DE3908562A1 - Verfahren zur thermischen oberflaechenhaertung mit energiestrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung ener­ giestrahlgehärteter Bahnen auf vorzugsweise prismatischen Bau­ teilen mit großem Längs- zu Querschnittverhältnis, insbesondere zur Elektronenstrahlhärtung der Laufbahnen von Führungsleisten und Kompaktführungsleisten von Werkzeugmaschinen.

Es ist bekannt, durch thermische Energiestrahlprozesse, die in der festen oder flüssigen Phase ablaufen, die Werkstoffeigen­ schaften im Sinne einer Verbesserung der Gebrauchseigenschaften in oberflächennahen Randschichten metallischer Bauteile zu mo­ difizieren. Die lokalisierte Energieübertragung verbunden mit sich vollziehender Werkstoffumwandlung führt zu Formänderungen, d. h. einem Verzug des Bauteils. Dieser kann insbesondere dann störende Ausmaße annehmen, wenn es sich um Bauteile mit einer vergleichsweise zum Querschnitt großen Länge, wie z. B. bei Füh­ rungs- und Kompaktführungsleisten von Werkzeugmaschinen, han­ delt.

Aus anderen Verfahren, wie z. B. der Oberflächeninduktionshär­ tung ist es bekannt, durch Vorspannen den nach der Behandlung verbleibenden Verzug zu minimieren. Bei der genannten Bauteil­ geometrie kann damit jedoch den gestellten hohen Anforderungen bezüglich des verbleibenden Bauteilverzuges nicht entsprochen werden. Es wurde bereits vorgeschlagen, mit Energiestrahlen Härtebahnen auf den beanspruchten Laufflächen zu erzeugen. Zur Minimierung des Verzuges beim Härten werden gleichzeitig zu­ sätzliche Härtebahnen, auch Kompensationshärtebahnen genannt, auf das Werkstück aufgebracht. Dieses Verfahren hat den Nach­ teil, daß bei Verwendung von Elektronenstrahlen der gerätetech­ nische Aufwand durch die erforderliche zusätzliche Elektronenkanone und den damit zusammenhängenden Einrichtungen sehr hoch ist. Außer­ dem wird der von Teil zu Teil durch die unterschiedlichen inneren Spannungen des Bauteils verbleibende Restverzug, der stark streut, nicht den hohen Anforderungen entsprechend beseitigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermischen Oberflächenhärtung von Bauteilen großer Länge, aber vergleichsweise zu dieser geringen Querschnitts zu schaf­ fen. Der Verzug des Bauteils soll vergleichsweise zur Härte­ tiefe auf einen kleinen Wert begrenzt sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Energiestrahl, vor­ zugsweise Elektronenstrahl, der rechtwinklig zur Werkstückbe­ wegungsrichtung im Bereich der zu erzeugenden Härtebahn abge­ lenkt wird und durch Aufbringen mindestens einer Kompensations­ härtebahn dadurch gelöst, daß abhängig von dem unvermeidlichen Ausgangsverzug des Bauteiles und nach Maßgabe der von den Ener­ gieübertragungsbedingungen abhängigen Verzugscharakteristik des Bauteils, vorzugsweise von der Energieübertragung auf die als Nutzbahn dienenden Härtebahn auf einer dieser gegenüberlie­ genden Bauteilseite eine Kompensationshärtebahn mit bis auf den der Verzugscharakteristik entnommenen Parameter zur Härtebahn identischen Parametern aufgebracht wird. Der Energieeintrag er­ folgt so, daß der Bauteilverzug nach der Energieübertragung auf die Härtebahn mit Sicherheit nicht überkompensiert ist. Nach dem Temperaturausgleich über dem Bauteilquerschnitt wird der Restverzug gemessen und nach Vergleich mit dem zulässigen Wert werden gegebenenfalls eine, und wenn noch nicht ausreichend nach erneutem Temperaturausgleich, Verzugserfassung und Ver­ gleich mit dem zulässigen Wert weitere Kompensationshärtebah­ nen vorzugsweise mit beiderseits der ersten Kompensationshärte­ bahn liegenden Bahnanteilen erzeugt. Dabei wird wiederum bis auf den einer Verzugscharakteristik entnommenen Parameter mit zur Härtebahn identischen Energieübertragungsbedingungen gearbei­ tet, und diese Verfahrensweise so weit fortgesetzt, bis der zu­ lässige Verzugswert erreicht ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Bauteil zumindest senkrecht zur Längsrichtung während der ge­ samten Prozeßdauer wärmeleitungsisoliert aufgenommen und die Mittendurchbiegung des Bauteils als Maß für den Bauteilverzug erfaßt. Als variabler Parameter der Kompensationshärtebahnen und der Verzugscharakteristik wird zweckmäßig die Bahnbreite gewählt und jede Kompensationshärtebahn thermisch wechselwir­ kungsarm zu den vorangehend erzeugten angeordnet. Die zweiten und eventuell weiteren Kompensationshärtebahnen werden unter Nutzung der bekannten Prinzipien der Sprungstrahltechnik bzw. Strahlteilung mit Bahnanteilen beiderseits der bereits vorhan­ denen Kompensationshärtebahnen vorteilhaft so ausgeführt, daß das wählbare Verhältnis der Teilbahnbreiten nach Maßgabe des Bauteilverzuges in der zur Hauptverzugsrichtung senkrechten Ebene festgelegt wird.

