DE69126030T2

DE69126030T2 - Verfahren zum härten von riffelwalzen

Info

Publication number: DE69126030T2
Application number: DE69126030T
Authority: DE
Inventors: Glenn Hyde; Robert Ulrich
Original assignee: United Container Machinery Group Inc
Current assignee: United Container Machinery Group Inc
Priority date: 1990-08-22
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2011-08-15
Also published as: EP0547097A1; DE69126030D1; ES2102403T3; US5160556A; JPH06500151A; EP0547097B1; WO1992003580A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Härten von gewellten Walzen bzw. Riffelwazen und genauer gesagt auf ein Verfahren zum Wärmebehandeln der Rippen bzw. Vertiefungen von Riffelwalzen unter Verwendung eines Lasers.
Riffelwalzen werden typischerweise verwendet in Maschinen für die Herstellung von Wellpappe. Die Riffelwalzen sind typischerweise aus einer Stahllegierung hergestellt, wie z. B. AISI 4340-Stahl mit einem Durchmesser von 30,5 bis 40,6 cm (12 bis 16 Zoll) und einer Länge von 221 bis 279 cm (87 bis 110 Zoll), und sie weisen sich in Längsrichtung erstreckende Rippen, Rillen oder Nuten auf, die mit entsprechenden Nuten einer ähnlichen Walze in Kämmeingriff treten, um die Wellen in einer dazwischen hindurchgeführten Papier- oder Pappbahn zu bilden. Die Anzahl und Größe der "Fluten" bzw. Rippen und Nuten kann variieren, jedoch sind Riffelwalzen typischerweise mit zwischen 33 bis 39 "Fluten" auf 30,5 cm (pro Fuß in gerader Richtung) ausgestattet und haben (Profil-)Höhen im Bereich von 1,12 bis 4,75 mm (0,044 bis 0,187 Zoll). Die Rippen haben ein sinusförmiges Profil, wobei die Hochpunkte oder Grate des sinusförmigen Profils als "Flütenspitzen" und die Täler als "Wurzeln" bzw. Grundabschnitte bezeichnet werden, und die geneigten oder schräg verlaufenden Flächen zwischen den Grundabschnitten und den Spitzen werden als "Flanken" bezeichnet.
Aufgrund des Kämmeingriffs des Papiers zwischen den beiden Riffelwalzen sind die Rippenspitzen bzw. Flutenspitzen einem Verschleiß als Folge eines Gleitkontaktes mit dem Papier ausgesetzt, und die Flutenspitzen müssen gelegentlich auf ihre ursprünglichen Maße gefräst bzw. maschinell bearbeitet werden, oder die Riffelwalze muß durch eine neue ersetzt werden. Um dieses Problem zu vermindern, sind die Riffelwalzen mit einer gehärteten äußeren Fläche versehen. Typische Verfahren zum Härten der Oberfläche der Riffelwalzen schließen das Beschichten des äußeren Bereiches der Walze mit einer harten äußeren Abdeckung, wie z. B. Chrom, oder eine Wärmebehandlung der gesamten Walze oder eine Wärmebehandlung nur der Flutenspitzen ein, wo der Hauptanteil des Verschleißes stattfindet, wie es in dem US- Patent Nr. 4,154,565 beschrieben wird, welches auf Hyde et al. ausgegeben und auf uns überschrieben ist.
Das US-Patent No. 4,154,565 offenbart die Wärmebehandlung der Flutenspitzen einer Riffelwalze mit Hilfe von entweder einem Laser oder einem Elektronenstrahl. In dem durch das Patent beschriebenen Verfahren für die Wärmebehandlung der Walze unter Verwendung eines Lasers erhielt man eine durchschnittliche Härtungstiefe von 0,079 mm (0,031 Zoll). Die Tiefe, bis zu welcher eine Rippe bzw. Flute in dem durch dieses Patent beschriebenen Verfahren gehärtet werden kann, ist durch die Temperatur begrenzt, auf welche die Nute von dem Laserstrahl erhitzt werden kann, ohne das Oberflächenmaterial der Flute aufzuschmelzen, was mit der Verteilung der Energiedichte im Querschnitt des Strahls zu tun hat.
