EP1171640A2 - Verfahren und vorrichtung zum härten von flächen einer kurbel- oder nockenwelle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum härten von flächen einer kurbel- oder nockenwelle

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EP1171640A2
EP1171640A2 EP00926920A EP00926920A EP1171640A2 EP 1171640 A2 EP1171640 A2 EP 1171640A2 EP 00926920 A EP00926920 A EP 00926920A EP 00926920 A EP00926920 A EP 00926920A EP 1171640 A2 EP1171640 A2 EP 1171640A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hardened
inductors
crankshaft
inductor
assigned
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00926920A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Waldemar Gezarzick
Hans Rudolf Schwarz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elotherm GmbH
Original Assignee
Elotherm GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19955670A external-priority patent/DE19955670B4/de
Application filed by Elotherm GmbH filed Critical Elotherm GmbH
Publication of EP1171640A2 publication Critical patent/EP1171640A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/30—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for crankshafts; for camshafts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C21D1/10—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation by electric induction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for hardening surfaces of a crankshaft or camshaft to be hardened which are arranged next to one another in the axial direction, in which the surfaces to be hardened are inductively heated by an inductor assigned to them and quenched after the heating, in each case at least two adjacent ones to be hardened Surfaces are heated at the same time.
  • the invention also relates to a device for hardening the surfaces of a crankshaft or camshaft, which is particularly suitable for carrying out such a method.
  • crankshafts and camshafts are therefore hardened in the course of their manufacture.
  • crankshafts or camshafts by means of inductive heating are hardening crankshafts or camshafts by means of inductive heating.
  • the surfaces to be hardened can be brought to hardening temperature in a short time, the depth of penetration of the heating being able to be specified precisely.
  • the cheeks adjacent to the machined bearing surface are cooled while the surface in question is heated. In this way, the excessive penetration of heat into the side cheeks can be prevented.
  • crank pins arranged next to one another without an intermediate cheek were able to reduce the problems in hardening the bearing surfaces of crank pins of a "split-pin" crankshaft. Problems such as occur in crankshafts, in which there is a cheek between the crank pins, due to the lateral load on the cheeks from the connecting rod bearings, are not present due to the lack of such a cheek in "split-pin" crankshafts. Therefore, good operating properties of this crankshaft can also be obtained if only the cheeks are cooled during hardening, which cheeks adjoin the side of the bearing surfaces to be hardened that is facing away from the other crank pin.
  • crankshafts there has been a requirement to reduce the thickness of the cheeks of the crankshaft in order to save weight and space.
  • it is too close to the cheeks excessive or inadequate hardening.
  • the groove areas at the transition from the bearing surfaces to the side cheeks are particularly affected by this difficulty, if not only the bearing surface itself but also the throat area is to be hardened.
  • the object of the invention is to provide a method with which the simultaneous hardening of closely arranged surfaces is possible with a reduced risk of an incorrect hardening result.
  • a device is to be created which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • This object is achieved on the basis of a method of the type described in the introduction in that when the surfaces to be hardened are heated simultaneously, the inductor assigned to one of the surfaces is operated with a different frequency than the inductor which is assigned to the next adjacent surface to be hardened.
  • the inductors arranged directly next to one another are operated at a different frequency.
  • this mode of operation means that the fields induced by the inductors in the respective workpiece no longer influence one another in such a way that, due to their uncontrollable superimposition, overheating occurs in the transition areas between the hardening bearing surfaces comes.
  • the invention ensures that the effect of the respective electromagnetic fields on the hard zone directly generated by the respective inductor remains limited.
  • the heat introduced into the bearing surfaces and cheek areas by the inductors is transferred to the heat of the adjacent inductor with the result that also in the area the cheeks set a continuous hard zone.
  • the heat can be generated by the direct action of the electromagnetic field generated by the inductors or in the sense of an indirect one Heating through the migration of heat to the cheeks. It has been found that with such a procedure the hardness zone which arises in the region of the cheeks is such that there is no danger of premature destruction of the cheek due to an excessive loss of toughness of the material in this area. In this way, a uniform hardening zone can be formed, in which, unlike the successive hardening of the bearing surfaces according to the prior art, there is no longer any risk of a reduction in quality due to mutual tempering.
  • the method according to the invention is particularly suitable for hardening crankshafts, in which the surfaces to be hardened are in each case the bearing surface of a main bearing journal and the bearing surfaces of two crank bearing journals, one of which is a journal bearing journal in the axial direction of the crankshaft on one and the other other pin bearing is arranged on the other side of the main bearing pin.
  • the regions of the crankshaft or camshaft which are simultaneously heated by the inductors merge into one another in such a way that a continuous hardening zone arises from them after quenching.
  • This formation of the hardening zone is advantageous, for example, if, for the reasons explained above, the cheeks separating the bearing surfaces of a crankshaft are also to be included in the hardening. Since the surfaces to be hardened generally have different dimensions, it is advantageous if the inductors assigned to the bearing surfaces deliver different powers. It is also expedient with a view to achieving the best possible hardening result if the duration over which the inductors assigned to the surfaces to be hardened each emit power is different.
