DE4237484A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Umschmelzen einer Werkstückoberfläche eines Werkstückes, insbesondere einer Nocken- oder Kurbelwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzen einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks, insbesondere einer Nocken- oder Kurbelwelle, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Eine Vorrichtung zum Härten der Oberflächen von gegeneinander versetzten Nocken einer gußeisernen Nockenwelle mit einer Werkstück-Einspanneinrichtung, die zur drehbaren Lagerung der Nockenwelle vorgesehen ist, ist beispielsweise aus dem DE-GM 78 37 030 bekannt. Zum vorzugsweise punktförmigen Aufschmelzen der besagten Oberflächen sind am Umfang der Nockenwelle in einem Abstand von den umzuschmelzenden Oberflächen der Nocken Energiequellen beweglich angeordnet. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist eine Meisternockenwelle vorgesehen, die über Antriebsmittel synchron zur zu härtenden Nockenquelle drehbar gelagert ist. Die Oberfläche der Meisternocken wird von Getrieben abgetastet, die zur Verstellung des Abstandes der Energiequellen von der Nockenachse vorgesehen sind. Die umzuschmelzende Nockenwelle ist in der Einspannvorrichtung sowohl um ihre Nockenwellenachse als auch in axialer Richtung beweglich gelagert. Diese bekannte Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Halterung zur im wesentlichen mit senkrechter Achslage verlaufenden Lagerung der Nockenwelle vorgesehen ist, und daß die Energiequellen im Winkelabstand gegeneinander versetzt um die in der Halterung vorgesehene Nockenwellen-Längsachse herum verteilt angeordnet sind.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, das die Schritte des Aufschmelzens der Nockengleitfläche jeder Nocke infolge einer Aufbringung von Energie hoher Dichte mittels eines Brenners und des Ausbildens einer kontinuierlichen Härteschicht infolge einer Selbstkühlung umfaßt, wobei die Nocke um eine in Längsrichtung der Nockenwelle verlaufende X-Achse gedreht und der Brenner in Richtung seiner Längsachse bewegt wird, die in Richtung einer vertikalen, senkrecht zur X-Achse verlaufenden Z- Achse verläuft, ist aus der DE 36 26 808 C2 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, den Brenner zusätzlich in Richtung einer horizontalen, senkrecht zur X-Achse verlaufenden Y- Achse zu bewegen.

Die DE 38 20 685 beschreibt eine Vorrichtung zum Umschmelzhärten von Oberflächenbereichen von um eine Längsachse drehbaren Werkstücken, insbesondere von Nocken von Nockenwellen, mittels eines Brenners. Diese Vorrichtung weist eine den Brenner tragende Positioniervorrichtung auf, durch die der am Brennerkopfaus tretende Brennstrahl in einer festen Orientierung gegenüber der Werkstückachse angeordnet und der Abstand des Brennerkopfes vom Umschmelzbereich während der Drehung des Werkstückes veränderbar ist. Dort ist außerdem eine erste Meßvorrichtung für die Winkellage des Umschmelzbereiches, eine zweite Meßvorrichtung für den Abstand des Brennerkopfes vom Umschmelzbereich sowie eine mit der ersten und der zweiten Meßvorrichtung verbundene Steuereinheit zur Ansteuerung der Positioniervorrichtung entsprechend der Oberflächenkontur des Umschmelzbereiches vorgesehen. Die zweite Meßvorrichtung ist gegenüber dem Brennerkopfwinkel versetzt und die Steuereinheit weist eine Korrekturschaltung auf, welche die Meßwerte der Positioniervorrichtung winkelgerecht zuführt.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umschmelzhärten von Kurbelwellen durch sequentielles elektroinduktives Erhitzen der Hub- und Hauptlagerflächen und anschließendes Abschrecken ist aus der DE 38 42 808 C1 bekannt. Hierbei werden mit nur zwei Induktoren alle Hublager gehärtet, wobei jeweils zwei symmetrisch zur Achsmitte liegende Hublagerflächen gleichzeitig gehärtet werden.

