DE3711451C2

DE3711451C2 - Partiell oberflächengehärtete Riffelwalze

Info

Publication number: DE3711451C2
Application number: DE19873711451
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Paul; Ralf Dr Krumphold; Dieter Dr Pollack; Peter Dr Burck; Lothar Kraegelin; Peter Neubert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1986-05-20
Filing date: 1987-04-04
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2007-04-05
Also published as: DD259756A3; DE3711451A1

Description

Die Erfindung gehört in das Gebiet der metallverarbeitenden Industrie und dient der Herstellung von Riffelwalzen, wie sie zur Produktion von Wellpappen eingesetzt werden, oder dergleichen

Bekannt sind partiell oberflächengehärtete Riffelwalzen, deren Riffelquerschnitte im Kammbereich kreissegmentförmig Härtezonen aufweisen. Zur Herstellung dieser Härtezonen werden die Kammbereiche der Riffel in Richtung ihrer Längsachse mit einem kontinuierlich strahlenden CO₂-cw-Laser einer Ausgangsleistung < 1 kW bestrahlt. Die Strahlungsparameter und die Relativgeschwindigkeit zwischen Riffelwalze und Laserstrahl werden so gewählt, daß die Härtetiefe, die der Höhe des Kreissegments entspricht, 0,7 mm beträgt [Creal, R.: heat treating 12/80, S. 24-27].

Nicht bekannt und technisch nicht gelöst ist die kreissegmentförmige Kammhärtung von Riffelwalzen mit CO₂-cw-Lasern mit Ausgangsleistungen <500 Watt.

Der Einsatz dieser Laser ist nur dann möglich, wenn extrem kleine Spotdurchmesser erzielt werden, um die zum Härten notwendige Bestrahlungsdichte zu erreichen. Die geringe Strahlapertur und der kleine Spotdurchmesser führen prinzipiell zur Erzeugung linsenförmiger Härtezonen mit parabolischer Begrenzungsfläche zum nichtgehärteten Material des Riffels [H. Mehlhorn, H. Herzer: Feingerätetechnik 32 (1983) H. 6, S. 272-276].

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Riffelwalze zu schaffen, die auch an den Flanken der Riffel eine ausreichende Härtetiefe und beim Erreichen des Grenzverschleißes keine wesentlichen Härtezonen an den Riffeln mehr aufweist, und ein Verfahren zum Oberflächenhärten der Riffel mit Lasern < 500 Watt Ausgangsleistung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine kreissegmentförmig ausgebildete, am Scheitel des Riffelkammes maximal 0,35 mm dicke Härtezone angeordnet ist. Die Breite dieser Härtezone ist durch beiderseits der Riffelflanken unter einem Winkel von 45° zur Scheitelebene des Riffelkammes angelegte Tangenten begrenzt. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Riffelwalzen werden Verfahren zum Oberflächenhärten mittels energiereicher Strahlen, insbesondere CO₂-cw-Laserstrahlen, eingesetzt. Dabei wird erfindungsgemäß der Kammbereich der Riffel mit dem Laserstrahl einer Leistung 500 Watt bestrahlt. Diese Bestrahlung kann axial erfolgen. Die Scheitelebene des Riffelkammes befindet sich während der Bestrahlung zwischen Fokussierungslinse und Laserfokus. Der Öffnungswinkel des Bestrahlungskegels wird auf 9° und der Spotdurchmesser in der Scheitelebene des Riffelkammes so eingestellt, daß die Bestrahlungsdichte 50 W/mm² beträgt.

Durch die relativ hohen Umfangsgeschwindigkeiten der Riffelwalzen, und den direkten Kontakt mit Stoffen, die die Abrasion fördern, unterliegen die Riffelkämme starkem Verschleiß. Der Grenzverschleiß ist dann erreicht, wenn der Höhenabtrag der Riffel den maximal zulässigen Wert erreicht hat, die Riffelwalze ausgewechselt und regeneriert werden muß.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, daß die Dicke der Härtezone so gewählt werden kann, daß sie beim Erreichen des Grenzverschleißes bereits abgetragen ist. Daher kann beim Regenerieren der Riffelwalzen das Weichglühen vor dem Nachfräsen entfallen und zum Nacharbeiten der Riffelkämme ist in radialer Richtung nur ein minimaler Materialabtrag erforderlich. Andererseits können zur Herstellung der Riffelwalzen Laser mit Ausgangsleistungen unter 0,5 kW eingesetzt werden. Die für die Bestrahlung notwendige Relativgeschwindigkeit zwischen Riffelwalze und Laserstrahl kann aus weniger einfachen Versuchen ermittelt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch einen Riffel einer Riffelwalze.

