DE3903616C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum thermi­ schen Oberflächenhärten von metallenen Werkstücken, insbesondere von Wellenenden, mit einer Laserquelle zur Abgabe von Laserstrahlung und mit Spiegelein­ richtungen zur Umlenkung der Laserstrahlung auf eine zu härtende Werkstückoberfläche und ggf. mit Einrichtungen zur Relativbewegung von Laserquelle und Werkstück.

Das thermische Oberflächenhärten von metallenen Werkstücken, insbesondere Wellenenden wird meist dann eingesetzt, wenn die Werkstücke für eine wirt­ schaftliche Härtung im Ofen zu groß sind oder ein Durchhärten zu lange dauert. Insbesondere für die Härtung von Wellenenden sind daher Anlagen ent­ wickelt worden, mittels deren die Oberfläche durch einen fokussierten Laserstrahl erhitzt und gehärtet wird.

Eine derartige Anlage ist beispielsweise in der Technischen Rundschau 37/88, Seiten 44 bis 49, beschrieben worden. Bei dieser bekannten Anlage wird der Laserstrahl für das Oberflächenhärten kontrolliert aufgeweitet, damit ein Brennfleck mit einer möglichst gleichmäßigen Intensitätsverteilung entsteht, um möglichst breite Spuren gleichmäßiger Härtetiefe zu erzielen. Der so geformte Laserstrahl wird dann in Bahnen über das Werkstück geführt und erzeugt somit eine entsprechende Aufhärtungszone.

Falls sich jedoch dabei zwei nebeneinanderliegende Bahnen überlappen, kommt es in den Überlappungsbe­ reichen zu einer weiteren Aufhärtung.

Andererseits kann zwischen den einzelnen Bahnen die Erwärmung unzureichend sein, sofern die Bahnen nicht dicht genug nebeneinanderliegen. Unter diesen Umständen erhält man ein oberflächig gehärtetes Werkstück, das Inhomogenitäten in der Oberflächen­ härte aufweist. Diese Unregelmäßigkeiten treten ins­ besondere beim Oberflächenhärten von Wellenenden auf, die während des Oberflächenhärtens gedreht und gleichzeitig senkrecht zur Drehrichtung verschoben werden, wobei der Brennfleck des Laserstrahls auf dem Umfang des Wellenendes eine spiralige oder streifenförmige Bahn beschreibt. Zur Vermeidung der bei einer solchen Anlage auftretenden Unregelmäßig­ keiten in der Oberflächenhärte müssen der Laser und/oder das Werkstück in ihrer Bewegung äußerst präzise geführt werden, was jedoch einen großen Aufwand erfordert und praktisch nur mit Hilfe von automatischen Steuerungen erreichbar ist. Derartige Steuerungen, die so präzise arbeiten, daß sie die­ sen Anforderungen genügen, sind jedoch sehr kompli­ ziert und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Ein­ richtung der eingangs genannten Art derart weiter­ zubilden, daß eine homogenere Oberflächenhärtung ohne großen Aufwand möglich wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Spiegel­ einrichtungen einen Kegelspiegel mit der Laserquel­ le zugewandter Kegelspitze, der die Laserstrahlung auswärts in einem flächigen Strahl um die Achse des Kegelspiegels ausbreitet, und mindestens einen im flächigen Strahl angeordneten, zu diesem geneigten, ringförmigen Umlenkspiegel umfassen, der den flächigen Strahl fokussierend einwärts auf die Härtezone des Werkstückes reflektiert.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß statt einer punktförmigen Erwärmung der Ober­ fläche mit Hilfe eines Brennfleckes nunmehr eine gleichmäßige Erwärmung in einer Härtezone erreicht wird, welche sich über den gesamten Umfang der zu härtenden Werkstückoberfläche erstreckt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß aufgrund der besonderen Anordnung der Spiegeleinrichtungen die Laserstrahlung zu einem flächigen Strahl aufgeweitet und anschließend fokussierend einwärts auf die Härtezo­ ne des Werkstückes reflektiert wird. Da auf diese Weise der Laserstrahl auf das Werkstück entlang seines ge­ samten Umfanges in gleichmäßiger und ringförmig ge­ schlossener Form auftrifft, wird eine in Umfangsrich­ tung über den gesamten Umfang verlaufende Härtezone gebildet. Wenn diese Härtezone nicht schon den gesamten zu härtenden Bereich abdecken kann, kann durch eine Relativbewegung von Werkstück und Laserquelle erreicht werden, daß die Härtezone ohne irgendwelche ungleichmäßigen Erwärmungen über die gesamte zu härtende Werkstückoberfläche wan­ dert, bis die gesamte Oberfläche gleichmäßig gehär­ tet ist. Übermäßige Aufhärtungen werden genauso vermieden wie zu geringe Aufhärtungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den Unteransprüchen definiert.