  • the process engineering effort and the processing time can also be further reduced by the fact that the inductively heated surfaces are quenched simultaneously.
  • a particularly preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the power output by the inductors is controlled as a function of the rotational position of the crankshaft.
  • the quenching of the heated surfaces can also be triggered as a function of the rotational position of the shaft being processed. Controlling the power of the inductors and / or the quenching device as a function of the angle of rotation has the advantage over a time-dependent control which is customary in the prior art that the same power can be reliably allocated to all sections of the surfaces to be hardened.
  • a device for hardening surfaces of a crankshaft or camshaft, with inductors, of which one inductor is assigned to a surface to be hardened, with energy supplies, each of which supplies one of the inductors with electrical energy, and with a quenching device for quenching the heated surfaces to be hardened is particularly suitable for carrying out the method according to the invention if the at least two inductors assigned to one another and arranged to be hardened surfaces can be placed simultaneously on the surfaces to be hardened assigned to them and the energy supplies of adjacent inductors Inductor assigned to them is supplied with electrical energy at a frequency that differs from the frequency with which the energy supply of the respective adjacent inductor supplies the latter with energy.
  • Fig. 1 shows a crankshaft, which is clamped in a device for hardening its bearing surfaces, in a partial side view
  • Fig. 2 shows a camshaft, which is also clamped in a device for hardening the cam surfaces, in a partial side view.
  • the crankshaft K shown in FIG. 1 has a main bearing journal 1, to which a pin bearing journal 2, 3 is arranged laterally adjacent in the axial direction A.
  • the pin journals 2, 3 are connected to the main bearing 1 via a cheek 4, 5.
  • the pin bearing pins 2, 3 are each connected to a further pin bearing pin 8, 9 via a further cheek 6, 7.
  • the cheeks 4, 5 have a small thickness d compared to the width of the bearing surfaces 10, 11, 12, while the thickness of the cheeks 6, 7 between the pin journals 2.8 or 3.9 is greater than the thickness d of the cheeks 4.5.
  • Each of the bearing surfaces 10, 11, 12 is assigned an inductor 14, 15, 16, the heat conductor and sheet metal of which is designed such that the electromagnetic field generated by the inductors 14, 15, 16 not only the respective bearing surface 10, 11, 12 itself, but also the area of the respective fillet 13 is detected.
  • the inductors 14, 15, 16 are each supplied with power via their own energy supply 17, 18, 19.
  • the energy supply to the inductors 14 and 16 is provided by the energy supplies 17 and 16 assigned to them 19 at a frequency F1, while the inductor 15 arranged between the two inductors 14, 16 is supplied with a frequency F2.
  • the ratio of the frequencies Fl: F2: Fl is 14: 8: 14, so that the mutually adjacent inductors 14, 15 and 15, 16 are each operated with such different frequencies that when the bearing surfaces 10, 11, 12 harden mutual influence by uncontrollably wandering eddy currents is safely avoided.
  • the power output of the energy supply devices 17, 18, 19 is controlled by a control device 20 to which the control inputs of the
  • the control device 20 has the signal from a rotation angle detection device 21, which detects the current rotation angle position ⁇ of the crankshaft Kl rotating about its longitudinal axis L 1 during processing.
  • the inductors 14, 15, 16 are simultaneously placed on the bearing surfaces 10, 11, 12, on which they ride while the bearing surfaces 10, 11, 12 are heating while the crankshaft K1 is rotating.
  • the heating of the bearing surfaces 10, 11, 12, the fillet 13 and the cheeks 4, 5 takes place in a number of steps, which are initiated by the control device 20 as a function of the rotation angle ⁇ swept by the crankshaft K 1.
  • the heat introduced into the cheeks 4, 5 between the pin journals 2, 3 and the main bearing 1 during the heating process is supplemented in such a way that a hardening temperature of 4.5 is also achieved in the region of these cheeks.
  • the control device 20 ends the heating process and triggers the liquid quenching carried out by a liquid quenching device, not shown here Bearing surfaces 10,11,12 and cheeks 4,5 out. After quenching, the bearing surfaces 10, 11, 12 of the pin journals 2, 3 and the main bearing journal 1 lying between them are provided with a coherent hardening zone.
  • camshaft N shown in FIG. 2 three cams 30, 31, 32 are arranged side by side in the axial direction A.
  • the central cam 31 has a larger width B than the two cams 30 and 32 arranged next to it in the axial direction A.
  • An inductor 33, 34, 35 is assigned to each cam 30, 31, 32. Each inductor is supplied with electrical energy via a respective energy supply device 36, 37, 38.
  • the inductors 33, 34, 35 are simultaneously placed on the cam surfaces 39, 40, 41 assigned to them.
  • the inductors 33, 34, 35 are then supplied with electrical energy by the energy supply devices 36, 37, 38.
  • the frequency F3, with which the two outer inductors 33, 35 are operated, is 1.5 to 4 times, in particular 1.5 - 2 times higher than the frequency of the current with which the middle inductor 34 is fed to prevent eddy currents from developing in the camshaft N during the heating.
  • hardening temperature can also be achieved in these areas 42, 43 by a targeted superimposition of the fields not generated by the direct action of the inductors 33, 34, 35 but by heating migration, so that these areas are also used 42, 43 a hardened zone can be produced in a targeted manner.