Eine Vorrichtung zum Einspannen von Kurbelwellen beim Härten ihrer Lagerflächen ist aus der DE 39 07 699 C1 bekannt. Diese Vorrichtung besteht aus zwei im Abstand einander gegenüberstehenden Spannköpfen, von denen mindestens einer zur Aufnahme der Kurbelwelle verschiebbar ist, sowie aus einer feststehenden Mittelstütze. Die beiden Spannköpfe sind zur gemeinsamen Bewegung mit der durch sie eingespannten Kurbelwelle gekoppelt. Diese Kopplung kann elektrisch oder mechanisch erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei Werkstücke, insbesondere Nocken- oder Kurbelwellen mit sehr guter Qualität preisgünstig herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird vorrichtungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichenteiles des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 9 bis 15 gekennzeichnet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, Werkstücke, insbesondere Nocken- oder Kurbelwellen, umzuschmelzen, d. h. einer Umschmelzhärtung zu unterziehen, wobei Werkstücke mit einer sehr guten Qualität erzielt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese gute Qualität relativ preisgünstig realisierbar ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung der Vorrichtung zum Umschmelzen einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks, insbesondere einer Nocken- oder Kurbelwelle,

Fig. 2 eine räumliche Darstellung eines Abschnittes einer Nockenwelle sowie einer schematisch angedeuteten Strahlungsquelle zum Umschmelzen der entsprechenden Werkstückoberfläche der Nockenwelle,

Fig. 3 eine Ansicht einer ersten Ausbildung der Vorrichtung zum Umschmelzen einer Nocken- oder Kurbelwelle in Blickrichtung von oben,

Fig. 4 eine Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 3 in Blickrichtung von vorne,

Fig. 5 eine Ansicht einer anderen Ausbildung der Vorrichtung zum Umschmelzen von Nocken- oder Kurbelwellen in Blickrichtung von oben, und

Fig. 6 eine Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 5 in Blickrichtung von vorne.

Fig. 1 zeigt schematisch in einer Blockdarstellung eine Vorrichtung 10 zum Umschmelzen bzw. Umschmelzhärten einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks, insbesondere einer Nocken- oder Kurbelwelle, wobei die besagte Vorrichtung 10 eine Bearbeitungsstation 12, eine der Bearbeitungsstation vorgeordnete Vorwärmstation 14 und eine der Bearbeitungsstation 12 nachgeordnete Abkühlstation 16 aufweist. Der Vorwärmstation 14 ist eine Beladestation 18 vorgeordnet und der Abkühlstation 16 ist eine Entladestation 20 nachgeordnet. Zum Übergeben der Werkstücke von der Vorwärmstation 14 zur Bearbeitungsstation 12 und zum Übergeben von Werkstücken von der Bearbeitungsstation zur Abkühlstation 16 ist die Vorrichtung 10 mit einer Übergabeeinrichtung 22 ausgebildet.

Die Bearbeitungsstation 12 ist mit einer Einspanneinrichtung 24 ausgebildet, die zum Festlegen eines Werkstücks vorgesehen ist. Die Bearbeitungsstation 12 weist außerdem eine Strahlungsquelle 26 auf, die zum Emittieren eines energiereichen Strahles auf das entsprechende in der Einspanneinrichtung 24 eingespannte (nicht gezeichnete) Werkstück vorgesehen ist. Ein Prozessor 28 ist mit der Vorwärmstation 14, mit der Bearbeitungsstation 12 und mit der Abkühlstation 16 verbunden, was durch die Doppelpfeile 30, 32 und 34 angedeutet ist. Mit Hilfe des Prozessors 28 ist bspw. eine Kontrolle der Oberflächentemperatur des Werkstücks, eine Kontrolle der Plasmabildung des hochenergetischen Strahles der Strahlenquelle 26, eine Schichtdickenmessung der umgeschmolzenen Schicht des Werkstücks 40, eine Geometrievermessung des Umschmelzabschnittes o. dgl. möglich. Des weiteren ist eine Protokollierung der Prozeßdaten und -parameter zum Qualitätsnachweis möglich.

Die Vorwärmstation 14 weist einen ersten Vorwärmabschnitt 36 und einen zweiten Vorwärmabschnitt 38 auf, wobei der erste Vorwärmabschnitt 36 zeitgesteuert und der zweite Vorwärmabschnitt 38 temperaturgesteuert ist.