Dabei kann vorteilhaft vorgesehen werden, die zur Einstrahlung der Laserstrahlung in die Härtezone dienenden Spiegeleinrichtungen dauernd unter Schutz­ gas zu halten, was Verschmutzungen verhindert.

Für viele Härtereianwendungen muß der Laserstrahl nicht unbedingt fokussiert sein; die erfindungsgemä­ ßen Maßnahme lassen sich so ohne weiteres für einen großen Bereich von Werkstückdurchmessern einsetzen. Die gewünschte Härte kann dadurch eingestellt wer­ den, daß Werkstückdimensionen, Rotation und Transla­ tion des Werkstücks und Leistung des Lasers, übli­ cherweise eines CO₂-Lasers, aufeinander abgestimmt werden. Da sich bei der erfindungsgemäßen Einrich­ tung der Ringspiegel, der die Laserstrahlung auf die Härtezone reflektiert, leicht auswechseln läßt, lassen sich zusätzliche Durchmesserbereiche ab­ decken.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung nä­ her erläutert. Diese zeigt eine schematische Schnitt­ ansicht eines Härtekopfs beim Härten eines Wellen­ endes.

Der Härtekopf 1 hat ein, beispielsweise im wesentli­ chen zylindrisches, Außengehäuse 7, in dem Spiegel­ einrichtungen 2, 3, 5 angeordnet sind.

Das Außengehäuse 7 hat eine Öffnung, durch die ein oberflächig zu härtendes Wellenende 11 in das Inne­ re des Härtekopfes 1 eingeführt werden kann.

Dieser Öffnung gegenüberliegend hat das Außengehäu­ se 7 eine weitere Öffnung 7′, durch die ein Laser­ strahl 6 von einer nicht gezeigten Laserquelle au­ ßerhalb des Härtekopfes 1 in Pfeilrichtung ein­ tritt. Wie die Zeichnung veranschaulicht, fällt der Laserstrahl 6 entlang der Hauptachse des Wellenen­ des 11 ein.

Innerhalb des Außengehäuses 7 befindet sich ein In­ nengehäuse 8, das mittels Haltestangen 9 am Außenge­ häuse 7 befestigt ist.

Zwischen dem Innengehäuse 8 und dem Außengehäuse 7 verbleibt ein Raum, in dem die noch näher zu be­ schreibenden Spiegeleinrichtungen 2, 3, 5 angeord­ net sind. In diesen Zwischenraum kann ein Schutzgas eingeführt werden, das Verschmutzungen der Spiege­ leinrichtungen verhindert.

Die Spiegeleinrichtungen umfassen zunächst einen Ke­ gelspiegel 5, der so am Innengehäuse 8 befestigt ist, daß er mit seiner Kegelspitze auf der Hauptach­ se des Wellenendes 11 und damit auch des Laser­ strahls 6 liegt. Der Kegelspiegel 5 wendet seine Ke­ gelspitze der (nicht gezeigten) Laserquelle zu, die als handelsübliche CO₂-Laserquelle ausgebildet ist und an der Öffnung 7′ des Außengehäuses ange­ flanscht werden kann.

Der Laserstrahl 6 trifft auf den Kegelspiegel 5 und wird auf dessen kegeligem Umfang auswärts abge­ lenkt. Im Ausführungsbeispiel ist der Kegelwinkel des Kegelspiegels 5 so gewählt, daß diese Ablenkung unter einem rechten Winkel erfolgt. Der Laserstrahl bildet nach der Ablenkung durch den Kegelspiegel 5 eine ebene scheibenförmige Fläche senkrecht zur ge­ nannten Hauptachse.

