DE4423832A1

DE4423832A1 - Verfahren zum induktiven Randschichthärten von Hohlwellen

Info

Publication number: DE4423832A1
Application number: DE4423832A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Ing Buehler; Friedrich Jelinek; Reiner Schmid
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1994-07-07
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 1995-04-20

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum induktiven Randschicht härten von Hohlwellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE-PS 9 05 982 als bekannt hervorgeht.

Die DE-PS 9 05 982 offenbart ein Verfahren zum innenseitigen Induktionshärten von Hohlwellen. Bei diesem Verfahren wird ein dem kreisförmigen Innenquerschnitt der zylindrischen Hohlwelle angepaßter Induktor, dem in Bewegungsrichtung eine Brause nach geordnet ist, durch die Hohlwelle geführt. Bei dieser Bewegung des Induktors wird an den Induktor ein elektrisches Wechselfeld angelegt, welches in dem Material der Hohlwelle Wirbelströme er zeugt. Bedingt durch den ohmschen Widerstand des Materials der Hohlwelle erwärmen diese Wirbelströme zumindest im Bereich der die Innenseite der Hohlwelle das Material derselben und zwar über die Umwandlungstemperatur des Materials der Hohlwelle. Zur Härtung des erwärmten Materials wird dieses mittels als Fremd mittel eingesetztes und aus der Brause ausströmenden Wassers in einer das Material der Hohlwelle abschreckenden Weise gekühlt. Dieses Verfahren ist jedoch nur zum Härten von Randzonen geeig net, die sich auf der Innenseite der Hohlwelle befinden. Zum Härten von Randzonen, die am äußeren Umfang einer Hohlwelle an geordnet sind, ist dieses Verfahren ungeeignet. Dies gilt insbe sondere für axial profilierte Hohlwellen, die ferner auch noch entlang ihrer Rotationsachse unterschiedliche Wanddicken aufwei sen können.

Zur Härtung einer äußeren Randzone ist es bekannt, die Hohlwelle in einen Gasofen einzubringen, unter Gasatmosphäre aufzukohlen und in einem Ölbad abzuschrecken. Hierbei ergeben sich jedoch Nachteile bezüglich der hohen Energieaufbringung, bezüglich der Umweltbelastung und bezüglich den langen Taktzeiten.

Des weiteren ist es bekannt, äußere Randzonen von Hohlwellen mittels mit Hochfrequenz betriebenen Ringinduktoren im Vorschub zu härten. Dabei wird der "Skin-Effekt" ausgenützt, wodurch nur eine dünne Oberflächenschicht erwärmt wird. Die Vorschubge schwindigkeit, bzw. die eingebrachte Leistung wird der gewünsch ten Einhärtetiefe und der Wandstärke der Hohlwelle entsprechend angepaßt. Probleme treten hierbei an Einstichen und Kanten der profilierten Hohlwellen auf, da die tieferliegenden Bereiche nur schwach gehärtet werden können. Gute, insbesondere konturgetreue Härteprofile können daher nur bei geeigneten Bauteilgeometrien erzielt werden. Des weiteren besteht die Gefahr einer Durchhär tung der Wandung im Bereich kleiner Wandstärken.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundege legte Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß Hohlwellen außenseitig gehärtet werden können, wobei das Material der inne ren Wandung der Hohlwellen allenfalls in geringem Umfang gehär tet werden soll, so daß die innere Wandung der Hohlwelle mög lichst elastisch bleibt.

