DE4120689C1 - Electron-beam hardening cutting area of flat tool - by overlap mounting blades, while leaving area to be hardened uncovered etc. - Google Patents

Description

Das Verfahren wird zum Härten einer Oberflächenschicht im Schneidenbereich von flachen Werkzeugen aus härtbaren Stählen angewendet. Derartige Werkzeuge sind vorzugsweise Messerklin­ gen von Erntemaschinen, Stechbeitel und technische Messer, wobei die erzeugte Härteschicht die unmittelbare Schneide ist. An diese Schneidwerkzeuge werden hohe Anforderungen be­ züglich ihrer Verschleißbeständigkeit gestellt. Der Werkzeug­ grundkörper ist vergleichsweise zur Schneide auf geringere Härte eingestellt, was sich vorteilhaft auf die Bruchfestig­ keit des Werkzeugs auswirkt.

Das Härten von Teilen aus Stahl mit dem Elektronenstrahl ist bekannt (VDI-Z.110 (1968) Nr. 8, S. 316-320). Es wird ähnlich wie beim Härten mit anderen Energie­ strahlen, z. B. Laserstrahlen, die zu härtende Oberflächen­ schicht durch Übertragung einer hinreichend hohen Leistungs­ dichte auf Austenitisierungstemperatur erwärmt. Durch Auf­ rechterhalten der Energiezufuhr dringt die Austenitisie­ rungsgrenze von der Oberfläche ausgehend in die Werkstück­ tiefe vor. Wird die Energiezufuhr beendet, so erfolgt durch Selbstabschreckung, d. h. ohne ein zusätzliches Abschreck­ medium, allein durch Wärmeableitung in tiefer liegende Werk­ stückbereiche die Härtung der austenitischen Oberflächen­ schicht. Der für das Verfahren typische schnelle Anstieg auf Austenitisierungstemperatur führt zu einer hohen Austeniti­ sierungskeimdichte und damit zu einem besonders feinkörnigen martensitischen Gefüge. Die vom Werkstückinneren zur Ober­ fläche fortschreitende Abschreckung bildet günstige Bedin­ gungen zur Ausbildung von Druckeigenspannungen in der Härte­ schicht. Beide Besonderheiten des Verfahrens wirken sich vor­ teilhaft auf die Verschleißeigenschaften aus. Die Selbstab­ schreckung erfordert eine hinreichende Wärmekapazität der an die Austenitisierungsschicht angrenzenden Werkstückbereiche. Deshalb ist die Dicke der erzeugbaren Härteschicht auf ca. 170% der Werkstückstärke begrenzt. Die auf einige Millise­ kunden bis etwa 1 Sekunde beschränkte Haltezeit auf Austeni­ tisierungstemperatur erfordert eine gute Feinverteilung des Ausgangsgefüges. Vergüteter Ausgangswerkstoff ist deshalb günstig.

Es sind eine Reihe von Verfahren zur partiellen Oberflächen­ härtung besonders beanspruchter Werkstückbereiche mit Elek­ tronenstrahlen bekannt, die sich im wesentlichen durch die Art und Weise der Energieübertragung und damit die örtlich­ zeitliche Steuerung der Strahleinwirkung auf dem Werkstück unterscheiden. So ist es z. B. bekannt, eine gehärtete Ober­ flächenschicht durch punktweise Energieübertragung zu erzeu­ gen. Nachteilig sind dabei unvermeidliche Anlaßzonen zwischen benachbarten, aber zeitlich nicht unmittelbar nacheinander erwärmten Oberflächenorten. Dieser Nachteil wird vermieden, wenn der Elektronenstrahl in einem Punktraster hinreichend schnell repitierend zur Einwirkung gebracht wird. Beiden Ver­ fahren ist mit gewissen Unterschieden gemeinsam, daß sie auf den Einsatz relativ kleiner Strahlleistungen begrenzt sind.