Radial weiter auswärts von der Hauptachse befindet sich im Außengehäuse 7 ein ringförmiger Umlenkspie­ gel 3 mit einer ebenen Spiegelfläche, die zur Haupt­ achse unter einem 45°-Winkel geneigt ist. Der vom Kegelspiegel 5 kommende Strahl wird durch den ring­ förmigen Umlenkspiegel 3 umgelenkt, so daß ein zy­ linderförmiger Hohlstrahl entsteht. Dieser läuft durch den Zwischenraum zwischen Außengehäuse 7 und Innengehäuse 8 in Richtung auf das Wellenende 11 zu. Der Hohlstrahl trifft auf einen asphärischen Ringspiegel 2, der ebenfalls im Außengehäuse 7 an­ geordnet ist und den Strahl einwärts auf das Welle­ nende 11 umlenkt. Dabei konvergiert der Strahl, so daß er den ringförmigen Umfangsbereich des Wellenen­ des 11, in den er fällt, stark erwärmen kann. Da­ durch wird auf diesem Umfangsbereich eine Härtezone 10 gebildet, die sich ringartig geschlossen über den gesamten Umfang des Wellenendes erstreckt. An jedem Ort der Härtezone ist die einfallende Strah­ lungsintensität und damit die Erwärmung gleich, da die Spiegeleinrichtungen 2, 3, 5 den einfallenden Laserstrahl 6 völlig gleichmäßig aufteilen und um­ lenken.

Nahe der den Eintritt des Wellenendes 11 in den Här­ tekopf 1 gestattenden Öffnung treten Außengehäuse 7 und Innengehäuse 8 nahe zusammen, so daß ein Ring­ spalt 4 gebildet wird. Durch diesen Ringspalt 4 fällt der konvergierende Strahl vom asphärischen Ringspiegel 2 auf die Härtezone. Die Ausbildung dieses relativ engen Ringspaltes 4 hat den Effekt, ein Durchströmen des Zwischenraumes zwischen Außen­ gehäuse 7 und Innengehäuse 8 mit einem Schutzgas zu ermöglichen, um die Spiegeleinrichtungen 2, 3, 5 vor Verschmutzungen zu schützen, ohne andererseits allzu viel Schutzgas zu verbrauchen. Gasverluste können weiter eingeschränkt werden, indem der Ring­ spalt 4 in nicht gezeigter Weise mit einem Ver­ schluß, beispielsweise einem Lamellenverschluß ver­ sehen wird, der sich bei Einschalten der Einrich­ tung und damit Durchströmung mit Schutzgas öffnet und ansonsten geschlossen bleibt.

Im Betrieb wird das Wellenende 11 in Richtung sei­ ner Hauptachse gleichmäßig in den Härtekopf 1 hin­ eingeschoben, so daß die Härtezone 10 ausgehend vom freien Ende der Welle über den gesamten zu härten­ den Oberflächenbereich des Wellenendes 11 wandert. Die Vorschubgeschwindigkeit des Wellenendes 11 wird man so wählen, daß unter Berücksichtigung der Lei­ stung der Laserquelle die gewünschte Aufhärtung er­ zielt wird.

Die Haltestangen 9, die Innengehäuse 8 und Außenge­ häuse 7 verbinden, können aus Material bestehen, das für die Infrarotstrahlung des CO₂-Lasers nicht durchlässig ist. Das könnte zu Inhomogenitäten füh­ ren, indem ein Teil des Strahlengangs abgeschattet wird. Dies läßt sich jedoch leicht dadurch ausglei­ chen, daß das Wellenende 11 zusätzlich zu seiner Vorschubbewegung langsam gedreht wird.

Alternativ dazu läßt sich eine schattenfreie Härte­ zone dadurch erhalten, daß der ringförmige Umlenk­ spiegel 3 und asphärische Ringspiegel 2 mit periodi­ schen Verzerrungen bzw. Formabweichungen ausgebil­ det werden, die in Zahl, Position und Form auf die Haltestangen 9 abgestimmt sind und die Schattenbil­ dung vermeiden. In diesem Fall müßte das Wellenende 11 nicht gedreht werden.

Eine weitere Alternative zur Vermeidung von Inhomo­ genitäten in der Härtezone besteht darin, die Ver­ bindungselemente zwischen Außengehäuse 7 und Innen­ gehäuse 8 aus infrarotdurchlässigem Material auszu­ bilden; beispielsweise läßt sich ein zylindrischer Abstands- und Haltering aus IR-durchlässigem Materi­ al (beispielsweise Silizium) statt der Haltestangen 9 einsetzen.

Es versteht sich, daß sich die erfindungsgemäße Ein­ richtung in vielen Punkten ohne weiteres abwandeln läßt. Die Ringspiegel lassen sich auswechselbar aus­ bilden; insbesondere durch Auswechslung des asphäri­ schen Ringspiegels gegen einen anderen mit anderer Spiegelflächenkrümmung läßt sich so leicht der Kon­ vergenzgrad des Laserstrahls für andere Werkstück­ durchmesser einrichten. Außerdem muß der Strahlen­ gang nicht notwendigerweise an Kegelspiegel 5 und Umlenkspiegel 3 rechtwinklige Richtungsänderungen aufweisen.