Die DE-A-3 711 451 offenbart eine Riffelwalze mit teilweise oberflächengehärteten Rippen sowie ein Verfahren zum Oberflächenhärten. Unter Verwendung eines Lasers wird am Grat der Riffelkämme oder Vorsprünge auf der Walze ein gehärteter Bereich gebildet. Während des Härtungsvorganges wird die Walze entfettet und mit einer Absorptionsschicht versehen, und die Walze wird unter dem Laserstrahl in axialer Richtung bewegt, um den Gipfel bzw. Grat der Riffelkämme bzw. Rippen oberflächlich zu härten.
Ein typischer Laser emittiert einen Strahl mit einem kreisförmigen Querschnitt mit einer Leistungsdichte, die entsprechend einer Gauss-Verteilung (oder einer Leistungsdichteverteilung höherer Ordnung) variiert, so daß die Leistungsdichte des Strahles im Zentrum des Strahles am größten ist und in Richtung der radialen Ränder abnimmt. Wenn also ein Gaussp scher Laserstrahl auf die Flute bzw. Rippe einer Walze fokussiert wird, so ist das Ausmate, in welchem die Rippe durch den Strahl wärmebehandelt werden kann, aufgrund der Temperatur, die durch den Abschnitt der Rippe erreicht wird, auf welchen das Zentrum des Strahles auftrifft, begrenzt, da dieser Bereich der Rippe den größten Betrag an Energie in einer gegebenen Zeit aufnimmt und vor den übrigen Teilen der Rippe eine Schmelztemperatur erreicht.
Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren der Wärmebehandlung der Rippen einer Riffelwalze bis zur maximal möglichen Tiefe unter Verwendung eines Laserstrahles, ohne daß eine Oberflächenaufschmelzung oder Verformung bzw. Verzerrung der Fluten bzw. Rippen verursacht wird. In jüngerer Zeit hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Flanken und Füße bzw. Grundabschnitte der Riffelwalze ebenfalls wärmezubehandeln, da auch diese Flächen einem Verschleiß ausgesetzt sind. Die Flanken und der jeweilige Grund können jedoch nur bis zu dem Maß wärmebehandelt werden, welches für die Wärmebehandlung der Flutenspitzen zulässig ist. Anders gesprochen, die Flutenspitzen werden überhitzt und schmelzen vor der vollständigen Wärmebehandlung der Flanken und des Grundes.
Es hat sich herausgestellt, daß die Flanken und der Grund mehr Energie erfordern als die Flutenspitzen. Die Flanken werden aufgrund ihrer schrägen Natur bzw. aufgrund ihres schrägen Verlaufes nicht schnell aufgeheizt, d.h. der Auftreffwinkel der Lichtquelle vermindert die Wärmeabsorption für Wärmebehandlungszwecke. Was den Grundabschnitt bzw. Fußbereich der Fluten angeht, so verhindert die umgebende Masse der Riffelwalze, daß sich dieser Grund schnell aufheizt, was die Wärmebehandlungswirkung begrenzt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die Wärmebehandlung von Riffelwalzen bereitzustellen, bei welchem die gesamten Fluten bzw. Rippen, einschließlich der Spitzen, der Grundabschnitte und der Flanken wärmebehandelt werden.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine solche Wärmebehandlung ohne Überhitzen der Rippen- bzw. Flutenspitzen bereitzustellen und ohne Aufwerfen oder sonstiges Verformen oder Verzerren der Walze.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Wärmebehandlung der Flutenspitzen, Flanken und des jeweiligen Rippengrundes einer Riffelwalze bereit, ohne das Oberflächenmaterial an den Rippenspitzen aufzuschmelzen oder die Rippen bzw. Fluten auf andere Weise zu verformen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung von sich in Längsrichtung erstreckenden, sinusförmig geformten Vorsprüngen auf Riffelwalzen oder anderen Gegenständen wärmezubehandeln, von dem allgemeinen Typ, wie er in der DE-A-37 11 451 offenbart wird, und zwar unter Verwendung eines Lasers, der eine Gauss'sche Strahlausgabe hat, wobei die Vorsprünge aus einem Grund bzw. Nuten und Spitzen bzw. Rippengraten mit Flanken zwischen dem jeweiligen Grund und den Spitzen bestehen, wobei die Vorsprünge während der relativen Längsbewegung zwischen den Vorsprüngen und dem Laser wärmebehandelt werden.