Eine weitere bekannte Verfahrensausführung besteht darin, daß der Elektronenstrahl nicht auf die Werkstückoberfläche, son­ dern auf eine Ebene davor oder dahinter, also bezüglich der Werkstückoberfläche defokussiert, zur Einwirkung gebracht wird. Auf diese Weise erhöht sich der Einwirkquerschnitt des Elektronenstrahls. Dadurch kann zwar die quantitative Lei­ stungsfähigkeit des Verfahrens erhöht werden, dies erfolgt aber zu Lasten des Verfahrensvorteils präziser Energieüber­ tragung, wie sie mit dem fokussierten Elektronenstrahl er­ reicht wird.

Bei einem anderen bekannten Verfahren wird der Elektronen­ strahl hochfrequent periodisch in einem Zeilenraster abge­ lenkt auf dem Werkstück zur Einwirkung gebracht. Das Werk­ stück kann dabei relativ zum Raster bewegt werden, so daß auch das Strahlablenkfeld übersteigende Oberflächen mit ho­ mogenen Eigenschaften gehärtet werden können. Durch geeig­ nete Wahl der Abstände zwischen den Rasterlinien kann dabei die wirksame Energiestromdichte an der Werkstückoberfläche so gesteuert werden, daß eine in verschiedener Hinsicht be­ sonders günstige oberflächenisotherme Energieübertragung erfolgt.

Zur Anwendung dieses Rasterverfahrens für das Härten des Schneidenbereiches von flachen Werkzeugen würde das Raster­ feld parallel zu den Schneiden über das Werkstück geführt. Im Interesse einer hohen Verfahrensproduktivität sollte das Rasterfeld in Bewegungsrichtung relativ lang ausgeführt sein, um bei hoher Fortschreitgeschwindigkeit die erforder­ liche Energieübertragungsdauer sicherzustellen. Der Lei­ stungssteigerung durch diese Maßnahmen sind jedoch Grenzen gesetzt, da durch den erforderlichen Vor- bzw. Nachlauf des Rasters an den Enden der Werkzeugschneiden bzw. adäquate Maßnahmen relativ unproduktive Lösungen entstehen, die durch den Werkstückwechsel im Energieübertragungsbereich noch zu­ sätzlich belastet werden. Außerdem ergeben sich in der Praxis nur schwer beherrschbare Führungsprobleme zwischen Strahlra­ ster und Schneide, da die Energieübertragung ganz definiert zum Verlauf der Schneide erfolgen muß, um unzureichende Er­ wärmung der Schneidkanten ebenso wie eine Überhitzung dersel­ ben auszuschließen.

Diese bekannten Verfahren der Elektronenstrahlhärtung sind nicht geeignet, mit geringem Aufwand wirtschaftlich hohe Stückzahlen von derartigen billigen Werkzeugen herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Oberflächenhärtung des Schneidenbereiches von Flachwerkzeu­ gen mit Elektronenstrahlen zu schaffen, das unter Wahrung der qualitativen Verfahrensvorteile eine hohe Verfahrens­ wirtschaftlichkeit ermöglicht. Insbesondere sind die verfah­ rensbedingten Grenzen für den Einsatz hoher Strahlleistungen zu überwinden und der Einfluß verfahrensbedingter Nebenzei­ ten weitestgehend zu eliminieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Energieübertragung in einem vom Elektronenstrahl periodisch hochfrequent durchlau­ fenen Linienrasterfeld einer Elektronenstrahl-Härteanlage auf die partiell zu härtenden Werkzeuge vor dem Anschliff der Schneide nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen des Verfah­ rens beansprucht.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine dichte Anord­ nung der Werkzeuge und damit einen besonders günstigen Nut­ zungsgrad der verfügbaren Expositionsfläche der Elektronen­ strahl-Härteanlage. Ein die Verfahrensproduktivität mindern­ des und erfahrungsgemäß störanfälliges Einzelhandling der Werkzeuge im evakuierten Rezipienten der Elektronenstrahl- Härteanlage entfällt. Die Prozeßführung ist gegenüber dem üb­ lichen Einzelhandling der Werkzeuge stark vereinfacht. Das Verfahren gestattet unter Wahrung der Verfahrensvorteile den Einsatz hoher Strahlleistungen. Die Erfindung schafft damit die entscheidenden Voraussetzungen für den wirtschaftlichen Einsatz der Elektronenstrahlhärtung für eine Vielzahl billi­ ger Massenteile.