Claims (15)

1. Einrichtung zum thermischen Oberflächenhärten von metallenen Werkstücken (11), insbesondere von Wellenenden, mit einer Laserquelle zur Abgabe von Laserstrahlung (6) und mit Spiegeleinrichtungen zur Umlenkung der Laserstrahlung (6) auf eine zu härten­ de Werkstückoberfläche (10) und ggf. mit Einrichtun­ gen zur Relativbewegung von Laserquelle und Werk­ stück (11), dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeleinrichtun­ gen einen Kegelspiegel (5) mit der Laserquelle zuge­ wandter Kegelspitze, der die Laserstrahlung (6) aus­ wärts in einem flächigen Strahl um die Achse des Ke­ gelspiegels (5) ausbreitet, und mindestens einen im flächigen Strahl angeordneten, zu diesem geneigten, ringförmigen Umlenkspiegel (3, 2) umfassen, der den flächigen Strahl fokussierend einwärts auf die Härtezone (10) des Werkstückes (11) reflektiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten im flächigen Strahl angeordneten, zu diesem geneigten, ringför­ migen Umlenkspiegel (3), der den flächigen Strahl zu einem Hohlstrahl umformt, und durch einen zwei­ ten ringförmigen Spiegel (2), der den Hohlstrahl fokussierend einwärts auf die Härtezone (10) des Werkstückes (11) reflektiert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle bezüg­ lich des Werkstückes (11) so angeordnet ist, daß sie ihre Laserstrahlung (6) entlang einer gedachten Werkstückachse abstrahlt, und daß der Kegelspiegel (5) in dieser Werkstückachse angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel des Kegelspiegels (5) so gewählt ist, daß die Laser­ strahlung (6) nach Ablenkung durch den Kegelspiegel (5) eine Scheibenfläche um die Werkstückachse bil­ det, und daß der erste ringförmige, in der Scheiben­ flächenebene angeordnete und zu dieser geneigte Um­ lenkspiegel eben und der zweite ringförmige Spiegel (2) asphärisch ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Relativbewe­ gung von Werkstück (11) und Spiegeleinrichtungen (2, 3, 5) entlang der gedachten Werkstückachse so­ wie ggf. Einrichtungen zur Relativverdrehung von Werkstück (11) und Spiegeleinrichtungen (2, 3, 5) um diese Werkstückachse.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeleinrichtun­ gen (2, 3, 5) in einem Außengehäuse (7) angeordnet sind, das eine Öffnung zum wenigstens teilweisen Eintritt des Werkstücks (11) aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (7) au­ ßerdem eine Öffnung (7′) zum Eintritt der Laser­ strahlung von der außerhalb des Außengehäuses (7) angeordneten Laserquelle aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung ei­ nes Schutzgases in das Außengehäuse (7).

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch ein im Außengehäuse (7) ein­ wärts vom Strahlengang vorgesehenes Innengehäuse (8), das mit dem Außengehäuse (7) nahe der Härtezo­ ne (10) einen Ringspalt (4) bildet.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung ei­ nes Schutzgases in den Raum zwischen Außengehäuse (7) und Innengehäuse (8).

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (4) mit einem Verschluß, insbesondere einem Lamellenver­ schluß, versehen ist, der den Ringspalt (4) bei Nichtbetrieb der Härteeinrichtung absperrt und ihn bei Betrieb der Härteeinrichtung freigibt.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelspiegel (5) am Innengehäuse (8) befestigt ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse (8) durch den Strahlengang querende Elemente (9) am Au­ ßengehäuse befestigt ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus einem für die Laserstrahlung durchlässigen Material beste­ hen und insbesondere einen Abstands- und Haltering aus IR-durchlässigem Material umfassen.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Ele­ mente (9) aus für die Laserstrahlung wenig oder nicht durchlässigem Material die Spiegeleinrichtun­ gen, insbesondere die Umlenkspiegel (2, 3) in Strah­ lungsrichtung hinter den Elementen (9), periodische Verzerrungen aufweisen, deren Anzahl und Position der der Elemente (9) entspricht und die die Schat­ tenbildung durch die Elemente (9) ausgleichen.