  • the power control of the inductors 33, 34, 35 is carried out by the control device (not shown), as described for the hardening of the crankshaft K 1, as a function of the angle of rotation ⁇ of the crankshaft K2 rotating about its longitudinal axis L2 during hardening. Due to its greater width, more power is supplied to the cam surface 40 than the bearing surfaces 39, 41.
  • the level of the frequencies F1, F2 and F3, F4 actually set depends on the voltage with which the inductors 33, 34, 35 are supplied, the coupling distance between the respective inductors 33, 34 and 35 and the bearing surface assigned to them 30.31 or 32 and the geometry of the inductors 33, 34, 35 used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von in Achsrichtung (A) nebeneinander angeordneten zu härtenden Flächen (10, 11, 12; 39, 40, 41) einer Kurbel- (K) oder Nockenwelle (N), bei dem die zu härtenden Flächen (10, 11, 12; 39, 40, 41) durch einen ihnen jeweils zugeordneten Induktor (14, 15, 16; 33, 34, 35) induktiv erwärmt und nach der Erwärmung abgeschreckt werden, wobei jeweils mindestens zwei benachbart angeordnete zu härtende Flächen (10, 11, 12; 39, 40, 41) gleichzeitig erwärmt werden. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wird das gleichzeitige Härten von eng benachbart angeordneten Flächen bei verminderter Gefahr eines fehlerbehafteten Härteergebnisses dadurch ermöglicht, dass bei der gleichzeitigen Erwärmung der zu härtenden Flächen (10, 11, 12; 39, 40, 41) der einer der Flächen (10, 11, 12; 39, 40, 41) jeweils zugeordnete Induktor (14, 15, 16; 33, 34, 35) mit einer anderen Frequenz (F1, F2; F3, F4) betrieben wird als der Induktor (10, 11, 12; 39, 40, 41), welcher der nächst benachbarten zu härtenden Fläche (10, 11, 12; 39, 40, 41) zugeordnet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Härten von Flächen einer Kurbel- oder Nockenwelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von in Achsrichtung nebeneinander angeordneten zu härtenden Flächen einer Kurbel- oder Nockenwelle, bei dem die zu härtenden Flächen durch einen ihnen jeweils zugeordneten Induktor induktiv erwärmt und nach der Erwärmung abgeschreckt werden, wobei jeweils mindestens zwei benachbart angeordnete zu härtende Flächen gleichzeitig erwärmt werden. Ebenso betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Härten der Flächen einer Kurbel- oder Nockenwelle, welche in besonderer Weise zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist.
Um den Lagerflächen der Haupt- und Hublager einer Kurbelwelle und den Nockenflächen oder Lagerflächen einer Nockenwelle die notwendige Verschleißfestigkeit zu geben, ist es erforderlich, diese Flächen zu härten. Kurbel- und Nockenwellen werden daher im Zuge ihrer Herstellung einer Härtung unterzogen.
Der besondere Vorteil des Härtens von Kurbel- oder Nockenwellen mittels induktiver Erwärmung besteht darin, daß die zu härtenden Flächen in kurzer Zeit auf Härtetemperatur gebracht werden können, wobei die Eindringtiefe der Erwärmung exakt vorgegeben werden kann. Dabei ist es jedoch erforderlich, die für die Verschleißbestandigkeit erforderliche Härtung der zu hartenden Flachen auf einen möglichst eng begrenzten Bereich zu beschranken. Andernfalls wird die Einbuße an Zähigkeit des Wellenwerkstoffs so groß, daß die Lebensdauer und das Lastaufnahmevermogen der Welle herabgesetzt ist. Besonders problematisch ist dies bei Kurbelwellen, welche im Betrieb große, stoßweise auftretende Belastungen aufnehmen müssen.
Letzteres Problem besteht insbesondere im Bereich der Wangen, durch welche bei herkömmlichen Wellen die achsial benachbart zueinander angeordneten Zapfen voneinander getrennt sind. Diese Wangen können wahrend des Einsatzes der Kurbelwelle in einem Kraftfahrzeug durch seitliche, von den Pleuellagern ausgeübte Kräfte belastet werden. Diese Belastung kann dazu fuhren, daß die belasteten Bereiche der Wange mit der Folge brechen, daß die Kurbelwelle nicht mehr einsatzfahig ist.
Um die Gefahr einer zu großen Veränderung der Werkstoffeigenschaften im Bereich der geharteten Lagerflachen zu verringern, werden die an die jeweils bearbeitete Lagerflache angrenzenden Wangen wahrend der Erwärmung der betreffenden Flache gekühlt. Auf diese Weise kann das übermäßige Eindringen von Warme in die seitlichen Wangen verhindert werden.
