 wird im folgenden
eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung einer Nockenwelle mit einer
aufgeschmolzenen und abgekühlten Oberfläche erläutert. In
Fig. 4 ist ein Steuersystem der Vorrichtung dargestellt.
In den Fig. 5 und 6 ist ein mechanischer Teil der Vorrichtung
dargestellt.
Die Vorrichtung zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-
Bearbeitung weist eine Steuereinheit und einen mechanischen
Teil 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 1 auf. In diesem Ausführungsbeispiel
oszilliert die Nockenwelle 1, aber anstelle der Nockenwelle
1 kann auch der Brenner 38 oszillieren.
Die Energiequelle 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 Bewegungsmöglichkeiten
entlang der X-, Y- und Z-Achse besitzt, die sich im rechten
Winkel einander schneiden, weist eine Gleitbahn 51,
ein gleitendes Teil 52 und einen Antrieb 53 für das gleitende
Teil 52 auf, der den Brenner 38 in X-Richtung
parallel zur Mittelachse 6 der Nockenwelle 1 verschiebt.
Zur Verschiebung des Brenners 38 in horizontaler Y-Achsen-
Richtung, die senkrecht bzw. im rechten Winkel zu der
Mittelachsenrichtung der Nockenwelle 1 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
Mttelachsenrichtung 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 58 für
die bewegbare Platte 57 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
1 auf. Der oszillierende Antrieb 66 bewegt den rotierenden
Abschnitt 64 auf der Gleitbahn 65 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 Energiequelle 33 übertragen. Um das
Verfahren zur Durchführung der Aufschmelz-Abkühl-Bearbeitung
der Nockenwelle 1 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 automatisch betrieben.
Bei der Verwendung der obengenannten 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. 7a bis 7e 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 rotierenden Abschnittes 64 eingesetzt,
wie es in Fig. 6 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. folgende Abmessungen besitzt:
gesamte Nockenwellenlänge:400 mm
Nockenbreite:14,4 mm
Durchmesser des kreisförmigen
Basisabschnittes:31 mm Hebehöhe:8 mm
Basisabschnittes:31 mm Hebehöhe:8 mm
Ein Profil der Nocke 2, wie es in den Fig. 7a bis 7e
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 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 36 in Verbindung mit der Drehung der Nockenwelle
1 geeignet festgesetzt ist. Das Nockenprofil und die
Lageveränderung werden in dem Speicher der Programmiereinheit
35 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. 7a 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 man eine geringe Aufschmelztiefe und eine
dünne Härteschicht erhielte, wenn die kalte Nockenwelle
nicht vorgeheizt wäre, und es würden thermische
Spannungen auftreten, die zu einem Bruch führen könnten.
Wenn die Nockenwelle mittels des Hindurchleitens eines
elektrischen Stromes oder mittels eines ähnlichen Verfahrens
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 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. 7b
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 rechten Seite unterhalb
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. 7b dargestellt ist. Es
ist 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. 5) mit
Hilfe des Antriebs 56 und mittels einer Bewegung der
bewegbaren Platte 57 und des Brenners 38 in die vertikale, d. h. Z-
Achsen-Richtung mit Hilfe des Antriebs 58
ausgeführt.
In diesem Abschnitt wird der Brenner 38 mit einer Geschwindigkeit
von 100 mm/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 Aushärttiefe bzw. der
Härteschichtdicke sicherzustellen, obwohl in dem vorhergehenen
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 rechten Seite unterhalb 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. 7d angeordnet. Wenn die Situation
gemäß der Fig. 7d 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. 7b 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. 7e 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 obenerwähnte 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. 7c zu
der Position auf der linken Seite gemäß Fig. 7d 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. 7c und der Bedingung
gemäß der Fig. 7e anstelle der Bedingung der Fig. 7d durch
die Bedingungen gemäß der Fig. 8a und 8b durchzuführen.
In Fig. 8b 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 brächte. 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.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, das
die Schritte des Aufschmelzens einer Nockengleitfläche
jeder Nocke infolge einer Aufbringung von Energie hoher
Dichte mittels eines Brenners und des Ausbildens einer
kontinuierlichen Härteschicht infolge einer Selbstkühlung
umfaßt, wobei die Nocke um eine in Längsrichtung der
Nockenwelle verlaufende X-Achse gedreht und der Brenner in
Richtung seiner Längsachse, die in Richtung der vertikalen,
senkrecht zur X-Achse verlaufenden Z-Achse verläuft,
bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (38)
zusätzlich in Richtung einer horizontalen, senkrecht zur
X-Achse verlaufenden Y-Achse bewegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bewegung des Brenners für jede Nocke wiederholt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brenner und die Nocke in Richtung der X-
Achse relativ zueinander oszillieren.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nocke oszilliert.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Nockenwelle
für einen kreisförmigen Basisabschnitt und einen Spitzenabschnitt
der Nockengleitfläche ausgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Energie hoher Dichte von
einem Wolfram-Inert-Gas-Lichtbogen, einem Laserstrahl,
einem Plasmalichtbogen oder einer Elektronenstrahlung
bewirkt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Brenners
unter Beibehaltung eines konstanten kürzesten Abstandes
zwischen dem Brenner und der Nockengleitfläche ausgeführt
wird.
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