Eine Riffelwalze von 280 mm Durchmesser weist am Umfang 145 Riffel auf. Im Kammbereich besitzen die Riffel (1) eine kreissegmentförmig ausgebildete Härtezone (2), die am Scheitel 0,35 mm dick ist und eine Rockwellhärte von 62 HRC aufweist. Die Breite der Härtezone (3) ist durch beiderseits der Riffelflanken (4) angelegte Tangenten (5) begrenzt, die mit der Scheitelebene des Riffelkammes (6) einen Winkel von 45° bilden. Zum Oberflächenhärten der Riffelwalze wird sie entfettet, die Riffel (1) werden mit schwarzer Farbe als Absorptionsschicht versehen und anschließend wird der Kammbereich mit einem 200 Watt CO₂-cw-Laser mit Gaußintensitätsverteilung bestrahlt. Dabei wird die Riffelwalze mit einem Vorschub von 300 mm min^-1 axial unter dem feststehenden Laserstrahl bewegt. Die Fokussierung des Laserstrahles ist von der Riffelgeometrie abhängig, die sich mit der Funktion

y = A · cos Bx

beschreiben läßt, wobei A die halbe Riffelhöhe,

und x die Ortskoordinate bedeuten. Für eine Riffelhöhe von 3 mm und eine Riffelteilung λ von 6,1 mm erfolgt die Fokussierung des Primärstrahles von 8 mm Durchmesser mit einer Optik von 50 mm Brennweite, so daß sich ein Öffnungswinkel für den Bestrahlungskegel (7) von 9° ergibt. Während der Bestrahlung befindet sich die Scheitelebene des Riffelkammes (6) zwischen der Fokussierungslinse und dem Laserfokus. Aus der geforderten Breite der Härtezone (3) von 1,35 mm ergibt sich in der Scheitelebene des Riffelkammes (6) ein defokussierter Spotdurchmesser (8) von 1,95 mm. Unter diesen Bedingungen wird eine kreissegmentförmige Härtezone (2) mit der gewünschten Härtetiefe von 0,35 mm am Riffelscheitel erreicht. Bei den konventionellen Fokussierungsbedingungen, bei denen sich die Scheitelebene des Riffelkammes (6) unterhalb des Laserfokus befindet, wird mit einem 200 Watt-Laser eine linsenförmige Härtezone (2) ausgebildet, da die Flächenbestrahlungsleistung nur ein Drittel des Wertes des hier möglichen Verfahrens erreicht.

Bezugszeichenliste

1 Riffel
2 Härtezone
3 Breite der Härtezone
4 Riffelflanken
5 Tangenten
6 Scheitelebene des Riffelkammes
7 Öffnungswinkel des Bestrahlungskegels
8 Spotdurchmesser

Claims

Partiell oberflächengehärtete Riffelwalze, deren Riffelquerschnitt im Kammbereich eine kreissegmentförmige Härtezone aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß die Härtezone (2) am Scheitel des Riffelkammes maximal 0,35 mm dick ist und deren Breite (3) durch beiderseits der Riffelflanken (4) unter einem Winkel von 45° zur Scheitelebene des Riffelkammes (6) angelegte Tangenten (5) begrenzt ist, wobei der Kammbereich der Riffel (1) axial mit dem Laserstrahl einer Leistung 500 Watt bestrahlt wird und der Öffnungswinkel des Bestrahlungskegels (7) 9° und der Spotdurchmesser (8) in der Scheitelebene des Riffelkammes (6) so eingestellt wird, daß die Bestrahlungsdichte 50 W/mm² beträgt.