Die vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch die Schritte:
Umgestalten bzw. Neugestalten des Strahles von einem Gauss'schen Strahl, um einen umgestalteten Strahl bereitzustellen, der breit genug ist, um einen vollständigen Vorsprung zu überspannen, wobei der umgestaltete Strahl ein gleichförmiges Energieniveau hat, welches auf den Grund und die Flanken gerichtet wird und ein niedrigeres Energieniveau, welches auf die Spitzen gerichtet wird,
Zentrieren des neugestalteten Strahles auf den Vorsprung, und
Wärmebehandeln des Vorsprunges auf eine gewünschte Härte, indem man eine relative Längsbewegung zwischen dem Vorsprung und dem neugestalteten Strahl veranlaßt. Indem auf die Spitzen Energie auf einem niedrigeren Niveau gerichtet wird, kann die gesamte Flute bzw. Rippe ohne Aufschmelzen der Flutenspitzen wärmebehandelt werden.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens kann einen CO&sub2;-Laser aufweisen, der eine Gauss'sche oder sonstige nicht gleichförmige Strahlausgabe hat, und einen Integratorspiegel, der Spiegel mit mehreren Facetten aufweist, die dafür ausgelegt sind, den Gauss'schen Strahl zu empfangen und den Strahl neu zu gestalten bzw. umzugestalten in einen Strahl, der eine gleichförmige Energieverteilung hat. Die Vorrichtung weist auch eine Kammer zum Empfangen bzw. Aufnehmen des umgestalteten Strahles auf, wobei die Kammer Einrichtungen zum Beschneiden bzw. Ausblenden oder Abschirmen eines länglichen Segmentes des neugestalteten Strahles aufweist. Die Vorrichtung schließt außerdem Einrichtungen ein, um den umgestalteten Strahl relativ zu der Walze und in Längsrichtung der Fluten zu bewegen, sowie Einrichtungen, um den umgestalteten Strahl auf die Flute zu richten, wobei der abgeschirmte Abschnitt des Strahles mit einer Flutenspitze ausgerichtet ist. Es wird nun auf die zugehörigen Zeichnungen Bezug genommen, von denen:
Figur 1 eine schematische Ansicht der Vorrichtung ist, die verwendet wird, um das Verfahren, welches ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, durchzuführen,
Figur 1A eine Querschnittsansicht des quadratischen Laserstrahls nach der Reflektion durch den Integratorspiegel ist,
Figur 1B eine Querschnittsansicht des rechtwinkligen Laserstrahles nach der Reflexion durch den zylindrischen Spiegel ist,
Figur 2 eine stirnseitige Ansicht der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung ist,
Figur 3 eine Ansicht entsprechend der Sichtlinie 3-3 in Figur 2 ist,
Figur 4A eine schematische Ansicht des dargestellten Abschneidekastens ist, wobei der emittierte quadratische Strahl nicht unterbrochen ist,
Figur 4B eine Ansicht ähnlich derjenigen gemäß Figur 4A ist, wobei der Abschneidekasten verschwenkt ist, um die Lichtquelle zu unterbrechen,
Figur 4C eine Ansicht ähnlich derjenigen gemäß Figur 4B ist, wobei der Abschneidekasten in die entgegengesetzte Richtung verschwenkt ist, um die Lichtquelle von der entgegengesetzten Seite her zu unterbrechen,
Figur 4D eine stirnseitige Ansicht des Abschneidestabes des in den Figuren 4A - 4C dargestellten Abschneidekastens ist, und
Figur 5 eine Querschnittsansicht eines Abschnittes einer wärmebehandelten Rillenwalze ist, welche das Ausmaß der Wärmebehandlung zeigt.
Die Anordnung der Vorrichtung, die bei dem vorliegenden Verfahren verwendet wird, ist in schematischer Form in Figur 1 dargestellt. Ein Laser 10 mit einem Gauss'schen Strahl 12 (oder einem anderen nicht gleichförmigen Strahl) wird in eine Öffnung 14 einer Linsenbox 16 gelenkt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein CO&sub2;-Laser 10 bereitgestellt, der einen Gauss'schen Ausgabestrahl 12 mit einem ovalförmigen Querschnitt hat, wie er bei 18 dargestellt ist, mit den Maßen 6,67 x 5,40 cm (2-5/8 x 2-1/8 Zoll) und eingestellt für die Bereitstellung einer Ausgangsleistung von 2 bis 5 kW.
