DE3702472A1 - Einrichtung zum zerstoerenden ueberpruefen des haertebildes an den lagerzapfen von kurbelwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum zerstörenden Überprüfen des Härtebildes an den Lagerzapfen von Kurbel­ wellen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Das Härten der Haupt- und Hublagerzapfen von Kurbelwellen in Kurbelwellenhärtemaschinen geschieht in der Weise, daß die drehend eingespannte Kurbelwelle langsam durchgedreht wird und dabei auf die Hauptlagerzapfen und die Hublagerzapfen Indukto­ ren oder Brennerköpfe aufgesetzt werden, die auf der Oberfläche der Lagerzapfen entlanggleiten und diese während der Drehung gleichmäßig erwärmen. Die auf die Hublagerzapfen aufgesetzten Induktoren bzw. Brennerköpfe machen die Hubbewegung dieser Hublagerzapfen mit. Nach Erreichen der Härtetemperatur der Lagerzapfen werden diese durch Brauseköpfe abgeschreckt, die häufig in den Induktoren oder Brennerköpfen integriert sind. Neuerdings werden u. a. auch Kurbelwellen mittels pendelndem Laserstrahl auf Härtetemperatur gebracht, wobei die Abschreckung der - relativ dünnen - Erwärmungszone durch raschen Wärmeabfluß in tieferliegende kalte Materialschichten aufgrund metallischer Wärmeleitung erfolgt - Selbstabschreckung. Auch Kombinationen der genannten Verfahren sind möglich. Wichtig für eine gute Kurbelwelle ist, daß der im Versuch optimierte Verlauf der Här­ tetiefe genau eingehalten und bei jedem Werkstück genau repro­ duziert wird. Hierbei ist häufig für die einzelnen Haupt- und Hublagerzapfen der Kurbelwelle jeweils ein individueller Ver­ lauf der Härtetiefe vorgegeben - sogenanntes Härtebild.

Das Härtebild eines jeden Haupt- bzw. Hublagerzapfens wird durch eine individuelle Gestaltung eines Forminduktors bei induktiver Erwärmung der Kurbelwelle bzw. eines individuell geformten Brennerkopfes bei Flammerwärmung erzeugt. Um ein bestimmtes Härtebild zu erzeugen, muß der Forminduktor bzw. der Brennerkopf sehr fein an den jeweiligen Anwendungsfall, d. h. an die Form und Lage des Haupt- bzw. Hublagerzapfens angepaßt sein. Erst durch mehrere Härteversuche mit anschließ­ endem Sichtbarmachen des Härtebildes und manueller Korrek­ tur der Form und Einbaulage des Induktors, Brennerkopfes oder Strahlkopfes bzw. der Maschineneinstellwerte kann fallweise das gewünschte Härtebild erreicht werden. Auch bei Erneuerung von defekt gewordenen Forminduktoren bzw. Brennerköpfen ist je­ weils wieder erneut wenigstens eine Probehärtung durchzuführen, bevor damit der Serienbetrieb aufgenommen wird. Gegebenen­ falls sind in der geschilderten Weise verschiedene Korrektu­ ren mit entsprechenden Probehärtungen durchzuführen.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß für jede Probehär­ tung ein teures Werkstück, nämlich eine bis zum Fertigungs­ schritt des Härtens vorfabrizierte Kurbelwelle zerstört wer­ den muß. Hierbei muß durch Zersägen der Kurbelwangen zu­ nächst der hinsichtlich seines Härtebildes zu überprüfende Lagerzapfen aus der Kurbelwelle herausgetrennt und dann die­ ser freigelegte Kurbelwellenzapfen im Naßschliffverfahren entlang der Lagerzapfenachse mittig zerteilt werden. Die Schnitt­ flächen einer Hälfte werden mit Salpetersäure angeätzt, wo­ durch das Härtebild sichtbar gemacht werden kann. Abgesehen von der Zerstörung teurer Werkstücke ist diese Vorgehens­ weise auch dadurch nachteilig, daß eine Anpassung bzw. Opti­ mierung der Induktoren bzw. Brennköpfe erst dann möglich ist, wenn bereits Kurbelwellen in dem erforderlichen Fertigungs­ zustand zur Verfügung stehen. Bei Einrichtung einer neuen Fertigungslinie muß also mit der Induktoranpassung bzw. Brenneranpassung gewartet werden, bis die Fertigungslinie bis zum Härteschritt betriebsbereit ist. Anschließend ent­ stehen neue Wartezeiten wegen der vorzunehmenden Induktor- bzw. Brenneranpassung. Häufig wird, ganz unabhängig von den durch die zerstörende Härtebildprüfung zerstörten Werten, der Ausfall von Werkstücken als besonders nachteilig empfunden, und zwar dann, wenn Lieferengpässe vorliegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, bei der eine Überprüfung des Härtebildes an den Lagerzapfen von Kurbelwellen möglich ist, ohne dabei Kurbelwellen zu zerstören.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach wird also die Probehärtung an einem Teststück vorgenommen, welches den Haupt- bzw. Hublagerzapfen der Kurbelwelle hinsichtlich sei­ ner für das Härten relevanten Abmessungen und Werkstoffeigen­ schaften nachgebildet ist, welches aber hinsichtlich seiner sonstigen Form als ein einfach, rasch und billig herzustellen­ des Drehteil gestaltet ist. Dank der Verwendung solcher ein­ fachen und billigen Teststücke für Probehärtungen kann eine Optimierung und Anpassung der Forminduktoren bzw. Brenner­ köpfe bereits dann vorgenommen werden, wenn entsprechend vor­ gefertigte Kurbelwellen noch gar nicht vorliegen. Auch ist der Material- und Kapitaleinsatz beim Durchführen von Pro­ behärtungen wesentlich geringer, als bei der früheren Vor­ gehensweise. Nachdem für das Probehärten auch keine einwand­ freien Werkstücke zersägt zu werden brauchen, ist die Aus­ bringung der Fertigung dadurch auch höher.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung an­ hand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbei­ spiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht auf bzw. durch ein erstes Aus­ führungsbeispiel eines Teststückes mit einem stabför­ migen Teststückhalter und im Vergleich dazu - strich­ punktiert angedeutet - eine entsprechende Kurbelwelle,