Bei speziellen Kurbelwellen, bei denen die Hublagerzapfen eng benachbart, ohne eine dazwischenliegende Wange in Achsrichtung nebeneinander angeordnet sind, besteht ein weiteres Problem darin, daß es beim Harten der Lagerflache eines der Hubzapfen zur Wiedererwarmung des jeweils anderen, eng benachbart angeordneten Hubzapfens kommt. Dieses "Anlassen" hat zur Folge, daß die Härte der jeweils zuvor gehärteten Lagerfläche des jeweils anderen Hubzapfens abnimmt. Aus diesem Grund ist beispielsweise in der DE 36 13 909 Cl vorgeschlagen worden, die nächstbenachbart angeordneten Hubzapfen einer derartigen, in der Fachsprache als "Split-Pin"-Kurbelwelle bezeichneten Welle umlaufend gleichzeitig zu härten. Weitere Ausgestaltungen dieser Vorgehensweise sind in der DE 40 01 887 Cl, der DE 42 36 921 Cl, der DE 195 30 430 Cl und der DE 196 38 008 Cl beschrieben.
Durch das gleichzeitige Härten der ohne eine dazwischen liegende Wange nebeneinander angeordneten Hubzapfen konnten die Probleme beim Härten der Lagerflächen von Hubzapfen einer "Split-Pin"-Kurbelwelle vermindert werden. Probleme, wie sie bei Kurbelwellen, bei denen eine Wange zwischen den Hubzapfen vorhanden ist, aufgrund der seitlichen Belastung der Wangen durch die Pleuellager im Einsatz auftreten, sind wegen des Fehlens einer solchen Wange bei "Split-Pin"-Kurbelwellen nicht vorhanden. Daher können gute Betriebseigenschaften dieser Kurbelwelle auch dann erhalten werden, wenn beim Härten nur die Wangen gekühlt werden, welche an die vom jeweils anderen Hubzapfen abgewandte Seite der jeweils zu härtenden Lagerflächen angrenzen.
Im Zuge der Weiterentwicklung von Kurbelwellen ist die Anforderung gestellt worden, die Dicke der Wangen der Kurbelwelle zu reduzieren, um Gewicht und Bauraum zu sparen. Bei Versuchen, Lagerflächen derartiger Kurbelwellen zu härten, ist es, je nach Leistung der jeweils eingesetzten Induktoren, im Bereich der Wangen zu einer übermäßigen oder unzureichenden Härtung gekommen. Dabei stellte sich eine besondere Schwierigkeit bei den Wangen heraus, die zwischen den Hauptlagern und den jeweils benachbarten Hubzapfen angeordnet sind. Besonders betroffen von dieser Schwierigkeit sind die Hohlkehlenbereiche am Übergang der Lagerflachen in die seitlichen Wangen, wenn nicht nur die Lagerflache selbst, sondern auch der Kehlenbereich gehartet werden soll.
Zur Beseitigung der voranstehend erläuterten, sich bei Kurbelwellen im besonderen Maße stellenden Probleme ist in der gegenüber der vorliegenden Patentanmeldung nicht vorveroffentlichten deutschen Patentanmeldung 199 17 241.2 vorgeschlagen worden, die Lagerflachen der beiden in Achsrichtung der Kurbelwelle jeweils seitlich eines Hauptlagers der Welle angeordneten und von diesem durch jeweils eine Wange getrennten Hublager gleichzeitig mit der Lagerflache des Hauptlagers derart zu harten, daß nach der Härtung eine durchgehende Hartezone ausgebildet ist. Überraschend hat sich ergeben, daß bei einem derartigen Vorgehen die sich im Bereich der Wangen einstellende Hartezone derart beschaffen ist, daß die Gefahr einer vorzeitigen Zerstörung der Wange aufgrund eines übermäßigen Verlusts an Zähigkeit des Werkstoffs in diesem Bereich nicht gegeben ist.
In der Praxis ist festgestellt worden, daß sich bei der gleichzeitigen Härtung engbenachbart angeordneter Flachen das Problem ergibt, daß es im Bereich der zu hartenden Flachen aufgrund von nicht zu beherrschenden wandernden Strömen zu gegenseitigen Beeinflussungen kommt. Diese Beeinflussungen fuhren zu einem fehlerhaften Harteergebnis . So ist bei der gleichzeitigen Härtung von drei in Achsrichtung hintereinander angeordneten Lagerflächen einer Kurbelwelle festgestellt worden, daß es im Bereich des jeweiligen Übergangs von der einen zur anderen Lagerfläche zu einer Überhitzung aufgrund der dort ineinander laufenden magnetischen Felder kommt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem das gleichzeitige Härten von eng benachbart angeordneten Flächen bei verminderter Gefahr eines fehlerhaften Härteergebnisses möglich ist. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung geschaffen werden, welche im besonderen Maße zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs erläuterten Art dadurch gelöst, daß bei der gleichzeitigen Erwärmung der zu härtenden Flächen der einer der Flächen jeweils zugeordnete Induktor mit einer anderen Frequenz betrieben wird als der Induktor, welcher der nächst benachbarten zu härtenden Fläche zugeordnet ist .