Fig. 2 zeigt in einer räumlichen Darstellung abschnittweise ein Werkstück 40 in Gestalt einer Nockenwelle, von der ein Nocken 42 gezeichnet ist, von welchem Nockenwellenabschnitte 44 und 46 in entgegengesetzte Richtungen wegstehen. Die miteinander axial fluchtenden Nockenwellenabschnitte 44 und 46 legen eine zentrale Längsachse 48 des Werkstückes 40 fest, um welche das Werkstück 40 in die Einspanneinrichtung 24 (siehe Fig. 1) eingespannt drehbar ist, was in Fig. 2 durch den bogenförmigen Pfeil 50 angedeutet ist. In einem Abstand vom Werkstück 40 ist die in Fig. 2 schematisch räumlich dargestellte Strahlungsquelle 26 angeordnet, mit deren Hilfe die entsprechende Werkstückoberfläche 52, bei der es sich im konkreten Fall um die Mantelfläche des Nockens 42 handelt, umgeschmolzen bzw. umschmelzgehärtet wird. Zu diesem Zweck, d. h. zum exakten Umschmelzen bzw. Umschmelzhärten, führt die Werkstück-Einspanneinrichtung 24 (siehe Fig. 1) in bezug auf die Strahlungsquelle 26 in den beiden zur zentralen Längsachse 48 senkrechten Raumrichtungen eine entsprechend angepaßte Bewegung durch. Wird das Werkstück 40 um seine zentrale Längsachse 48, d. h. um die x-Achse gedreht (Pfeil 50) so muß die Einspanneinrichtung 24 (siehe Fig. 1) in den beiden hierzu und zueinander senkrechten Richtungen passend verstellt werden, um zwischen dem Flächenabschnitt 54 der Werkstückoberfläche 52, auf welcher der hochenergetische Strahl 56 der Strahlungsquelle 26 zum Umschmelzen bzw. Umschmelzhärten auftrifft, und der Strahlungsquelle 26 einen konstanten Abstand einzuhalten.

Durch den Flächenabschnitt 54 ist eine Tangentialebene der Werkstückoberfläche 52 festgelegt, wobei diese Tangentialebene in Fig. 2 durch die strichpunktierte Linie 58 angedeutet ist. Zur Tangentialebene (strichpunktierte Linie 58) senkrecht orientiert ist eine Normalebene, die in Fig. 2 durch eine strichpunktierte Linie 60 angedeutet ist. Eine optimale Umschmelzung bzw. Umschmelzhärtung der Werkstückoberfläche 52 kann dadurch erreicht werden, daß die Strahlungsquelle 26 mit der Normalebene 60 einen Einkopplungswinkel 62 einschließt.

Die Intensitätsverteilung des hochenergetischen Strahles 56 der Strahlungsquelle 26 ist in Fig. 2 mit der Bezugsziffer 64 bezeichnet.

Fig. 3 zeigt in einer Ansicht von oben eine Ausbildung der Vorrichtung 10 mit einer Strahlungsquelle 26, bei der es sich um eine Laserstrahlenquelle handelt, und die mit einem Laserkopf 66 ausgebildet ist. Der Laserkopf 66 ist in x- Richtung verstellbar. Außerdem ist der Laserkopf 66 in z- Richtung verstellbar, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, in welcher gleiche Einzelheiten mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind wie in Fig. 3.

Der Strahlungsquelle 26 ist eine Bearbeitungsstation 12 zugeordnet, die eine Einspanneinrichtung 24 für ein umzuschmelzendes Werkstück 40 aufweist. Das Werkstück 40 ist um seine zentrale Längsachse, d. h. um die x-Achse herum drehbar, was auch in Fig. 3 durch den bogenförmigen Pfeil 50 angedeutet ist.

Der Bearbeitungsstation 12 ist eine Vorwärmstation 14 vorgeordnet, wobei im ersten Vorwärmabschnitt 36 der Vorwärmstation 14 eine zeitgesteuerte Vorwärmung eines Werkstückes 40 und in dem an den ersten Vorwärmabschnitt 36 anschließenden zweiten Vorwärmabschnitt 38 eine temperaturgesteuerte Vorwärmung eines Werkstücks 40 erfolgt. Eine Übergabeeinrichtung 22 (siehe Fig. 4) beispielsweise in Gestalt eines Portalladers transportiert ein passend vorgewärmtes Werkstück 40 von einer unmittelbar vor der Bearbeitungsstation 12 befindlichen Abholposition 68 (siehe Fig. 3) zur Bearbeitungsstation 12 bzw. zur Einspanneinrichtung 24 derselben.