Fig. 2 ein hinsichtlich der Klemmung vereinfachtes Aus­ führungsbeispiel eines Teststückes, das durch zwei Stellringe auf dem Teststückhalter fixiert ist.

Die Fig. 1 zeigt eine mehrteilige Testwelle als Ersatz für eine Kurbelwelle, umfassend einen als Teststückhalter dienen­ den Stab 10 und ein der Form eines Hauptlagers der zugehöri­ gen Kurbelwelle 1 angepaßtes Teststück 11. Die strichpunk­ tiert und - bezüglich des Hauptlagerzapfens - lagegleich mit dem Teststück 11 angedeutete Kurbelwelle 1 weist Haupt- und Hublagerzapfen 2 bzw. 3 auf, die über Kurbelwangen 6 zu­ sammenhängen; an den Hauptlagerzapfen 2 sind - den Kurbel­ wangen 6 gegenüberliegend - noch Gegengewichte 7 ange­ bracht. Die Haupt- bzw. Hublagerzapfen gehen an beiden Sei­ ten mit einem sanften Übergangsradius 5 in jeweils einen Anlaufbund 4 über. Die Härtezone 8 soll bei dem in der Fi­ gur dargestellten Ausführungsbeispiel im zylindrischen Teil des Hauptlagerzapfens annähernd gleichmäßig tief mit einer Härtetiefe T verlaufen und sich mit abnehmender Härtetiefe auch radial in den Radiusbereich und dem Anlaufbund 4 hineinerstrecken - Radialmaß B der Härtezone im Übergangs­ bereich. An dieser Stelle sei der Vollständigkeit halber nur erwähnt, daß durch versuchsmäßige Erprobung für die Härtezone recht unterschiedliche Konturen infrage kommen können; so kann z. B. verlangt werden, daß die Härtezone im mittleren Bereich des zylindrischen Teiles eine wesentlich geringere Härtetiefe aufweist als an den axialen Enden.