Gemäß der Erfindung werden bei der gleichzeitigen Erwärmung einer Gruppe von zu härtenden Lagerflächen die jeweils unmittelbar nebeneinander angeordneten Induktoren mit einer unterschiedlichen Frequenz betrieben. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß sich durch diese Betriebsweise die in das jeweilige Werkstück von den Induktoren jeweils induzierten Felder nicht mehr in der Weise gegenseitig beeinflussen, daß es aufgrund ihrer nicht kontrollierbaren Überlagerung zu einer Überhitzung in den Übergangsbereichen zwischen den zu hartenden Lagerflachen kommt. Statt dessen wird durch die Erfindung sichergestellt, daß die Wirkung der jeweiligen elektro-magnetischen Felder auf die vom jeweiligen Induktor unmittelbar erzeugte Hartezone beschrankt bleibt. Dies ermöglicht es, die Erwärmung der zu hartenden Flachen gezielt und ortlich beschrankt durchzuführen, so daß es in Bereichen, in welche kein elektro-magnetisches Feld unmittelbar induziert wird, nicht mehr zu einer unbeabsichtigten, unkontrollierbaren Uberhitzung kommt. Auf diese Weise ist es möglich, den Verlauf der Hartzone in Achsrichtung der jeweiligen Welle exakt vorauszubestimmen.
Praktische Versuche haben ergeben, daß eine gegenseitige Beeinflussung der beim gleichzeitigen Harten von mindestens zwei Flächen eines Werkstucks von den jeweiligen Induktoren induzierten Felder dann sicher vermieden werden kann, wenn die Frequenz, mit welcher der eine Induktor betrieben wird, um das 1,5- bis 4-fache großer ist als die Frequenz, mit welcher der andere Induktor betrieben wird.
Bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise kann beispielsweise bei der gleichzeitigen Härtung von durch Wangen voneinander getrennten Lagerflächen einer Kurbelwelle gezielt zugelassen werden, daß die in die Lagerflachen und Wangenbereiche von den Induktoren jeweils eingeleitete Warme in die Warme des benachbarten Induktors mit der Folge übergeht, daß sich auch im Bereich der Wangen eine durchlaufende Hartezone einstellt. Dabei kann die Warme durch die direkte Einwirkung des von den Induktoren erzeugten elektromagnetischen Feldes oder im Sinne einer indirekten Erwärmung durch Wärmewanderung in die Wangen gelangen. Es ist festgestellt worden, daß bei einem derartigen Vorgehen die sich im Bereich der Wangen einstellende Härtezone derart beschaffen ist, daß die Gefahr einer vorzeitigen Zerstörung der Wange aufgrund eines übermäßigen Verlusts an Zähigkeit des Werkstoffs in diesem Bereich nicht gegeben ist. So läßt sich eine gleichmäßige Härtezone ausbilden, bei der, anders als bei dem nacheinander erfolgenden Härten der Lagerflächen nach dem Stand der Technik, die Gefahr der Qualitätsminderung durch ein gegenseitiges Anlassen nicht mehr besteht.
Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Härtung von Kurbelwellen, bei denen es sich bei den zu härtenden Flächen jeweils um die Lagerfläche eines Hauptlagerzapfens und die Lagerflächen von zwei Hublagerzapfen einer Kurbelwelle handelt, von denen der eine Hublagerzapfen in Achsrichtung der Kurbelwelle auf der einen und der andere Hublagerzapfen auf der anderen Seite des Hauptlagerzapfens angeordnet ist.
Auch kann durch die Erfindung problemlos gewährleistet werden, daß die von den Induktoren gleichzeitig erwärmten Bereiche der Kurbel- oder Nockenwelle derart ineinander übergehen, daß aus ihnen nach dem Abschrecken eine zusammenhängende Härtezone entsteht. Diese Ausbildung der Härtezone ist beispielsweise dann günstig, wenn aus den voranstehend erläuterten Gründen die die Lagerflächen einer Kurbelwelle trennenden Wangen mit in die Härtung einbezogen werden sollen. Da die zu härtenden Flächen in der Regel unterschiedliche Abmessungen aufweisen, ist es vorteilhaft, wenn die den Lagerflächen zugeordneten Induktoren sich voneinander unterscheidende Leistungen abgeben. Ebenso zweckmäßig im Hinblick auf die Erzielung eines möglichst optimalen Härteergebnisses ist es, wenn die Dauer, über welche die den zu härtenden Flächen zugeordneten Induktoren jeweils Leistung abgeben, unterschiedlich ist.