Der Vorwärmstation 14 ist eine Beladestation 18 vorgeordnet.

Der Bearbeitungsstation 12 ist eine Abkühlstation 16 nachgeordnet, die portalartig ausgebildet sein kann, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, um nur eine relativ kleine Grundfläche zu benötigen. Am Ausgang der Abkühlstation 16, d. h. an der Entladestation 20 werden die umgeschmolzenen, gehärteten qualitativ hochwertigen Werkstücke 40 einzeln entnommen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine andere Ausbildung der Vorrichtung 10 mit einer Bearbeitungsstation 12, der eine Vorwärmstation 14 vorgeordnet und der eine Abkühlstation 16 nachgeordnet ist. Vor der Vorwärmstation 14 ist eine Beladestation 18 für umzuschmelzende Werkstücke 40 vorgesehen, wobei die Beladestation 18 zum takt- bzw. schrittweisen Transport der einzelnen Werkstücke 40 zur Vorwärmstation 14 vorgesehen ist. Die Vorwärmstation 14 ist auch bei dieser Ausbildung der Vorrichtung 10 mit einem ersten Vorwärmabschnitt 36 und mit einem zweiten Vorwärmabschnitt 38 ausgebildet, wobei im ersten Vorwärmabschnitt 36 eine zeitgesteuerte Vorwärmung erfolgt, während der zweite Vorwärmabschnitt 38 der Vorwärmstation 14 zur temperaturgesteuerten Vorwärmung der Werkstücke 40 vorgesehen ist. Zwischen der Vorwärmstation 14 und der Bearbeitungsstation ist auch bei dieser Ausbildung der Vorrichtung 10 eine Abholposition 68 vorhanden. Eine Einlegestation 70 dient dazu, Werkstücke 40 von der Beladestation 18 an die Vorwärmstation 14 zu übergeben. Zu diesen Zweck ist die Einlegestation 70 vertikal und horizontal verstellbar, was in Fig. 6 durch die Pfeile 72 und 74 angedeutet ist.

Die Bearbeitungsstation 12 ist mit einer Einspanneinrichtung 24 für ein umzuschmelzendes Werkstück 40 ausgebildet. Mit der Bezugsziffer 26 ist auch in Fig. 5 die Strahlungsquelle bezeichnet, bei der es sich insbesondere um eine Laserstrahlenquelle handeln kann. Die Bezugsziffer 66 bezeichnet auch in den Fig. 5 und 6 den Laserkopf, wobei zwischen dem Laserkopf 66 und der Strahlungsquelle 66 ein Spiegelsystem 76 vorgesehen ist.

Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausbildung der Vorrichtung 10 ist die Übergabeeinrichtung 22 dazu geeignet, ein Werkstück 40 von der Abholposition 68 an die Bearbeitungsstation 12 zu übergeben, um das umzuschmelzende Werkstück 40 an der Einspanneinrichtung 24 festzulegen, gleichzeitig ist die Übergabeeinrichtung 22 dazu geeignet, ein umgeschmolzenes bzw. umschmelzgehärtetes Werkstück 40 von der Bearbeitungsstation 12 an die Abkühlstation 16 zu übergeben. Die Abkühlstation 16 ist auch bei dieser Ausbildung der Vorrichtung 10 umgekehrt U-förmig, d. h. portalartig ausgebildet, so daß sie nur einen kleinen Grundflächenbedarf besitzt.

Gleiche Einzelheiten sind in den Fig. 5 und 6 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie in den Fig. 3 und 4, so daß es sich erübrigt, in Verbindung mit den Fig. 5 und 6 alle diese Einzelheiten von einmal detailliert zu beschreiben.