Der Gauss'sche Strahl 12 wird in die Öffnung 14 und in Richtung auf einen ersten flachen Spiegel 20 gelenkt, welcher den Strahl 12 gegen den Integratorspiegel 22 umlenkt. Der Integratorspiegel 22 ist aus einer Vielzahl von Spiegeln hergestellt, die in einem Gitter angeordnet sind, und zwar derart, daß sie den Gauss'schen Strahl empfangen und zu einem quadratischen Strahl gleichförmiger Dichte oder einem Strahl 24 in der Form eines "Zylinderhutes" fokussieren. Der Zylinderstrahl 24 wird durch eine Abschneidebox bzw. einen Abschneidekasten 26 gelenkt, welcher den Lichtpfad unterbricht, um einen Teil des Zylinderhutstrahles 24 abzuschirmen bzw. auszublenden oder abzuschneiden, was im folgenden genauer beschrieben wird. Der abgeschirmte Strahl, der in Figur 1 bei 28 dargestellt ist, wird daraufhin auf einen zylindrischen Spiegel 30 gelenkt, welcher den abgeschirmten Strahl 28 wieder zurück zu einem rechtwinkligen Strahl 32 neu fokussiert (Figur 1B), der seinerseits auf einen sphärischen Spiegel 34 geleitet wird. Der sphärische Spiegel 34 ist konkav und refokussiert den rechtwinkligen Strahl 32 in einen quadratischen Strahl 36 (50 in Figur 3), mit einer Kantenlänge von näherungsweise 9,53 mm (3/8 Zoll). Ein Gasstrom, wie z. B. Argon, kann auf den sphärischen Spiegel 34 gerichtet werden.
Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, wird der Strahl 36 durch eine Öffnung 38 der Linsenbox 16 geleitet, und zwar in Richtung auf eine Riffelwalze 40, die wärmebehandelt werden soll. Wie es am besten in Figur 2 dargestellt ist, weist die Riffelwalze oder Riffelwalze 40 eine Mehrzahl von Rillen bzw. Fluten 42 auf, wobei die Fluten 42 ein sinusförmiges Profil haben, welches aus Flutenspitzen 44 und Fuß- oder Grundabschnitten 46 mit schrägen Abschnitten oder Flanken 48 zwischen jeder Spitze und jedem Grund bestehen. Wie bereits erwähnt, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, nicht nur die Flutenspitzen 44, sondern auch die Flanken 48 und den Grund 46 der Fluten wärmezubehandeln, da diese ebenfalls aufgrund der Gleitreibung der dazwischen hindurchgeführten Papierbahn verschleißen.
Um die gesamte Flute 42 wärmezubehandeln, wird der Strahl 36 auf eine Flute 42 projiziert und seitlich bezüglich dieser ausgerichtet, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Gemäß Figur 3 wird der Strahl 36 über die Abschneidebox 26 abgeschirmt, um ein Strahlmuster zu erzeugen, wie es bei 50 dargestellt ist, in welchem der Strahl 50 im wesentlichen U-förmig ist, mit einem Querabschnitt 50a und längs verlaufenden Strahlabschnitten 50b. Die beiden länglichen Strahlabschnitte 50b sind durch einen abgeschirmten oder abgeschnittenen Abschnitt 50c getrennt, der durch die Lichtunterbrechung in der Abschneidebox 26 gebildet wird. Wenn der Strahl 50 auf die Rillenwalze 40 projiziert wird, so wird er in seitlicher Richtung auf eine Flutenspitze 44 zentriert, wobei die länglichen Strahlabschnitte 50b die Flanken 48 und die beiden Grundteile 46 auf den gegenüberliegenden Seiten der Flute bzw. Rippe 42 überspannen. Mit anderen Worten, das Strahlmuster 50 überspannt zumindest eine Welle der Fluten bzw. Rippen, von einem Grund 56 zu dem nächstbenachbarten Grund 46.
Gemäß Figur 4A ist die Abschneidebox 26 schematisch dargestellt mit einem im wesentlichen kastenförmigen Teil 54, welcher eine Lichteinlaßöffnung 56 und eine Ausgangsöffnung 58 hat. Der neu ausgerichtete Strahl 24 von dem Integratorspiegel 22 wird auf die Abschneidebox 26 gerichtet, und wenn die Abschneidebox wie in Figur 4A dargestellt positioniert ist, so läuft der emittierte Strahl 24 durch die Box 26 ohne Unterbrechung hindurch und durch die Öffnung 38 als quadratischer Strahl aus. Der in Figur 4A dargestellte nicht unterbrochene Lichtstrahl ist jedoch nur ein theoretischer Strahl, da es nicht der Zweck der Abschneidebox 26 ist, auf diese Art und Weise zu arbeiten.