Um die jeweils geforderten Härtebilder durch individuelle Anpassung der Forminduktoren bzw. Brennerköpfe vor Auf­ nahme der Serienfertigung mit einem bestimmten Forminduk­ tor bzw. Brennerkopf sicherstellen zu können, müssen mit dem jeweiligen Forminduktor bzw. Brennerkopf Probehärtungen durchgeführt und das erzeugte Härtebild in werkstückzer­ störender Weise sichtbar gemacht werden. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß das Teststück 11 vorgesehen, welches den jeweiligen Kurbelwellenzapfen - beim dargestellten Ausführungs­ beispiel den Hauptlagerzapfen 2 - nachbildet. Es handelt sich dabei um ein im wesentlichen spulenförmiges Gebilde, welches der Meridiankontur des Hauptlagerzapfens 2 einschließlich der angrenzenden Kurbelwangen 6 bzw. der Gegengewichte 7 so­ wie einschließlich der Anlaufbunde 4 und Übergangsradien 5 maßgenau angepaßt ist, wobei es jedoch als rotationssymme­ trisches Drehteil ausgebildet ist. Es wird aus einem Voll­ material aus dem gleichen Werkstoff wie die zu härtende Kur­ belwelle 1 gedreht und kann beispielsweise auf NC-Werkzeug­ maschinen rationell in unterschiedlichen Abmessungen kurz­ fristig hergestellt werden. Um das Teststück 11 lagedefiniert in eine Kurbelwellenhärtemaschine einbringen zu können, ist der bereits erwähnte als Teststückhalter dienende Stab 10 vorgesehen, der der Länge der tatsächlichen Kurbelwelle 1 etwa entspricht und der so wie diese Kurbelwelle in die Kurbelwellenhärtemaschine einspannbar ist. Der Stab 10 ist jedoch wesentlich dünner als die Lagerzapfen der Kurbel­ welle, und zwar ist er aus weiter unten noch zu erörtern­ den Gründen in seinem Durchmesser d höchstens etwa halb so dick wie der Durchmesser D des Hublagerzapfens 3 der Kur­ belwelle. Und zwar ist dieses geringe Maß mit Rücksicht darauf gewählt worden, daß auch bei den im Durchmesser kleineren Teststücken zwischen der zum Aufstecken der Test­ stücke auf den Stab 10 erforderlichen Bohrung und der den Kurbelwellenzapfen simulierenden zylindrischen Oberfläche Werkstoff in einer die Härtetiefe T um ein Mehrfaches über­ steigenden Wandstärke übrig bleibt, so daß hinsichtlich Wär­ meabfluß von der zu erwärmenden Oberfläche ins Innere des Werkstückes vergleichbare Bedingungen am Teststück und an der tatsächlichen Kurbelwelle vorliegen. Die Bohrung 16 ist genau bearbeitet und paßt spielarm mit dem ebenfalls genau bearbeiteten Stab 10 zusammen; dadurch kann das Teststück ohne nennenswerten Taumelschlag auf den Stab 10 aufgesteckt werden. Um das Teststück auf jeder beliebigen gewünschten Axialposition des Stabes 10 fixieren zu können, ist beim Teststück 11 nach Fig. 1 im zylindrischen Teil des spulenförmigen Teststückes eine Gewindebohrung mit einer Ansenkung 13 angebracht, in die eine mit einem Innensechskantkopf versehene Klemmschraube 12 hineingedreht wird. Die Klemmschraube 12 muß vollständig innerhalb der zylindrischen Fläche liegen, damit der Form­ induktor behinderungsfrei über sie hinweggleiten kann. Zwar stellt die Ansenkung eine gewisse Störung der Ober­ fläche dar, jedoch ist diese Störung, die sich auch im Här­ tebild bemerkbar machen wird, auf die unmittelbare Umge­ bung der Ansenkung 13 beschränkt. Beim Zerteilen des Test­ stückes zum Freilegen des Härtebildes 8 muß der Schnitt weit genug von der Ansenkung 13 entfernt gelegt werden.

Über eine im Vergleich zu der gewünschten Härtetiefe T aus­ reichende radiale Materialstärke Z wurde bereits weiter oben gesprochen. Um auch die Wärmeabflußbedingungen in axialer Hinsicht und in radialer Hinsicht nach außen praxisnah simulieren zu können, sind an dem Teststück Flansche 14 an­ gebracht, deren Flanschstärke S und deren Radialmaß F zwar kleiner sind als die vergleichbaren Abmessungen der Kurbel­ welle, die jedoch erheblich größer sind als die Einhärte­ tiefe in Axialrichtung bzw. die radiale Erstreckung B der Härtezohe im Übergangsbereich. An allen Stellen soll die Ma­ terialstärke Z bzw. F des Teststückes 11 etwa dem Zwei- bis Vierfachen der jeweiligen Einhärtetiefe T entsprechen. Um die radialen Wärmeabflußbedingungen der Kurbelwangen 6 bzw. der Ge­ gengewichte 7 durch die Flansche 14 praxisnah simulieren zu können, ragen die Flansche 14 von der Oberfläche des zylindrischen Teiles 15 des Teststückes radial etwa um das Dreifache der radialen Erstreckung B der Härtezone nach außen ab - Maß F.