Die Aufgabe wird bei dem zugrundegelegten Verfahren erfindungs gemäß durch die kennzeichnenden Verfahrensschritte des Anspruchs 1 gelöst. Durch die innere Kühlung mittels des Fremdmittels wird bei der Erwärmung mittels der Wirbelströme die innere Wandung der Hohlwelle vor einer nennenswerten Erwärmung geschützt, wobei gleichzeitig die äußere erwärmte Randzone hinreichend erwärmt wird. Dadurch ist auch im Bereich axialer Profilierungen eine konturtreue, annähernd konstant dicke gehärtete Randzone herstellbar, wobei der Kern der Hohlwelle weitgehend weich d. h. elastisch bleibt. Auch besteht hinsichtlich der für die Hohlwellen verwendbaren Stähle keine Einschränkungen mehr. Sie müssen nur noch abschreck-härtbar sein. Des weiteren ergeben sich bei der Produktion, aufgrund einheitlicher Gesamthärtung im Vergleich zur Vorschubhärtung, kurze Taktzeiten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner universell einsetzbar, wobei bestehende Anlagen auf einfache und preisgünstige Weise nachgerüstet werden können. Günstigerweise kann auch die Innenerwärmung bzw. die Innenkühlung durch Einflußnahme auf Temperatur des Kühlmediums, Art des Kühlmediums (Wasser, Luft/Wasser-Gemisch mit weiten Mischungsverhältnissen, Luft), Fließgeschwindigkeit und örtlich gezielte Zufuhr des Kühlmediums auf einfache Weise gesteuert werden. Der Einsatz des erfindungs gemäßen Verfahrens empfiehlt sich zweckmäßigerweise für Hohl wellen, die die Funktion von bislang massiv ausgebildete Wellen übernehmen können. Derartige Bauteile sind insbesondere Achs teile, wie Antriebswellen, Hinterachswellen, Vorderachswellen oder dgl., oder Motorteile, wie Ausgleichswellen, Nockenwellen oder dgl., die insbesondere aus Gründen der Material- und/oder Gewichtsersparnis als Hohlwellen ausgeführt werden können.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand ei nes in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Die einzige Zeichnung zeigt einen Ausschnitt auf ein Werkzeug zum Induktionshärten von Hohlwellen 2. Das Werkzeug weist zwei axial gleichachsig zueinander gehalterte und voneinander beab standete Spitzen 4, 5 auf, zwischen denen die Hohlwelle 2 einge spannt wird. Zum Einspannen werden die Spitzen 4, 5 mit ihrem Konus 6 teilweise in das hohle Innere der Hohlwelle 2 eingefah ren, bis die Hohlwelle 2 zwischen den Spitzen 4 und 5 fixiert ist. Durch diese Halterung ist die Hohlwelle 2 sogleich auch entsprechend der Symmetrieachsen der Spitzen 4, 5 ausgerichtet. Die Spitzen 4, 5 sind an ihrem von der Hohlwelle 2 abliegendem Endbereich um ihre Symmetrieachse, die, bedingt durch die er wähnte Halterung mittels den Spitzen 4, 5 , mit der Symmetrie achse der Hohlwelle 2 gleichachsig ist, drehbar gelagert. Des weiteren sind die Spitzen 4, 5 hohlgebohrt, wobei die Hohlboh rung 7 mit einer Zuführeinrichtung (nicht dargestellt) eines Kühlmittels verbunden ist, dessen Kühlmittelanschluß 8 im Bereich der Drehlagerungen 9 der Spitzen 4, 5 angeordnet ist. Dadurch ist bei einer Drehung der Spitzen 4, 5 und damit bei ei ner Drehung der Hohlwelle 2 um ihre der Rotationsachse 1 ent sprechenden Symmetrieachse, diese Drehbewegung von der Kühl mittelzufuhr weitgehend abgekoppelt. Um die unterschiedliche Durchmesser aufweisende Hohlwelle 2 ist im Bereich der zu här tenden Randzone ein Induktor 3, insbesondere ein Forminduktor, angeordnet, der die Hohlwelle 2 im zu härtenden Bereich sowohl axial als auch umfangsseitig teilweise oder etwa vollständig umschließt und der innenseitig der Geometrie der Hohlwelle 2 angepaßt ist. Außerhalb des Induktors 3 ist eine Brause angeordnet, die zum Abschrecken der mittels des Induktors 3 erwärmten und zu härtenden Randzone vorgesehen ist, wobei der bzw. die jeweiligen Brauseköpfe 10 horizontal geneigt auf das Bauteil gerichtet sind, so daß ein von ihnen versprühter Kühlmittelstrahl die Hohlwelle 2 ganz flächig abschreckt.

Im folgenden wird das Verfahren anhand einer allgemeinen Hohl welle 2 erläutert. Die Hohlwelle 2 wird zwischen die zwei Spit zen 4, 5 des Werkzeuges gespannt. Die Spitzen 4, 5 sind hohl gebohrt, so daß mittels einer externen Zuführeinrichtung (nicht dargestellt) das Kühlmedium, zweckmäßigerweise Wasser, Öl, oder Gase (z. B. Luft) durch die Spitzen 4, 5 hindurch geleitet werden kann. Während der Erwärmung des Materials der Hohlwelle 2 wird, um eine gleichmäßige Erwärmung über den gesamten Umfang zu er reichen, die Hohlwelle 2 sinnvollerweise in Rotation versetzt. Die Rotationsbewegung der Hohlwelle 2 wird an den Kühlmittel anschlüssen 8 abgekoppelt, wodurch u. a. eine einfache Konstruk tion des Werkzeuges ermöglicht ist. Die Erwärmung der Hohlwelle 2 erfolgt über einen in der Art eines Gesamtflächen-Forminduk tors ausgebildeten Induktor 3, der zweckmäßigerweise mit Mittel frequenz, insbesondere im Bereich zwischen 10 und 100 kHz betrieben wird, und der die Hohlwelle 2 außenseitig im Bereich der zu härtenden Randzone vorzugsweise sowohl axial als auch um fangsseitig teilweise oder vollständig umschließt. Im Innern der Hohlwelle 2 wird die durch das Magnetwechselfeld erzeugt Wärme durch das Kühlmedium abtransportiert, wodurch der innere Randschichtbereich so stark gekühlt wird, daß in diesem Randschichtbereich keine oder allenfalls nur in geringfügigem Umfang Gefügeumwandlungen stattfinden.

