DE4142216A1 - Verfahren und anordnung zur erhoehung der torsionswechselfestigkeit eines eine nut aufweisenden bauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine zu seiner Durchführung geeignete Anordnung.

Betrachtet man den bevorzugten Einsatzfall des Verfahrens, nämlich zur Erhöhung der dynamischen Torsionsfestigkeit einer Kurbelwelle, die im Bereich eines Wellenendes mit einer Fixiernut versehen ist, so hat sich gezeigt, daß die Torsionswechselfestigkeit der Welle durch die Nut in störender Weise verringert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Ver­ fahren sowie eine Anordnung zu seiner Durchführung zu schaffen, das bzw. die mit einfachen Mitteln ohne Erfordernis einer Nachbearbei­ tung die durch die Nut an sich gegebene störende Verringerung der Torsionswechselfestigkeit rückgängig macht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem gat­ tungsgemäßen Verfahren mit dem kennzeichnenden Merkmal des An­ spruchs 1 bzw. in Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß den Ansprüche 4, 5 und 7; vorteilhafte Ausbildungen des Ver­ fahrens bzw. der Anordnung beschreiben die übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung erschöpft sich also nicht in der Anwendung einer an sich bekannten, mittels eines Laser- oder eines Elektronenstrahls vorgenommenen Härtung, sondern wesentlich ist die Beschränkung der Strahlbeaufschlagung auf die Nutgrundkanten, so daß eine unnötige Aufheizung des Materials des Bauteils und eine anschließende Abküh­ lung der vom Strahl beaufschlagten Bereiche desselben überflüssig sind. Weiterhin sorgt die Beaufschlagung der Nutkantenbereiche mit einem oxidationshindernden Schutzgas einerseits dafür, daß eine Nachbearbeitung überflüssig wird, und andererseits hat diese Ver­ meidung einer Änderung der Absorptionseigenschaften der Oberfläche durch Oxidation zur Folge, daß infolge Konstanz des Absorptionsver­ mögens die Regelung des Härteprozesses (über eine Intensitätsrege­ lung des Strahls) sehr einfach wird.

Grundsätzlich ist die Anwendung des Härtens zur Erhöhung auch der Torsionsfestigkeit von Kurbelwellen bekannt, siehe die DE-AS 18 02 027, F16C 3/14. Auch die Anwendung der Laserimpulshärtung bei derartigen Bauteilen gehört zum Stand der Technik, siehe die DE-OS 26 18 041, F16C 3/02. Dieser Stand der Technik behandelt jedoch nicht das Problem der Verringerung der Torsionswechselfestigkeit durch eine Nut und gibt insbesondere nicht an, wie dieses Problem so gelöst werden kann, daß eine Nacharbeit überflüssig wird.

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten für die Strahlbeaufschla­ gung: Bei der "stationären" Strahlbeaufschlagung besitzt der Elek­ tronen- oder Laserstrahl einen Querschnitt, der dem Verlauf der zu behandelnden Nutkantenbereiche angepaßt ist. Entscheidend ist, daß die Strahlbeaufschlagung tatsächlich auf die zu härtenden Bereiche beschränkt ist. Bei einem "dynamischen" Verfahren dagegen wird mit einem einen definierten Querschnitt aufweisenden Strahl gearbeitet, der bei einem Laser, durch optische, bei einem Elektronenstrahl durch elektromagnetische oder elektrostatische Strahlablenkung über die zu behandelnden Nutkantenbereiche gelenkt wird, so daß die verschiedenen Einzelbereiche gleichsam nacheinander beaufschlagt werden.