Neben den bereits erwähnten ganz wesentlichen Vorteilen ei­ ner Einsparung von Kurbelwellen bei den Probehärtungen und einer Unabhängigkeit der Probehärtungen von der mechanischen Bearbeitung der Kurbelwellen bietet die Erfindung auch noch den Vorteil, daß die beim Zerteilen des Teststückes und Sichtbarmachen der Härtezone zu handhabenden Teststücke wesentlich leichter und kleiner sind als früher. Bei der bis­ herigen Vorgehensweise mußte an den strichpunktiert ange­ deuteten Schnittlinien 9 durch die Kurbelwangen 6 hindurch zunächst der zu überprüfende Kurbelwellenzapfen aus der Kur­ belwelle isoliert werden. Das dabei freigelegte Werkstück­ teil ist - wie der Größenvergleich in der Figur erkennen läßt - wesentlich größer und schwerer als das Teststück 11. Der Transport dieses Werkstückteiles in das Labor und seine Präparierung dort war also wesentlich umständlicher als die entsprechende Handhabung des wesentlich leichteren und klei­ neren Teststückes 11. Neben entscheidenden Kostenvortei­ len wird durch die Erfindung also auch noch eine Arbeits­ erleichterung erzielt.

Das Teststück 11′ nach Fig. 2 ist gegenüber dem nach Fig. 1 weitgehend gleich ausgebildet mit dem Unterschied, daß es selber keine Klemmschraube aufweist; es ist also als Wegwerf­ teil noch einfacher ausgebildet. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird die Fixierung des Teststückes 11′ auf dem Stab 11 durch ein Stellringpaar, nämlich durch einen ersten (17) und einen zweiten Stellring (18) bewirkt. Der erste Stell­ ring weist lediglich Radialklemmschrauben vorzugsweise in Doppel- oder Dreifachanordnung auf und ist axial auf der einen axialen Seite des Teststückes 11′ angeordnet. Der zweite Stellring 18 weist außer der - vorzugsweise einzigen - Radial­ klemmschraube 19 zum Fixieren des Stellringes 18 auf dem Stab 10 auch noch eine Axialklemmschraube 20 auf, mittels der das zwischen den beiden fixierten Stellringen 17 und 18 befindliche Teststücken 11′ axial festgeklemmt und somit so­ wohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung (gegen Verdrehen) auf den Stab festgesetzt werden kann. Neben dem Wegfall der Gewindebohrung und der Ansenkung also einer fertigungsmäßi­ gen Vereinfachung des Teststückes 11′ hat die Klemmung nach Fig. 2 gegenüber der nach Fig. 1 einen Gebrauchsvorteil: Bei wiederholten Testhärtungen mit dem gleichen Forminduk­ tor oder dergleichen kann der erste Stellring 17 nach der ersten Probehärtung auf dem Stab verbleiben; bei der zweiten Probehärtung ist durch den bereits positionierten Stellring 17 die Axialposition des Teststückes mechanisch vorgegeben, so daß das Teststück 11′ schneller positioniert werden kann. Eine ähnliche Positionierhilfe ist allerdings auch beim Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 1 möglich.

Claims (5)

1. Einrichtung zum zerstörenden Überprüfen des beim Härten in Kurbelwellenhärtemaschinen am Haupt- oder Hublagerzapfen der Kurbelwelle erzeugten Härtebildes, wobei das gehärtete Werkstück an der zu überprüfenden Stelle zerteilt und an der Schnittstelle das Härtebild sichtbar gemacht wird, gekennzeichnet durch eine mehrteilige Test­ welle, umfassend einen der Länge der tatsächlichen Kurbel­ welle (1) etwa entsprechenden, in die Kurbelwellenhärtema­ schine einspannbaren, im Durchmesser (d) höchstens etwa der Hälfte des Hublagerzapfendurchmessers (D) entsprechenden prismatischen oder zylindrischen, als Teststückhalter dienenden Stab (10) und ferner umfassend wenigstens ein spielarm auf den Stab (10) aufsteckbares und fixierbares (Klemmschraube 12), spulenförmiges, der Meridiankontur eines Haupt- oder Hublagerzapfens (2, 3) einschließlich der an­ grenzenden Kurbelwangen (6) bzw. Gegengewichte (7) maßge­ nau entsprechendes, jedoch rotationssymmetrisches Teststück (11) aus dem gleichen Werkstoff, wie die zu härtende Kur­ belwelle (1).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Teststücke (11) durch eine versenkt ange­ ordnete, radial stehende Schraube (12) auf dem Stab (10) festklemmbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstärke (Z, S) des Teststückes (11) an allen Stellen etwa dem Zwei- bis Vierfachen der jeweiligen Einhärte­ tiefe (T) entspricht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Simulierung der Kurbelwangen (6) bzw. Gegenge­ wichte (7) dienenden Flansche (14) des spulenförmigen Test­ stückes (11) von der Oberfläche des zylindrischen Teiles (15) des Teststückes (11) radial etwa um das Dreifache der radia­ len Erstreckung der Härtezone (8, Maß B) abragen (Maß F).

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Teststück axial zwischen zwei dies- und jenseits des Teststückes auf dem Stab festgesetzten Stellringen ein­ gespannt ist.