DE4142216C2 - Verfahren und Anordnung zum Härten von Nutbereichen in einem Bauteil - Google Patents
Verfahren und Anordnung zum Härten von Nutbereichen in einem BauteilInfo
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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 gattungsbildende Stand der Technik - "Technische Rundschau"
37/88, S. 21-49 - lehrt das Härten von Nutseitenwänden mittels
eines geregelten Laserstrahls, wobei die Einhärtetiefe im Bereich
der Nutgrundkanten auf Null zurückgeht. Aus "Technische
Rundschau" 26/89, S. 40, sind die Verwendung eines Nd-YAG-Lasers
und einer Schutzgaswolke (zur Verdrängung einer sich um den
Strahl ausbildenden Plasmawolke) für Härtungsbehandlungen bekannt.
In einem Aufsatz in Steel & Metals Magazine, Vol. 28, No.
9, 1990, S. 503-508, ist darauf hingewiesen, daß Strahlhärtungsverfahren
mit Laser- und Elektronenstrahlen (letztere unter
Vakuum) sehr ähnlich sind und zu gleichen Ergebnissen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes
Verfahren sowie eine Anordnung zu seiner Durchführung zu
schaffen, das bzw. die mit einfachen Mitteln ohne Erfordernis
einer Nachbearbeitung 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 Ansprüchen 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 Laserstrahls
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 zum Härten von Bereichen einer in einem Bauteil vorgesehenen,
Nutgrundkanten aufweisenden Nut mittels eines Laserstrahls,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Torsionswechselfestigkeit
des Bauteils (23) nur die Bereiche der Grundkanten
(20, 21) mittels des Strahls (24, 25) unter Beaufschlagung
durch 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.
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