In einigen Fällen kann es jedoch auch sinnvoll sein, die Kühlung so zu dimensionieren, daß der innere Randschichtbereich einer gezielten Gefügeumwandlung unterliegt. Die gezielte Kühlung ist hierbei durch die Strömung des Kühlmittels in einfacher Weise realisierbar. Nach der Erwärmung wird der Induktor 3 entfernt und die Hohlwelle 2, sinnvollerweise mittels außenseitig ange ordneten Brauseköpfen 10 außenseitig abgeschreckt, wodurch die äußere Randzone der Hohlwelle 2 konturgetreu gehärtet wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer speziellen Hohl welle erläutert, wobei auch die dazugehörigen Verfahrens parameter angegeben werden.

Die Hohlwelle betrifft eine rundgeknetete Zwischenwelle, wie sie im Automobilbau eingesetzt wird. Die Zwischenwelle ist von einem Induktor umgeben, der in Länge und in bzgl. des jeweiligen Durchmessers der Geometrie der Außenkontur der Seitenwelle angepaßt ist, wobei dieser Induktor eine an sich bekannte Bauweise mit Dynamoblechen aufweist. Nach dem Abschrecken mit zwei Kastenbrausen und dem anschließenden Anlassen im Ofen konnte bei einer Oberflächenhärte zwischen 55 HRC und 58 HRC eine Einhärtetiefe von 1,9 mm bis 4,5 mm (im Radius 2,0 mm) erreicht werden. Die Parameter für die Härtung der Zwischenwelle sind im folgenden tabellarisch aufgelistet.

Wellenlänge Zwischenwelle:\|430,5 mm
Durchmesser Zwischenwelle:	28 mm-40 mm
Werkstoff:	C35
Leistung Induktor:	253 kW
Induktor:	Gesamtflächen-Forminduktor
Heizzeit:	6 s
Abschreckverzögerung:	2 s
Abschreckzeit:	30 s
Aquatensidgehalt:	7%
Anlaßtemperatur:	160°C
Anlaßzeit:	120 min
Oberflächenhärte:	55 HRC-58 HRC
Härtetiefe:	1,9 mm-4,5 mm (Radius 2 mm)
Kühlwasserdurchfluß (Innenkühlung):	18,5 l/min

Claims

1. Verfahren zum induktiven Randschichthärten von Hohlwellen, bei dem diese in der zu härtenden Randzone mit einem Magnetwech selfeld beaufschlagt wird, welches Magnetwechselfeld von einem wechselstrom-beaufschlagbaren Induktor erzeugt wird, wobei die Hohlwelle durch vom Magnetwechselfeld im Werkstück induzierten Wirbelströmen auf Umwandlungstemperatur erwärmt und eine erwärm te Randzonen in einer das erwärmte Material abschreckenden Weise gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Rotationsachse (1) der Hohlwelle (2) konzentrische Magnetwechselfeld von einem umfangsseitig die Hohlwelle (2) um schließenden Induktor (3) erzeugt wird, daß während der Erwär mungsphase das Magnetwechselfeld in der Hohlwelle (2) im gesam ten radialen Querschnitt der Hohlwelle (2) und gleichzeitig auf der ganzen axialen Erstreckung der zu härtenden außenseitigen Randzone Wirbelströme induziert, und daß ebenfalls während der Erwärmungsphase die Hohlwelle (2) auf der Innenseite mittels Fremdmittel gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (2) in dem Magnetwechselfeld um ihre Rota tionsachse (1) gedreht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erwärmte Randzone zusätzlich von außen durch ein Fremd abschreckmittel gekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetwechselfeld ein mittelfrequentes Magnetwechselfeld im Bereich von etwa 10 kHz verwandt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetwechselfeld von schalenförmig die Hohlwelle im zu härtenden Bereich umschließenden und etwa entsprechend der Geometrie der zu härtenden Randzone ausgebildeten Induktors (3), insbesondere Forminduktoren, erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung die Innenseite mit Kühlwasser, Öl bzw. gasförmigen Kühlmedien beaufschlagt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Innenseite der Hohlwelle (2) zur Kühlung des Materials der Hohlwelle (2) Kühlwasser, Öl bzw. gasförmigen Kühlmedien hindurchgeleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der induktiven Erwärmung der Hohlwelle (2) die Innenseite der Hohlwelle (2) auf einer Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur gehalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hohlwellen (2) axial profilierte Hohlwellen (2) verwandt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Zeitspanne das Material der Hohlwelle (2) auf eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur erhitzt wird, und daß anschließend das Magnetwechselfeld und oder die Kühlung derart verändert wird, daß die Hohlwelle (2) im äußeren Bereich auf einer gewünschten Tiefe der Randzone auf mindestens Umwandlungstemperatur erhitzt wird.