Dabei sind die emittierte Strahlenergie, in gewissem Rahmen die Strahlgeometrie und die Vorschubgeschwindigkeit auf den Absorp­ tionsgrad der Nutoberfläche und auf die geforderte Einhärtegeo­ metrie abzustellen. Der Absorptionsgrad bleibt, wie bereits bemerkt, infolge Verwendung eines Schutzgases praktisch konstant. Dieser Absorptionsgrad ist abhängig von der Wellenlänge der verwen­ deten Strahlung; wie sich gezeigt hat, liegt diesbezüglich am gün­ stigsten ein Elektronenstrahl, der aber relativ komplizierte Ab­ lenkmittel bzw. Mittel zur Gestaltung des Strahlquerschnitts erfor­ dert. Verwendet man dagegen einen Laserstrahl, so wird man unter dem Gesichtspunkt, eines hohen Absorptionsgrads ein Nd-YAG-Laser einsetzen; wie ebenfalls bereits erwähnt, können dann optische Einrichtungen Einsatz finden, die den Vorteil einer flexiblen Strahlführung aufweisen und somit insbesondere zur Bearbeitung solcher Bauteilbereiche geeignet sind, die für andere Bearbeitungs­ verfahren schwer oder nicht zugänglich sind.

Die Verwendung einer Strahlung mit einer Wellenlänge, die einen hohen Absorptionsgrad der Nutoberfläche sicherstellt, bietet den Vorteil, daß absorptionssteigernde Schichten (Coatings) überflüssig sind, also entsprechende Arbeitsgänge eingespart werden.

Zur Sicherstellung einer Konstanz über den Bearbeitungsbereich erfolgt während des Härteprozesses eine Regelung des Arbeitsab­ stands zwischen Strahlerzeuger (einschließlich evtl. nachgeschal­ teter Optik) und Nutgrundkantenbereich beispielsweise durch Einsatz geeigneter Abstandssensoren. Auch die Oberflächentemperatur kann beispielsweise mittels eines Strahlführungspyrometers zwecks Tempe­ raturregelung laufend erfaßt werden. Dabei kann über einen PID- Regler die jeweils gemessene Temperatur mit einem experimentell zuvor ermittelten Sollwert verglichen und dann die Strahlintensität oder - bei dem dynamischen Verfahren - die Strahlvorschubgeschwin­ digkeit über eine Stelleinrichtung nachgeregelt werden.

Insbesondere dann, wenn sich die Nutgeometrie ändert, kann es zweckmäßig sein, die Strahlgeometrie sowie die Schutzgasführung in Abhängigkeit von der Nutgeometrie so zu verändern, daß weder Oxidationen noch Anschmelzungen auftreten. Eine andere Möglichkeit stellt das Steuern der Strahlleistung dar, d. h. eine Anpassung der Strahlleistung an die Nutgeometrie in, Abhängigkeit von der Zeit.

Beim Härten mit einem Laserstrahl, und zwar aus Gründen der Wellen­ länge vor allem einem Nd-YAG-Laser, kann die Strahlführung mit Linsen und/oder Spiegeln sowie auch mit Lichtleitfasern erfolgen. Dies ermöglicht eine besondere Flexibilität hinsichtlich der Füh­ rung des Laserstrahls über die Nutgeometrie. Hier ist, insbesondere in der Serienproduktion, der Einsatz eines Roboters zur Führung der Lichtleitfasern möglich, so daß anstelle des Bauteils selbst erheb­ lich geringere Massen zu bewegen sind. Möglich ist auch, die von einer einzigen Strahlquelle ausgehende Strahlung in zwei Teil­ strahlen aufzuteilen, mit denen gleichzeitig zwei Nutgrundkanten bearbeitet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 schematisch anhand eines Querschnitts durch eine Kurbelwelle der eigentlichen Verfahrenserläuterung dient, während Fig. 2 perspektivisch ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Anordnung zeigt.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist die Welle 1 mit der allge­ mein mit 2 bezeichneten Nut versehen, deren Nutgrundkanten 3 und 4 die Torsionswechselfestigkeit der Welle 1 nachteilig beeinflussen. Wie sich gezeigt hat, sind die Nutgrundkanten 3 und 4 bei Überbean­ spruchung Ausgangsorte von Rissen, die sich in Richtung auf das Innere der Welle 1 fortpflanzen.

