EP0578696B1 - Verfahren zum laserumschmelzen metallischer oberflächen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Laserumschmelzen metallischer Oberflächen, insbesondere von Nockenwellen. Bekannt sind WIG-Umschmelzverfahren sowie in der Zwischenzeit auch Laserumschmelzverfahren mit einem Rechteckfokus. Bei letzterem wird jedoch in mehreren Schritten umgeschmolzen. Die Erfindung soll die Taktzeiten verkürzen und die Wirtschaftlichkeit weiter erhöhen. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet ebenfalls mit einem zu einem Rechteck fokussierten Laserstrahl, dessen Länge sich jedoch über die gesamte Breite der Werkstückoberfläche und damit der Nocke (11) erstreckt. Leistungsdichte und Relativgeschwindigkeit sind zur Erzielung einer bestimmten Umschmelztiefe eingestellt. Fertigung von Nockenwellen für Hubkolbenmotoren.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserumschmelzen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dabei geht es um die Steigerung der Verschleißfestigkeit metallischer Oberflächen. Von besonderer Bedeutung ist dies bei Nockenwellen, die zur Ventilsteuerung in Brennkraftmaschinen Verwendung finden. Die auf der Nockenwelle angeordneten einzelnen Nocken bewirken durch ihre Drehbewegung eine Verstellung korrespondierender Stößel, Schwinghebel oder dergleichen. Üblicherweise wird die Verschleißfestigkeit der Nocken-Laufflächen durch Umschmelzen erhöht. Hierfür ist das sogenannte WIG-Verfahren (Wolfram-Inert-Gas-Verfahren) schon seit längerem bekannt. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist insbesondere der relativ hohe Zeitaufwand und die damit verbundenen langen Taktzeiten. Aus der DE 39 16 684 A1 ist es bekannt, das Umschmelzen von Schlepphebel-Laufflächen für die Ventilsteuerung von Verbrennungskraftmaschinen mit Hilfe eines rechteckigen Laserstrahls durchzuführen. Die Breite der umzuschmelzenden Flächen wird dort in mehrere Teilbereiche aufgeteilt, wobei ein großer mittlerer Teilbereich zeitlich getrennt von äußeren Randbereichen umgeschmolzen wird. Der Zeitaufwand ist auch hier noch relativ hoch.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein besonders wirtschaftliches Verfahren zum Laserumschmelzen zu schaffen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Es hat sich gezeigt, daß bei einer bestimmten Parametereinstellung ein Umschmelzen der gesamten Oberflächenbreite in einem Arbeitsgang möglich ist, ohne daß es zu unerwünschten Erscheinigungen in den Flächenrandbereichen kommt. Entsprechend ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Länge des Laserstrahlrechtecks etwa so breit eingestellt wie die Breite der Werkstückoberfläche, mit einer Rechteckbreite von etwa 1 bis 3 mm. Der Laserstrahl weist unmittelbar über der metallischen Oberfläche eine Leistungsdichte von 5 x 10⁴ bis 1 x 10⁵ W/cm² auf. Außerdem bewegt sich die metallische Oberfläche relativ und in etwa quer zum Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 6,5 cm/sek, vorzugsweise 4 bis 4,5 cm/sek. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich auf wirtschaftliche Weise, daß heißt mit relativ kurzer Bearbeitungszeit, insbesonders verschleißfeste Flächen erzielen.
• Vorteilhafterweise wird das die metallische Oberfläche aufweisende Werkstück, insbesondere die Nockenwelle, vor dem Laserumschmelzen auf 360 bis 420° C, vorzugsweise auf etwa 400° C vorgewärmt. Die Umschmelzzeit wird dadurch weiter verringert und die Verschleißfestigkeit nach Beendigung des Verfahrens insgesamt verbessert.
• Die Qualität der Flächenrandbereiche korrespondiert stark mit der Umschmelztiefe. Besonderes vorteilhaft ist ein Umschmelzen der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 350 µm. Zu dem genannten Maß wird noch eine Toleranz von vorzugsweise 200 µm für ein nach dem Umschmelzen gegebenenfalls durchzuführendes Schleifen der Oberfläche addiert.
• Ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt eine von mehreren auf einer Nockenwelle 10 angeordnete Nocke 11. Die Lauffläche der Nocke ist mit der Ziffer 12 bezeichnet. Zum Umschmelzen wird ein Laserstrahl über eine nicht gezeigte Optik zu einem auf die Lauffläche 12 gerichteten Rechteck 13 fokussiert. Letzteres ist lediglich zum besseren Verständnis schraffiert gezeichnet. Zum Umschmelzen der gesamten Lauffläche wird die Nockenwelle 10 gedreht. Aufgrund der nicht kreisrunden Form des Nockens 11 ist die Optik in ihrem Abstand zur Nockenwelle 10 verstellbar, so daß ein gleichbleibender oder kontrolliert einstellbarer Abstand zur Lauffläche 12 gegeben ist. Auf diese Weise ist im Bereich des Rechtecks 13 und des darunter durchlaufenden Nockens 11 eine einstellbare Leistungsdichte von etwa 5 x 10⁴ bis 1 x 10⁵ W/cm² gewährleistet. Die Länge des Rechtecks 13 entspricht der Breite der Lauffläche 12. Die Breite des Rechtecks 13 beträgt etwa 1 bis 3 mm. Die Nockenwelle 10 rotiert zum Umschmelzen mit einer bestimmten Geschwindigkeit, so daß sich an der Lauffläche 12 eine Geschwindigkeit relativ zum Rechteck 13 des Laserstrahls von 2 bis 6,5 cm/sek, vorzugsweise 4 bis 4,5 cm/sek ergibt.
• In einer weiteren Ausführungsform liegt die Geschwindigkeit der metallischen Oberfläche relativ zum Laserstrahl zwar in dem oben angegebenen Bereich, jedoch rotiert die Nockenwelle 10 nicht gleichförmig, sondern in Abhängigkeit von der Nockenform abschnittsweise mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten. Die ncht kreisrunde Form der Nocke 11 bedingt im Bereich der Nockenspitze 14 und der angrenzenden Laufflächenbereiche eine schlechtere Wärmeabfuhr, weil hier sich die umzuschmelzenden Oberflächen dichter gegenüberliegen als beispielsweise am stumpfen Ende 15. Zur Erzielung einer gewünschten Umschmelztiefe von etwa 350 µm ist deshalb eine Variation der Nockenwellenrotationsgeschwindigkeit erforderlich.
• Vor dem eigentlichen Umschmelzvorgang wird die Nockenwelle 10 auf etwa 400° C vorgewärmt. Nach dem Umschmelzen ist ein besonders gesteuerter Abkühlvorgang nicht erforderlich. Ein Abschreckungseffekt ergibt sich allein durch die Wärmeabfuhr von der Lauffläche 12 in Richtung auf die Nockenwelle 10.
• Sofern nach dem Umschmelzen ein Schleifen der Laufflächen 12 erfolgt, ist dies bei der Einstellung der Umschmelztiefe über die Rotationsgeschwindigkeit der Nockenwelle 10 und gegebenenfalls die Leistungsdichte des Laserstrahls zu berücksichtigen. Sofern maximal 200 µm abgeschliffen werden, ist eine Umschmelztiefe von 550 µm einzustellen.
• Die Nockenwelle 10 besteht aus Gußeisen. Die oben genannten Parameter gelten insbesondere für Gußeisen mit der Bezeichnung GG 25 bis GG 30.
BEZUGSZEICHENLISTE