Weiterhin gemäß Figur 4A ist die Abschneidebox 26 um den Punkt 60 schwenkbar, und zwei Abschneidestangen 62 und 64 aus Kupfer erstrecken sich von Seitenwänden der Abschneidebox 26 einwärts. Ein Luftzylinder 66 ist an die Abschneidebox 26 bei 68 angeheftet und bei 70 an die Linsenbox 16 angeheftet und ist so betätigbar, daß er die Abschneidebox zwischen den in Figur 4b und 4C dargestellten Extremen verschwenkt. Wiederum gemäß Figur 3 hat das Wärmebehandlungsverfahren begonnen, wobei der Strahl 36 auf ein Ende der Rillenwalze projiziert wird. Um die Strahlgestalt 50 festzulegen, wird die Abschneidebox 26 über den Luftzylinder 66 in die in Figur 4B dargestellte Position verschwenkt, und die Stange 64 unterbricht nun den Laserstrahl 24, um die Strahlgestalt 50 zu erzeugen. Der abgeschirmte Bereich 50c des Strahles wird durch die Einführung der Stange 64 in den Strahl 24 erzeugt. Der abgeschirmte Bereich 50c hat näherungsweise die Breite der Fluten- bzw. Rippenspitze 44, wie es am besten in Figur 2 dargestellt ist.
Der Wärmebehandlungsvorgang wird durch Bewegen des Strahles 50 relativ zu der Riffelwalze 40 begonnen, so daß die relative Bewegung zwischen dem Strahl 50 und der Rillenwalze 40 in Richtung des Pfeiles in Figur 3 auf das Zentrum der Rillenwalze 40 zu verläuft. Wenn der Strahl 50 die Position A erreicht, beginnen die Rippenspitzen, die Grundabschnitte und die Flanken, welche der Position bei A in Längsrichtung entsprechen, durch den Strahl 50 aufgeheizt zu werden. Wenn der Strahl 50 die Position B in Längsrichtung erreicht, wird die der Längsposition A entsprechende Rippenspitze nicht mehr erhitzt, da der abgeschirmte oder abgeschnittene Abschnitt 50c darüber hinwegläuft. Die Grundabschnitte und die Flanken, welche der Position B ensprechen, werden jedoch noch immer erhitzt, da die Abschnitte 50b in Längsrichtung direkt über ihnen bleiben, und dies ist der Fall, bis der Strahl 50 die Position C erreicht. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Strahl 50 von einem Ende 40a zu dem entgegengesetzten Ende bewegt, indem die optische Box 16 auf Präzisionsschienen bzw. einer Präzisionsführung oberhalb der Rillenwalze 40 und relativ zu dieser quer hinwegbewegt wird.
Der Strahl 50 kann mit einer Geschwindigkeit von näherungsweise 127 bis 178 cm/min (50 bis 70 Zoll/min) bewegt werden. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Strahl 50 mit 165 cm/min (65 Zoll/min) bewegt, und der Strahl 90 hat eine Quadratseitenänge von 9,53 mm (3/8 Zoll). Der abgeschirmte Bereich 50c hat ein Maß von X&sub2; = 6,35 mm (1/4 Zoll), so daß für den quer verlaufenden Abschnitt 50a ein Maß X&sub2; von 3,98 mm (1/8 Zoll) verbleibt. Bei einer Relativgeschwindigkeit von 165 cm/min (65 Zoll/min) wird jede Flutenspitze für näherungsweise 0,115 sec wärmebehandelt, während die Flanken und die Grundabschnitte für näherungsweise 0,345 sec wärmebehandelt werden. Wenn der Strahl des Ende einer Rippe 42 erreicht, wird die nächste bzw. nächstbenachbarte Rippe bzw. Flute 42 wärmebehandelt, und die Rillenwalze wird schrittweise weiterbewegt, um die nächste Rippe bzw. Rille aufzunehmen.