Zur automatisierten Durchführung des Verfahrens ist es zweck­ mäßig, von einer aus den Vorversuchen oder durch Extrapolation von Erfahrungen an anderen Bauteilen gewonnenen Grobverzugs­ charakteristik auszugehen und die erfaßten Meßwerte zur fort­ laufenden Verbesserung der in der Steuerung der Einrichtung ab­ gespeicherten Verzugscharakteristik zu nutzen.

Es ist ferner zweckmäßig, den Energiestrahlprozeß an mehreren in einer Aufnahmevorrichtung angeordneten Bauteilen auszuführen, um während der notwendigen Temperaturausgleichzeiten den Ener­ giestrahlprozeß an anderen Bauteilen fortzusetzen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Querschnitt einer Führungsleiste mit elektronen­ strahlgehärteten Bahnen,

Fig. 2 eine Verzugscharakteristik des Bauteils gemäß Fig. 1, schematisch.

Auf der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellten Führungsleiste 1 einer Werkzeugmaschine ist einseitig eine Härtebahn 2 der Brei­ te b über eine Tiefe h mit Elektronenstrahlen zu erzeugen. Es ist vorgegeben, daß die Führungsleiste 1 nach dem Härten auf der Seite der Härtebahn 2 eine konkave Durchbiegung bis zu einem Maximalwert z _e mit z _e «h nicht überschreiten darf. Die Härtung soll nach dem bekannten Prinzip der isothermen Energieübertragung durch zweidimensional hochfrequente Strahlablenkung ausgeführt werden.

Aus Vorversuchen ist die in Fig. 2 dargestellte Verzugscharak­ teristik bekannt. Sie gibt die gemessenen vorzeichenbehafteten Verzugswerte z _H nach Ausführung einer Kompensationshärtebahn 3, der angeschlossenen Ausführung der Härtebahn 2 und erfolgtem Temperaturausgleich über dem Querschnitt der Führungsleiste 1 in Abhängigkeit vom Breitenverhältnis α _VK der Bahnen bei ver­ nachlässigbarem Ausgangsverzug der Führungsleiste 1 an. Sie be­ sagt, daß auf Grund unbekannter Einflußgrößen, wie innerer Span­ nungen im Bauteil, bei einem Bahnbreitenverhältnis α _VK = α _VKmin . . . α _VKmax ein Verzug in den Grenzen -z _{H -} . . . +z _{H +} verbleibt. Der zur exakten Verzugskompensation erforderliche Wert kann also nicht vorbestimmt werden. Die Kompensationshär­ tebahn 3 wird deshalb in einer Breite b _VKmin = α _VKmin · b ausgeführt. Nach Erzeugen der Kompensationshärtebahn 3 und der Härtebahn 2 und nach Temperaturausgleich über dem Bauteilquer­ schnitt wird der Restverzug z′ _H gemessen, der wegen der getroffe­ nen Wahl der Bereite der Kompensationshärtebahn 3 in den Grenzen O z′ _H z _{H +} liegt. Im vorliegenden Fall ist z′ _H < z _e . Es wird deshalb eine weitere Kompensationshärtebahn 4 mit den beiden symmetrisch zur Kompensationshärtebahn 3 liegenden Teilbahnen 4 a und 4 b ausgeführt, deren Gesamtbreite in Analogie zum vor­ stehend erläuterten gewählt wird. Nach erneutem Temperaturaus­ gleich wird ein Verzug z′′ _H < z _e gemessen, womit die Verzugskom­ pensation beendet ist.