Der verfahrenstechnische Aufwand und die Verarbeitungsdauer kann zudem weiter dadurch vermindert werden, daß das Abschrecken der induktiv erwärmten Flächen gleichzeitig erfolgt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die von den Induktoren abgegebenen Leistung in Abhängigkeit von der Drehstellung der Kurbelwelle gesteuert wird. Ergänzend oder alternativ kann auch das Abschrecken der erwärmten Flächen in Abhängigkeit von der Drehstellung der jeweils verarbeiteten Welle ausgelöst werden. Die drehwinkelabhängige Steuerung der Leistung der Induktoren und / oder der Abschreckeinrichtung hat gegenüber einer beim Stand der Technik üblichen zeitabhängigen Steuerung den Vorteil, daß sämtlichen Abschnitten der zu härtenden Flächen sicher dieselbe Leistung zugeteilt werden kann. Durch die direkte Bezugnahme auf die jeweilige Winkelstellung der Welle kann auf einfache Weise sichergestellt werden, daß die einzelnen Stufen der Erwärmung oder das Abschrecken erst dann eingeleitet werden, wenn die jeweilige Fläche über ihren gesamten Umfang in der erforderlichen Weise behandelt worden ist. Dem voranstehenden entsprechend ist eine Vorrichtung zum Härten von Flächen einer Kurbel- oder Nockenwelle, die mit Induktoren, von denen jeweils ein Induktor jeweils einer zu härtenden Fläche zugeordnet ist, mit Energieversorgungen, von denen jeweils eine einen der Induktoren mit elektrischer Energie versorgt, und mit einer Abschreckeinrichtung zum Abschrecken der erwärmten zu härtenden Flächen ausgestattet ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dann besonders geeignet, wenn die mindestens zwei benachbart zueinander angeordneten, zu härtenden Flächen zugeordneten Induktoren gleichzeitig auf die ihnen zugeordneten zu härtenden Flächen aufsetzbar sind und die Energieversorgungen benachbarter Induktoren den ihnen jeweils zugeordneten Induktor mit elektrischer Energie bei einer Frequenz versorgt, die sich von der Frequenz unterscheidet, mit welcher die Energieversorgung des jeweils benachbarten Induktors diesen mit Energie versorgt .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schmatisch:
Fig. 1 eine Kurbelwelle, welche in eine Vorrichtung zum Härten ihrer Lagerflächen eingespannt ist, in einer seitlichen Teilansicht; Fig. 2 eine Nockenwelle, welche ebenfalls in einer Vorrichtung zum Härten der Nockenflächen eingespannt ist, in einer seitlichen Teilansicht.
Die in Fig. 1 gezeigte Kurbelwelle K besitzt einen Hauptlagerzapfen 1, zu dem in Achsrichtung A seitlich benachbart jeweils ein Hublagerzapfen 2,3 angeordnet ist. Dabei sind die Hublagerzapfen 2,3 an das Hauptlager 1 über jeweils eine Wange 4,5 angeschlossen. Auf ihrer dem Hauptlagerzapfen 1 abgewandten Seite sind die Hublagerzapfen 2,3 jeweils über eine weitere Wange 6,7 mit einem weiteren Hublagerzapfen 8,9 verbunden.
Im Übergangsbereich von der jeweiligen Lagerfläche 10,11,12 der Hublagerzapfen 2,3 bzw. des Hauptlagers 1 zu den Wangen 4,5 ist jeweils eine Hohlkehle 13 ausgebildet.
Die Wangen 4,5 weisen eine gegenüber der Breite der Lagerflächen 10,11,12 eine geringe Dicke d auf, während die Dicke der Wangen 6,7 zwischen den Hublagerzapfen 2,8 bzw. 3,9 größer ist als die Dicke d der Wangen 4,5.
Jeder der Lagerflächen 10,11,12 ist jeweils ein Induktor 14,15,16 zugeordnet, dessen Heizleiter und Beblechung derart ausgebildet ist, daß das von den Induktoren 14,15,16 erzeugte elektromagnetische Feld nicht nur die jeweilige Lagerfläche 10,11,12 selbst, sondern auch den Bereich der jeweiligen Hohlkehle 13 erfaßt. Die Induktoren 14,15,16 werden über jeweils eine eigene Energieversorgung 17,18,19 mit Leistung versorgt. Dabei erfolgt die Energieversorgung der Induktoren 14 und 16 durch die ihnen zugeordneten Energieversorgungen 17 und 19 bei einer Frequenz Fl, während der zwischen den beiden Induktoren 14,16 angeordnete Induktor 15 mit einer Frequenz F2 versorgt wird. Das Verhältnis der Frequenzen Fl : F2 : Fl beträgt 14 : 8 : 14, so daß die zueinander jeweils benachbarten Induktoren 14,15 bzw. 15,16 jeweils mit so unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, daß beim Härten der Lagerflächen 10,11,12 eine gegenseitige Beeinflussung durch unkontrollierbar wandernde Wirbelströme sicher vermieden wird.
Die Leistungsabgabe der Energieversorgungseinrichtungen 17,18,19 wird von einer Steuereinrichtung 20 gesteuert, an welche die Steuereingänge der
Energieversorgungseinrichtungen 17,18,19 angeschlossen sind. Eingangsseitig liegt an der Steuereinrichtung 20 das Signal einer Drehwinkelerfassungseinrichtung 21, welche die jeweils aktuelle Drehwinkelstellung ß der sich um ihre Längsachse Ll drehenden Kurbelwelle Kl während der Bearbeitung erfaßt.