Erfindungsgemäß wird nun mittels eines Laserstrahls 5, der in einer Bearbeitungsoptik 6 entweder einen definierten, beispielsweise punktförmigen Querschnitt erhält und dann längs der jeweils zu bearbeitenden Nutgrundkante, hier der Kante 3, geführt wird oder der in der Bearbeitungsoptik 6 einen dem Verlauf der Nutgrundkante 3 entsprechenden Querschnitt erhält, auf eine Temperatur örtlich aufgeheizt, die eine Härtung nur dieses Bereichs 3 sicherstellt. Mittels eines Pyrometers 7 kann die Temperatur der Nutgrundkante während ihrer Bearbeitung ermittelt und zu Regelzwecken herange­ zogen werden. Bei dieser Regelung können unterschiedliche Para­ meter, wie die Strahlintensität, der Bearbeitungsabstand A, die Vorschubgeschwindigkeit bei einem Strahl mit definiertem Quer­ schnitt oder ähnliche Größen im Sinne der Erzielung des gewünschten Ergebnisses verändert werden.

Während in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, das eher der all­ gemeinen Erläuterung dient, nur ein Strahl 5 angenommen ist, werden in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 beide Nutgrundkanten 20 und 21 der allgemein mit 22 bezeichneten Nut im Bauteil 23 gleichzeitig mittels zwei Laserstrahlen 24 und 25 bearbeitet. Die eigentlichen Strahlquellen sind nicht dargestellt; ebenso ist nur bezüglich des Laserstrahls 24 bei 26 ein der Strahlleitung von der Strahlquelle dienender optischer Fiberleiter wiedergegeben, der mittels des Ro­ boters 27 gehalten wird, der seinerseits zum Nachführen des Strahls 24 längs des Verlaufs der Nutgrundkante 21 dient. Auch dem anderen Strahl 25 ist verständlicherweise ein Roboter zum Nachführen des Strahls längs der Nutgrundkante 20 zugeordnet.

Die beiden Strahlen können auch durch Strahlteilung gewonnen sein.

In Fig. 2 ist auch eine Düse 28 wiedergegeben, die längs der Nut 22 eine Schutzgasströmung erzeugt, die Veränderungen (Oxidation) der Nutoberfläche während des Härtungsprozesses verhindert. Wie bereits ausgeführt, werden dadurch Nacharbeiten überflüssig; auch ändert sich dann das Absorptionsverhalten der Nutoberfläche während der Strahlbeaufschlagung nicht, so daß von dieser Seite her keine Nachregelung etwa der Strahlintensität erfolgen muß.

Mit der Erfindung ist demgemäß ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine Anordnung zu seiner Durchführung geschaffen, das bzw. die mit an sich bewährten Einrichtung andernfalls durch eine Nut bedingte Verringerungen der Torsionswechselfestigkeit eines die Nut aufwei­ senden Bauteils zumindest weitgehend verringert, ohne daß Nachar­ beitsmaßnahmen erforderlich werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erhöhung der Torsionswechselfestigkeit eines Bau­ teils, insbesondere einer Kurbelwelle, das eine festigkeitsver­ ringernde Nut mit Nutgrundkanten aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß nur die Bereiche der Nutgrundkanten (20, 21) mittels eines energiereichen Strahls (24, 25) nach Art eines Laser- oder Elektronenstrahls unter gleichzeitiger Beaufschlagung der Nut­ grundkanten (20, 21) mit einem oxidationshindernden Schutzgas mit den Eigenschaften von Stickstoff gehärtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl einen dem Verlauf der Bereiche der Nutgrundkanten ange­ paßten Querschnitt besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Strahl (24, 25) mit definiertem Querschnitt und Relativbewegen des Strahls (24, 25) über die Bereiche der Nutgrundkanten (20, 21).

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zumindest einen Strahl­ erzeuger nach Art eines Nd-YAG-Lasers.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, insbesondere Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Strahlerzeuger seitlich be­ züglich der Nut (22) zur Strahlbeaufschlagung des ihnen jeweils entfernteren Nutgrundkantenbereichs (20, 21) angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Strahlerzeugern eine Strahlquelle gemeinsam ist, der ein Strahl­ teiler nachgeordnet ist.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, insbesondere Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (28) zur Erzeugung einer Schutzgasströmung in Längsrichtung der Nut (22) vorgesehen sind.