Bei bereits vor dem Energiestrahlprozeß mit z _o verzogenen Bau­ teilen ergeben sich vom Vorverzug abhängige Verzugscharakteri­ stiken, die im wesentlichen auf einen von z _o abhängigen Wert α _VKmin (z _o ) hinauslaufen, wodurch sich eine von z _o abhängige Bahnbreite b _VKmin (z _o ) ergibt.

Claims (7)

1. Verfahren zur thermischen Oberflächenhärtung mit Energie­ strahlen, vorzugsweise einem Elektronenstrahl, der senkrecht zur Werkstückbewegungsrichtung entsprechend der Breite der zu erzeugenden Härtebahn hochfrequent abgelenkt wird und Er­ zeugen von mindestens einer Kompensationshärtebahn, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom Ausgangsverzug des Bautei­ les und nach Maßgabe der von den Energieübertragungsbedin­ gungen abhängigen Verzugscharakteristik des Bauteils vor der Energieübertragung auf die Härtebahn auf einer dieser gegen­ überliegenden Seite eine Kompensationshärtebahn mit bis auf einen der Verzugscharakteristik entnommenen Parameter iden­ tischen Energieübertragungsbedingungen derart erzeugt wird, daß der Bauteilverzug durch die Energieübertragung auf die Härtebahn mit Sicherheit nicht überkompensiert wird, daß nach Energieübertragung auf die Härtebahn und Temperaturausgleich über dem Querschnitt des Bauteils der Restverzug gemessen und nach Vergleich mit dem zulässigen Wert gegebenenfalls eine oder nach erneutem Temperaturausgleich, Verzugserfas­ sung und Vergleich mit dem zulässigen Wert weitere Kompensa­ tionshärtebahnen wiederum mit bis auf den der Verzugscharak­ teristik entnommenen Parameter mit zur Härtebahn identischen Energieübertragungsbedingungen erzeugt werden, bis der zu­ lässige Verzugswert erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Erzeugen weiterer Kompensationshärtebahnen zu einer be­ reits erzeugten Kompensationshärtebahn beiderseits zu die­ ser Bahnanteile erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil während des Energieübertragungsprozesses und der Temperaturausgleichzeit zumindest senkrecht zu seiner Längs­ richtung wärmeleitungsisoliert aufgenommen wird und daß die Mittendurchbiegung des Bauteils als Maß für den Bauteilver­ zug erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationshärtebahnen mit bis auf die Bahnbreite iden­ tischen Energieübertragungsbedingungen erzeugt werden und daß die Bahnbreite nach Maßgabe der Verzugskompensations­ charakteristik und des zu kompensierenden Verzugs ausgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten und weiteren Kompensationshärtebahnen unter An­ wendung bekannter Prinzipien der Sprungstrahltechnik bzw. Strahlteilung beiderseits der bereits vorhandenen Kompensa­ tionshärtebahn bzw. -bahnen und ohne nennenswerte thermische Wechselwirkung zu diesen ausgeführt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbahnbreiten entsprechend dem Verzug in einer senk­ recht zur Hauptverzugsachse liegenden Ebene ausgeführt wer­ den.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiestrahlprozeß chargenweise ausgeführt wird, wobei die Energieübertragung und der Temperaturausgleich für die Bauteile einer Charge zeitlich verschachtelt werden.