Zum Härten der Lagerflächen 10,11,12 werden die Induktoren 14,15,16 gleichzeitig auf die Lagerflächen 10,11,12 gesetzt, auf denen sie während der Erwärmung der Lagerflächen 10,11,12 bei sich drehender Kurbelwelle Kl reiten. Die Erwärmung der Lagerflächen 10,11,12, der Hohlkehle 13 und der Wangen 4,5 erfolgt in mehreren Schritten, welche in Abhängigkeit von dem von der Kurbelwelle Kl jeweils überstrichenen Drehwinkel ß von der Steuereinrichtung 20 eingeleitet werden. Die während des Erwärmungsvorgangs in die Wangen 4,5 zwischen den Hublagerzapfen 2,3 und dem Hauptlager 1 eingeleitete Wärme ergänzt sich dabei derart, daß auch im Bereich dieser Wangen 4,5 Härtetemperatur erreicht wird. Ergibt die Überwachung des seit Beginn der Erwärmung überstrichenen Drehwinkels ß, daß alle Abschnitte der Lagerflächen 10,11,12 in ausreichender Weise gleichmäßig erwärmt sind, so beendet die Steuereinrichtung 20 den Erwärmungsvorgang und löst das durch eine hier nicht gezeigte Abschreckeinrichtung mittels Flüssigkeit ausgeführte Abschrecken der Lagerflächen 10,11,12 und der Wangen 4,5 aus. Nach dem Abschrecken sind die Lagerflächen 10,11,12 der Hublagerzapfen 2,3 und des zwischen ihnen liegenden Hauptlagerzapfens 1 mit einer zusammenhängenden Härtezone versehen.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Nockenwelle N sind drei Nocken 30, 31, 32 in Achsrichtung A nebeneinander angeordnet. Der mittlere Nocken 31 weist eine größere Breite B auf als die beiden in Achsrichtung A neben ihm angeordneten Nocken 30 bzw. 32.
Jedem Nocken 30,31,32 ist jeweils ein Induktor 33,34,35 zugeordnet. Jeder Induktor wird über jeweils eine Energieversorgungseinrichtung 36,37,38 mit elektrischer Energie versorgt.
Zum Härten der Nockenflächen 39,40,41 der Nocken 30,31,32 werden die Induktoren 33,34,35 gleichzeitig auf die ihnen jeweils zugeordnete Nockenfläche 39,40,41 aufgesetzt. Auf ein Steuersignal einer nicht dargestellten Steuereinrichtung werden die Induktoren 33,34,35 dann von den Energieversorgungseinrichtungen 36,37,38 mit elektrischer Energie versorgt. Dabei werden der erste und der dritte Induktor 33,35 mit einer ersten Frequenz F3 und der zwischen diesen beiden angeordnete Induktor 34 mit einer Frequenz F4 betrieben. Die Frequenz F3, mit dem die beiden äußeren Induktoren 33,35 betrieben werden, ist um das 1,5- bis 4-fache, insbesondere um das 1,5 - 2-fache höher als die Frequenz des Stromes, mit dem der mittlere Induktor 34 gespeist wird, um während des Erwärmens das Entstehen von Wirbelströmen in der Nockenwelle N zu verhindern. Auf diese Weise ist einerseits sichergestellt, daß es in den Bereichen 42,43 zwischen den Nocken 30,31 bzw. 31,32 zu keiner Überhitzung durch die andernfalls unkontrollierbar wandernden Ströme kommt. Auf der anderen Seite kann auch in diesen Bereichen 42,43 durch eine gezielte Überlagerung der zwar nicht durch die direkte Wirkung des von den Induktoren 33,34,35 erzeugten Felder, jedoch durch Wärmewanderung erwärmten Erwärmungsbereiche Härtetemperatur erreicht werden, so daß auch in diesen Bereichen 42,43 eine gehärtete Zone gezielt hergestellt werden kann.
Die Leistungssteuerung der Induktoren 33,34,35 erfolgt durch die nicht dargestellte Steuereinrichtung, wie für die Härtung der Kurbelwelle Kl beschrieben in Abhängigkeit vom Drehwinkel ß der sich während des Härtens um ihre Längsachse L2 drehenden Kurbelwelle K2. Dabei wird der Nockenfläche 40 aufgrund deren größerer Breite mehr Leistung zugeführt als den Lagerflächen 39,41.