Die hohe Produktivität des Verfahrens ist auch dadurch be­ gründet, daß die zu Gruppen sich überlappend zusammengefaßten Werkzeuge chargenweise oder im Durchlauf durch den evakuier­ ten Rezipienten der Elektronenstrahl-Härteanlage geführt wer­ den. Dabei werden diese Gruppen in Aufnahmevorrichtungen ent­ weder auf Schienen durch den Rezipienten geführt oder sie sind auf einem Kreuztisch oder auf dem Umfang einer drehbaren Trommel angebracht. Der Kreuztisch bzw. die Trommel sind ent­ weder Bestandteil des Rezipienten oder werden ebenfalls in den Rezipienten ein- und ausgeschleust.

An einem Beispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Ausschnitt von reihenweise zu einer Gruppe zusammengefaßten Messerklingen eines Schneid­ werkes für Erntemaschinen in einer Schiene zum Durchlauf durch den Energieübertragungsbereich des Elektronenstrahles.

Fig. 1 eine Messerklinge in Draufsicht,

Fig. 2 eine Anordnung von Messerklingen auf einer Schiene in Draufsicht,

Fig. 3 die Anordnung der Fig. 2 in Seitenansicht im Schnitt.

Die Messerklinge 1 (Fig. 1) ist im Schneidenbereich 2 über einen Bruchteil der Klingenstärke mit dem Elektronenstrahl zu härten. Die Schneidkante selbst wird von der Rückseite der Messerklinge 1 erst nach Ausführung der Elektronen­ strahlhärtung angeschliffen. Der Schneidenbereich der Mes­ serklinge 1 besitzt damit zum Zeitpunkt der Elektronenstrahl­ härtung eine konstante Materialstärke.

In Fig. 2 und 3 ist eine Vielzahl identischer Messerklingen 1 in einer schienenförmigen Aufnahmevorrichtung 3 in regel­ mäßiger Anordnung sich gegenseitig soweit überlappend aufge­ nommen, daß im wesentlichen nur der zu härtende Schneiden­ bereich 2 unbedeckt bleibt. Die letzte Messerklinge 1′ der Anordnung ist durch eine Abdeckung 4 der Aufnahmevorrich­ tung 3 in gleicher Weise bedeckt. Die Aufnahmevorrichtung 3 wird in Richtung des Pfeiles mit konstanter Geschwindigkeit relativ zum Energieübertragungsfeld 5 (unterbrochen gezeich­ net) des Elektronenstrahles 6 bewegt. Das Energieübertra­ gungsfeld 5 wird durch ein Linienraster gebildet. Der Elek­ tronenstrahl 6 wird entlang der Scanlinien 7 nach einer hochfrequenten zeitlinearen periodischen Ablenkfunktion ge­ führt. Der im Energieübertragungsfeld 5 ortsabhängige Ab­ stand der Scanlinien 7 entspricht den Bedingungen einer ober­ flächenisothermen Energieübertragung. In einem der perio­ disch wiederholten Ablenkzyklen wird jede der Scanlinien 7 einmal vollständig durchlaufen. Die Breite des Energieüber­ tragungsfeldes 5 übersteigt geringfügig die Breite der Mes­ serklinge 1. Das Produkt aus der Apertur des Elektronen­ strahls mit dem maximalen Abstand zwischen der Fokussie­ rungsebene und den am weitesten entfernt liegenden zu härten­ den Oberflächenbereichen ist sehr klein gegenüber der Ausdeh­ nung des Energieübertragungsfeldes 5 in Richtung der Relativ­ bewegung zwischen dem Energieübertragungsfeld 5 und der An­ ordnung der Messerklingen 1. Damit ist hinreichend gesichert, daß alle zu härtenden Oberflächenbereiche der Messerklingen den gleichen Temperaturzyklus durchlaufen.