10

Nockenwelle

11

Nocke

12

Lauffläche

13

Rechteck

14

Nockenspitze

15

Ende

Claims (4)

1. Verfahren zum Laserumschmelzen metallischer Oberflächen, insbesondere von Nocken-Laufflächen, mit einem zu einem Rechteck fokussierten Laserstrahl, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   - die Rechtecklänge des Laserstrahls entspricht etwa der Breite der Werkstückoberfläche, die Rechteckbreite beträgt etwa 1 bis 3 mm;

   - der Laserstrahl weist unmittelbar über der metallischen Oberfläche eine Leistungsdichte von 5 x 10⁴ bis 1 x 10⁵ W/cm² auf;

   - die metallische Oberfläche bewegt sich relativ und in etwa quer zum Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 6,5 cm/sek.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die metallische Oberfläche relativ und in etwa quer zum Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 4,5 cm/sek bewegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die metallische Oberfläche aufweisende Werkstück, insbesondere eine Nockenwelle (10) mit Nocken (11), vor dem Laserumschmelzen auf 360° bis 420° C, vorzugsweise auf etwa 400° C vorgewärmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (Lauffläche 12) etwa 350 µm tief umgeschmolzen wird, gegebenenfalls zuzüglich einer Toleranz von vorzugsweise 200 µm für ein nach dem Umschmelzen durchzuführendes Schleifen der Oberfläche.

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