Die Höhe der tatsächlich eingestellten Frequenzen F1,F2 bzw. F3,F4 richtet sich nach der Spannung, mit der die Induktoren 33,34,35 versorgt werden, dem Kopplungsabstand zwischen dem jeweiligen Induktor 33,34 bzw. 35 und der ihm jeweils zugeordneten Lagerfläche 30,31 bzw. 32 und der Geometrie der jeweils eingesetzten Induktoren 33,34,35.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Hauptlagerzapfen
2,3 Hublagerzapfen
4,5,6,7 Wange
8,9 Hublagerzapfen
10,11,12 Lagerflächen
13 Hohlkehle d Dicke der Wangen 4,5
14,15,16 Induktor
17, 18, 19 Energieversorgungseinrichtungen
20 Steuereinrichtung
21 Drehwinkelerfassungseinrichtung F1,F2 Frequenzen
K Kurbelwelle
30,31,32 Nocken
33,34,35 Induktoren
36, 37, 38 Energieversorgungseinrichtungen
39,40,41 Nockenflächen der Nocken 30,31 bzw. 32
42,43 Bereiche zwischen den Nocken 30,31 bzw. 31,32
B Breite des Nockens 31
F3,F4 Frequenzen
N Nockenwelle
A Achsrichtung ß Drehwinkelstellung
L1,L2 Längsachsen

Claims

P A T E N T AN S P RÜ C H E
Verfahren zum Härten von in Achsrichtung (A) nebeneinander angeordneten zu härtenden Flächen
(10,11,12; 39,40,41) einer Kurbel- (K) oder Nockenwelle (N) , bei dem die zu härtenden Flächen
(10,11,12; 39,40,41) durch einen ihnen jeweils zugeordneten Induktor (14,15,16; 33,34,35) induktiv erwärmt und nach der Erwärmung abgeschreckt werden, wobei jeweils mindestens zwei benachbart angeordnete zu härtende Flächen (10,11,12; 39,40,41) gleichzeitig erwärmt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß bei der gleichzeitigen Erwärmung der zu härtenden Flächen
(10,11,12; 39,40,41) der einer der Flächen (10,11,12; 39,40,41) jeweils zugeordnete Induktor (14,15,16; 33,34,35) mit einer anderen Frequenz (F1,F2; F3,F4) betrieben wird als der Induktor (10,11,12; 39,40,41), welcher der nächst benachbarten zu härtenden Fläche
(10,11,12; 39,40,41) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Frequenz (Fl; F3) , mit welcher der eine Induktor (14,16; 33,35) betrieben wird, um das 1,5- bis 4-fache größer ist als die Frequenz (F2; F4), mit welcher der andere Induktor (15; 34) betrieben wird.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die gleichzeitig erwärmten zu härtenden Flächen (10,11,12; 39,40,41) jeweils durch eine Wange (4,5) voneinander getrennt sind.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß es sich bei den zu härtenden Flächen (10,11,12; 39,40,41) jeweils um die Lagerfläche (11) eines Hauptlagerzapfens (1) und die Lagerflächen (10,12) von zwei Hublagerzapfen (2,3) einer Kurbelwelle (K) handelt, von denen der eine Hublagerzapfen (2) in Achsrichtung (A) der Kurbelwelle (K) auf der einen und der andere Hublagerzapfen (3) auf der anderen Seite des Hauptlagerzapfens (1) angeordnet ist.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die von den Induktoren (14,15,16; 33,34,35) gleichzeitig erwärmten Bereiche (4,5,10,11,12; 39,40,41,42,43) der Kurbel- (K) oder Nockenwelle (N) derart ineinander übergehen, daß aus ihnen nach dem Abschrecken eine zusammenhängende Härtezone entsteht.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die den zu härtenden Flächen (10,11,12; 39,40,41) zugeordneten Induktoren (14,15,16; 33,34,35) sich voneinander unterscheidende Leistungen abgeben.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Dauer, über welche die den zu hartenden Flachen (10,11,12; 39,40,41) zugeordneten Induktoren (14,15,16; 33,34,35) jeweils Leistung abgeben, unterschiedlich ist.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Abschrecken der erwärmten zu hartenden Flachen (10,11,12; 39,40,41) gleichzeitig erfolgt.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die von den Induktoren (14,15,16; 33,34,35) abgegebenen Leistungen in Abhängigkeit von der Drehstellung (ß) der Kurbel- (K) oder Nockenwelle (N) gesteuert wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Abschrecken der erwärmten zu hartenden Flachen (10,11,12; 39,40,41) in Abhängigkeit von der Drehstellung (ß) der Kurbelwelle (K) ausgelost wird.
11. Vorrichtung zum Härten von Flachen (10,11,12; 39,40,41) einer Kurbel- (K) oder Nockenwelle (N) mit Induktoren (14,15,16; 33,34,35), von denen jeweils ein Induktor (14,15,16; 33,34,35) jeweils einer zu hartenden Flache (10,11,12; 39,40,41) zugeordnet ist, mit Energieversorgungen (17,18,19; 36,37,38), von denen jeweils eine einen der Induktoren (14,15,16; 33,34,35) mit elektrischer Energie versorgt, und mit einer Abschreckeinrichtung zum Abschrecken der erwärmten zu härtenden Flächen (10,11,12; 39,40,41), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die mindestens zwei benachbart zueinander angeordneten zu härtenden Fläche (10,11,12; 39,40,41) zugeordneten Induktoren (14,15,16; 33,34,35) gleichzeitig auf die ihnen zugeordneten zu härtenden Flächen (10,11,12; 39,40,41) aufsetzbar sind und d a ß die Energieversorgungen (17,18,19; 36,37,38) benachbarter Induktoren (14,15,16; 33,34,35) den ihnen jeweils zugeordneten Induktor (14,15,16; 33,34,35) mit elektrischer Energie bei einer Frequenz
(Fl; F3) versorgt, die sich von der Frequenz (F2; F4 ) unterscheidet, mit welcher die Energieversorgung
(17,18,19; 36,37,38) des jeweils benachbarten Induktors (14,15,16; 33,34,35) diesen mit Energie versorgt .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß eine Steuereinrichtung (20) vorgesehen ist, welche die von den Induktoren (14,15,16; 33,34,35) abgegebene Leistung in Abhängigkeit vom Drehwinkel (ß) der Kurbel- (K) oder Nockenwelle steuert.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Steuereinrichtung (20) den die Abschreckeinrichtung in Abhängigkeit von der Drehstellung (ß) der Kurbel- (K) oder Nockenwelle (N) steuert .
4. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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