Es ist weiterhin notwendig, die Strahlausgestaltung neu zu positionieren, so daß der Querabschnitt des Strahles auf das Zentrum der Rillenwalze gerichtet ist oder diesem gegenüberliegt, wie es bei 51 in Figur 3 dargestellt ist. Um den Strahl neu zu gestalten, wird die Abschneidebox 26 durch den Luftzylinder 66 aus der in Figur 4B dargestellten Position in die in Figur 4C dargestellte Position verschwenkt. Der Strahl 51 verläuft nur quer in entgegengesetzter Richtung, um die gesamte Länge der nächsten Rippe oder Flute mit dem Strahl 51 wärmezubehandeln. Die gesamte Rillenwalze wird wärmebehandelt, indem die Rillenwalze schrittweise weitergedreht wird, um eine noch nicht wärmebehandelte Flute bzw. Rippe mit dem Strahl zu behandeln.
In der bevorzugten Ausführungsform haben die Stäbe 62 und 64 weiterhin eine Querschnittsform, wie sie in Figur 4D dargestellt ist, mit einem halbkreisförmigen unteren Abschnitt 74 und verjüngt zulaufenden Abschnitten 76, welche dem Strahl gegenüberliegen. Indem der Einfallswinkel des Strahles relativ zu den Stäben 62, 64 (über Abschnitte 76) verändert wird, werden die Stäbe durch den Strahl nicht überhitzt. Um die Stäbe 62, 64 weiter zu kühlen, trifft auf die Abschneider 62 und 64 ein Inertgasstrom, wie z. B. Heliumgas, durch Anschlüsse 76 und 77 auf, wie es in Figur 4B dargestellt ist.
Bei der Vorbereitung für die Wärmebehandlung wird die Rillenwalze 40 gereinigt und mit einer lichtabsorbierenden Beschichtung, wie z. B. Graphit oder einer dünnen schwarzen Farbe, beschichtet und oberhalb der Rippenspitze 44 angeordnet, so daß ein quadratischer Fleck mit der Kantenlänge 9,53 mm (3/8 Zoll) über der Rippe gebildet wird, und die Energiedichte auf der oberen Spitze der Rippe näherungsweise 5.425 W/cm² (35.000 W/Zoll²) beträgt.
Zum Beispiel werden Rippenspitzen 44 einer Rillenwalze, deren C-Rippen mit dem vorstehenden Verfahren bei einer Energieeinstellung von 4,4 kW wärmebehandelt werden, auf eine Tiefe D von näherungsweise 1,52 bis 2,29 mm (0,06 bis 0,09 Zoll) gehärtet werden, die Grundabschnitte 46 können auf eine Tiefe E von 0,61 bis 0,76 mm (0,024 bis 0,03 Zoll) und die Flanken 48 können auf eine Tiefe F von 0,69 bis 0,89 mm (0,027 bis 0,035 Zoll) wärmebehandelt werden und können auf eine durchschnittliche Härte von näherungsweise 61 bis 66 R&sub0; gehärtet werden. Dementsprechend können die Rippenspitzen 44 der Rippen 42 der Rillenwalze, welche während des Wellenbildungsprozesses dem größten Betrag an abrasiven Kräften ausgesetzt sind, gezielt mit einer harten Oberfläche ausgestattet werden, um dem Verschleiß zu widerstehen, jedoch können außerdem die Grundabschnitte und Flanken zu einem geringeren Maß wärmebehandelt werden, da sie nur einem minimalen Verschleiß ausgesetzt sind.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Rillenwalze mit Wasser gekühlt, um ein Überhitzen der Walze zu vermeiden. Eine Strömungsrate von näherungsweise 1,89 l/min (1/2 GPM) durch den inneren Durchmesser der Walze hat sich als ausreichend herausgestellt. Der Zweck der Wasserkühlung liegt darin, die Temperatur des Hauptteiles der Walze niedrig genug zu halten, so daß eine gute Selbstabschreckung erreicht wird. Die Walze sollte unter 32,2ºC (90ºF) gehalten werden, um eine angemessene Härtungstiefe und eine große Härte zu erhalten.