Die Führung der Aufnahmevorrichtung 3 durch das Energieüber­ tragungsfeld 5 sowie die Schleusung bzw. Anordnung der Auf­ nahmevorrichtungen 3 erfolgt nach bekannten Prinzipien und ist der Geometrie der zu härtenden Werkzeuge und der Elek­ tronenstrahl-Härteanlage angepaßt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Elektronenstrahlhärten des Schneidenberei­ ches von flachen Werkzeugen durch Energieübertragung in einem vom Elektronenstrahl periodisch hochfrequent durch­ laufenen linienrasterförmigen Energieübertragungsfeld im Rezipienten einer Elektronenstrahl-Härteanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die partiell zu härtenden Werkzeuge vor dem Anschliff der Schneide sich überlappend, jedoch den zu härtenden Schneidenbereich nicht überdeckend, re­ gelmäßig linear angeordnet mit konstanter Geschwindigkeit relativ durch das Energieübertragungsfeld des Elektronen­ strahles geführt werden, daß das Energieübertragungsfeld über die volle Breite der Werkzeuge oder einen Teil der­ selben ausgedehnt wird und daß die Werkzeuge in Richtung der der Elektronenstrahleinwirkung ausgesetzten Fronten der Schneiden durch das Energieübertragungsfeld des Elek­ tronenstrahles geführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlleistung, das Linienraster und die Bewegungsrichtung so aufeinander abgestimmt werden, daß die Oberfläche der Bauteile im Energieübertragungsfeld eine Isotherme nahe der Schmelztemperatur des Werkstoffs bildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl in eine Ebene fokussiert wird, die innerhalb der Gesamtheit der der Elektronenstrahlein­ wirkung ausgesetzten Werkzeugoberflächen liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß pro Millimeter Materialstärke im Härtebereich der Werkzeuge werkstoffabhängig eine Energiedichte von 190 ±20 Ws/cm² übertragen wird, wobei die Energieüber­ tragungsdauer auf einem gegebenen Oberflächenort so ge­ wählt wird, daß im Härtebereich eine matte, thermisch an­ geäzte, aber noch keine angeschmolzene Oberfläche ent­ steht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Linienrasters des Elektronenstrah­ les in Bewegungsrichtung der Werkzeuge so groß gewählt wird, daß das aus Apertur des Elektronenstrahles und der Abstandsdifferenz zwischen der Fokussierungsebene und der dazu am weitesten entfernten zu härtenden Werkzeugober­ fläche gebildete Produkt vernachlässigbar klein ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der An­ sprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge reihenweise in Gruppen zusammengefaßt auf einer schienen­ förmigen Einrichtung durch das Energieübertragungsfeld des Elektronenstrahles im Rezipienten geführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der An­ sprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge reihenweise in mehreren Gruppen auf einem Kreuztisch befe­ stigt werden und zeilenweise nacheinander durch das Ener­ gieübertragungsfeld des Elektronenstrahles im Rezipienten geführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und mindestens einem der An­ sprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeuge reihenweise in mehreren Gruppen, zeilenweise auf dem Um­ fang einer drehbaren Trommel befestigt werden und die Gruppen nacheinander durch das Energieübertragungsfeld des Elektronenstrahles im Rezipienten geführt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gruppenweise zusammengefaßten Werkzeuge über ein Schleu­ sensystem durch den Rezipienten geführt werden.