Claims (15)

1. Verfahren zum Umschmelzen einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks (40), insbesondere einer Nocken- oder Kurbelwelle, mittels eines energiereichen Stahles (56) einer Strahlungsquelle (26), insbesondere einer Laserstrahlenquelle, wobei das Werkstück (40) an einer Einspanneinrichtung (24) festgelegt wird und die Strahlungsquelle (26) und die Werkstück-Einspanneinrichtung (24) zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (40) und der Strahlungsquelle (26) an einer Bearbeitungsstation (12) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (40) in einer der Bearbeitungsstation (12) vorgeordneten Vorwärmstation (14) definiert vorgewärmt werden, bevor sie nacheinander schrittweise der Bearbeitungsstation (12) zugeführt werden, und daß die Werkstücke (40) nach Durchführung des Umschmelzvorgangs in einer der Bearbeitungsstation (12) nachgeordneten Abkühlstation (16) definiert abgekühlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (40) in der Vorwärmstation (14) auf eine Temperatur im Bereich zwischen ca. 400°C und ca. 550°C vorgewärmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmung der Werkstücke (40) zweistufig erfolgt, wobei sich an eine definiert zeitgesteuerte Vorwärmung eine temperaturgesteuerte Vorwärmung anschließt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschmelzvorgang durch Einstellung von mit der Werkstück-Einspanneinrichtung (24) wählbaren Prozeßparametern und/oder durch Einstellung von mit der Strahlungsquelle (26) wählbaren Prozeßparametern definiert eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Werkstück-Einspanneinrichtung (24) die Prozeßparameter Bahngeschwindigkeit und/oder Bahnbeschleunigung des Werkstücks (40) bzw. seiner umzuschmelzenden Oberfläche (52) relativ zum Strahl (56) der Strahlungsquelle (26) und/oder Einkopplungswinkel (62) und/oder Fokuslage des Strahles (56) relativ zur Werkstückoberfläche (52) eingestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Strahlungsquelle (26) die Prozeßparameter Form und/oder Intensitätsverteilung (64) und/oder Fokuslage des Strahles (56) der Strahlungsquelle (26) eingestellt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Werkstücke (40) auf Raumtemperatur definiert zeitgesteuert durchgeführt wird.

8. Vorrichtung zum Umschmelzen einer Werkstückoberfläche (52) eines Werkstückes (40), insbesondere einer Nocken- oder Kurbelwelle, mittels eines energiereichen Strahles (56) einer Strahlungsquelle (26), insbesondere einer Laserstrahlenquelle, wobei eine Einspanneinrichtung (24) zum Festlegen eines Werkstückes (40) und die Strahlungsquelle (26) an einer zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (40) und der Strahlungsquelle (26) geeigneten Bearbeitungsstation (12) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungsstation (12) eine Vorwärmstation (14) zum definierten Vorwärmen der Werkstücke (40) vorgeordnet und eine Abkühlstation (16) zum definierten Abkühlen der besagten Werkstücke (40) nachgeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmstation (14) zum Vorwärmen der Werkstücke (40) auf eine Temperatur im Bereich zwischen ca. 400°C und ca. 550°C vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmstation (14) einen ersten und einen sich daran anschließenden zweiten Vorwärmabschnitt (36, 38) aufweist, wobei der erste Vorwärmabschnitt (36) zeitgesteuert und der dem ersten Vorwärmabschnitt (36) nachgeordnete, zwischen diesem und der Bearbeitungsstation (12) vorgesehene zweite Vorwärmabschnitt (38) temperaturgesteuert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstück-Einspanneinrichtung (24) zur Einstellung der Prozeßparameter Bahngeschwindigkeit und/oder Bahnbeschleunigung des entsprechenden Werkstücks (40) bzw. seiner umzuschmelzenden Oberfläche (52) relativ zum Strahl (56) der Strahlungsquelle (26) und/oder Einkopplungswinkel (62) und/oder Fokuslage des Strahls (56) relativ zur Werkstückoberfläche (52) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (26) zur Einstellung der Prozeßparameter Form und/oder Intensitätsverteilung (64) und/oder Fokuslage des Strahles (56) der Strahlungsquelle (26) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmstation (14) und/oder die Bearbeitungsstation (12) und/oder die Abkühlstation (16) mit einem Prozessor (28) verbunden sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (28) zur Einstellung der Prozeßparameter und/oder zu deren Protokollierung vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärm-, die Bearbeitungs- und die Abkühlstation (14, 12, 16) miteinander mittels einer Übergabeeinrichtung (22) verbunden sind.