In vorteilhafter Weise verursacht das Laserhärten der stählernen Rillenwalzen keine Entkarbonisierung an der Oberfläche der Walze. Eine Entkarbonisierung wird verursacht, wenn die Oberfläche auf Härtungstemperaturen oberhalb von 843,3ºC (1550ºF) ausgesetzt wird. Beim Laserhärten sind jedoch die Erhitzungsgeschwindigkeit und die Wärmeabfuhr derart schnell, daß die Kohlestoffausscheidung ausbleibt. Wenn die Oberfläche der Walze entkarbonisiert wird, z. B. durch Induktion, so hat die Stahloberfläche keinen Kohlenstoff und kann dann keine große Härte annehmen. Wenn dieses auftritt, muß die Walzenoberfläche abgeschliffen werden, um die entkarbonisierte Schicht und die Aufwölbung aufgrund des Indudktionsvorganges zu entfernen. Der Schleifvorgang selbst kann jedoch eine Oberflächentemperung von einigen Tausendstel Zoll (2,54 cm) bewirken.

Claims

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von sich in Längsrichtung erstreckenden, geschlängelt geformten Vorsprüngen (42) auf Riffelwalzen (40) oder anderen Gegenständen, unter Verwendung eines Lasers (10), der einen Gauss'schen Strahl abgibt, wobei die Vorsprünge aus Wurzeln bzw. einem Grund (46) und Spitzen (44) bestehen, mit Flanken (48) zwischen den Wurzeln und Spitzen, wobei die Vorsprünge während einer relativen Längsbewegung zwischen den Vorsprüngen und dem Laser wärmebehandelt werden, und wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:

Neugestalten des Strahles aus einem Gauss'schen Strahl, um einen neugestalteten Strahl (36, 50, 51) bereitzustellen, der genügend weit (aufgeweitet) ist, um einen vollständigen Vorsprung (42) zu übergreifen, wobei der neugestaltete Strahl (36, 50, 51) ein gleichförmiges Energieniveau hat, welches auf die Wurzeln (46) und Flanken (48) gerichtet ist, und ein geringeres Energieniveau hat, welches auf die Spitzen (44) gerichtet ist,

Zentrieren des neugestalteten Strahles (36, 50, 51) auf den Vorsprung (42), und Wärmebehandeln des Vorsprunges auf eine gewünschte Härte, indem eine relative Längsbewegung zwischen dem Vorsprung und dem neugestalteten Strahl bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Neugestaltungsschritt beinhaltet, daß zuerst der Gauss'sche Strahl (12) auf einen Integratorspiegel (22) gerichtet wird, welcher einen Strahl (24) bildet, der eine im wesentlichen gleichförmige Energiedichte hat, und anschließendes Abschirmen eines Teiles (50c, 51c) des zuletzt genannten Strahles (24) über der Vorsprungsspitze (44).

3. Verfahren nach Anspruch 2, einschließlich des Abschirmens des Abschnittes (50c, 51c) des letzteren Strahles (24), indem der Strahl durch eine Kammer (26) und an einem länglichen Hindernis (62, 64) innerhalb der Kammer vorbei gerichtet wird, wobei das Hindernis den abgeschirmten Bereich (50c, 51c) des letzteren Strahles definiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das längliche Hindernis (62, 64) ein Kupferstab ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Abschirmungsschritt weiterhin den Schritt aufweist, daß der Stab (62, 64) gekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Kühlens das Spülen der Kammer (26) mit einem Inertgas aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, welches das Bilden des letztgenannten Strahles (24) mit dem Integratorspiegel (22) einschließt, so daß er einen in etwa rechtwinkligen Querschnitt hat, Abschirmen eines Teiles der Länge des letzteren Strahles zwischen den seitlichen Rändern desselben, um einen im wesentlichen U- förmigen, neugestalteten Strahl bereitzustellen, der einen abgeschirmten zentralen Bereich hat, und Richten des neugestalteten Strahles auf einen einzelnen Vorsprung, wobei der abgeschirmte Abschnitt in Längsrichtung mit einer Spitze des Vorsprunges ausgerichtet ist, wobei die Flanken und der Grund des Vorsprunges für eine längere Zeitdauer als die Spitze erhitzt werden.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, einschließlich des Härtens des Vorsprunges (42) auf eine durchschnittliche Härte von näherungsweise 61-66 Rc.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der neugestaltete Strahl (36, 50, 51) eine Energiedichte von näherungsweise 5425 W/cm² (35.000 W/in²) an der Spitze (44) des Vorsprunges hat.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt der Wärmebehandlung des Vorsprunges (42) dadurch stattfindet, daß eine Relativbewegung zwischen dem Vorsprung (42) und dem neugestalteten Strahl (36, 50, 51) mit einer Geschwindigkeit von näherungsweise 127 - 178 cm/Minute (50 - 70 Zoll/Minute) bewirkt wird.