EP1173624B1 - Verfahren und vorrichtung zum härten von ringnuten mit laserstrahlen - Google Patents

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EP1173624B1
EP1173624B1 EP00930984A EP00930984A EP1173624B1 EP 1173624 B1 EP1173624 B1 EP 1173624B1 EP 00930984 A EP00930984 A EP 00930984A EP 00930984 A EP00930984 A EP 00930984A EP 1173624 B1 EP1173624 B1 EP 1173624B1
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EP
European Patent Office
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piston
hardening
laser beam
groove
laser
Prior art date
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EP00930984A
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English (en)
French (fr)
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EP1173624A1 (de
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Michael Weis
Karl Pfeil
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Mahle GmbH
Original Assignee
Mahle GmbH
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Publication date
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    • 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
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
    • 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

Definitions

  • the application relates to a method for hardening the annular grooves of a piston crown made of steel, a steel piston, a steel lower part or steel piston heads with laser radiation.
  • the edge is shaded in accordance with the JP document (FIG. 2) by a special device.
  • the position of the laser beam is precisely specified in the US script.
  • Both methods have in common that the laser beam is incident radially to the central axis of the piston, so that if the laser beam is intended to be elongated, it cuts the central axis of the piston and that an absorption-increasing graphite coating is applied before hardening.
  • the invention is concerned with the problem of preventing the groove base from hardening in generic methods.
  • a device for performing the method is characterized in claim 6.
  • Tangential beam guidance is understood to mean that the laser beams projected into the plane of the ring grooves only cut the piston or piston crown peripherally in the area of its ring grooves as secants. In other words, the laser beam is brought to the piston approximately in the circumferential direction.
  • a piston crown 1 with annular grooves 2 and 3 is rotatably received in a clamping device, not shown.
  • the piston crown 1 is shown cut open in the groove plane.
  • the grooves in the piston crown are hardened by laser radiation.
  • the path of the laser beam is indicated by dashed lines.
  • the laser beam is directed towards the groove flank 5 in an approximately tangential direction based on the outer diameter of the piston crown 1.
  • the central axis 4 of the piston is indicated in FIG. 2.
  • the angle between the groove flank plane and the laser beam is relatively small and is less than 15 °.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Description

  • Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Härten der Ringnuten eines Kolbenbodens aus Stahl, eines Stahlkolbens, eines Stahlunterteils oder von Stahlkolbenköpfen mit Laserstrahlung.
  • Derartige Verfahren sind aus der US 5,515,770 und der JP-A 1-149424 bekannt. Wesentlich bei derartigen Verfahren ist im Regelfall, daß die Vorderkante der Nut nicht aufgeschmolzen wird und daß der Nutgrund nicht gehärtet wird, da dort ein erhöhtes Spannungsniveau vorliegt.
  • Um zu verhindern, daß die Vorderkante der Nut aufgeschmolzen wird, wird die Kante gemäß der JP-Schrift (Fig. 2) durch eine besondere Vorrichtung abgeschattet. Bei der US-Schrift wird die Lage des Laserstrahls genau spezifiziert.
  • Beiden Verfahren ist gemeinsam, daß der Laserstrahl radial zur Mittelachse des Kolbens einfällt, sodaß bei einer gedachten Verlängerung des Laserstrahls dieser die Mittelachse des Kolbens schneidet und daß vor dem Härten eine absorptionserhöhende Graphitbeschichtung aufgetragen wird.
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, bei gattungsgemäßen Verfahren zu verhindern, daß der Nutgrund gehärtet wird.
  • Dieses Problem wird gelöst durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet in Anspruch 6.
  • Durch die etwa tangentiale Strahlführung wird eine Reflexion der Laserstrahlen in Richtung Nutgrund mit Sicherheit vermieden und es wird gemäß Anspruch 2 bei entsprechend kleinem Auftreffwinkel auch eine Reflexion in Richtung der gegenüberliegenden Nutflanke vermieden. Unter etwa tangentialer Strahlführung ist dabei zu verstehen, daß die in die Ebene der Ringnuten projezierten Laserstrahlen den Kolben bzw. Kolbenboden nur peripher im Bereich seiner Ringnuten als Sekanten schneiden. Anders ausgedrückt wird der Laserstrahl etwa in Umfangsrichtung an den Kolben herangeführt.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    die Anordnung des Laserstrahls relativ zum Kolbenboden von oben
    Fig. 2
    die Anordnung des Laserstrahls relativ zum Kolbenboden, Seitenansicht.
  • Ein Kolbenboden 1 mit Ringnuten 2 und 3 ist drehbar in einer nicht dargestellten Spannvorrichtung aufgenommen. Der Kolbenboden 1 ist in der Nutebene aufgeschnitten dargestellt. Die Nuten des Kolbenbodens werden durch Laserstrahlung gehärtet. Der Weg des Laserstrahls ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Der Laserstrahl wird bezogen auf den Außendurchmesser des Kolbenbodens 1 in etwa tangentialer Richtung auf die Nutflanke 5 gerichtet.
  • In Fig. 2 ist die Mittelachse 4 des Kolbens angegeben. Der Winkel zwischen der Nutflankenebene und dem Laserstrahl ist relativ klein und liegt bei weniger als 15°.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Härten der Ringnuten eines Kolbenbodens aus Stahl, eines einteiligen Stahlkolbens, eines Kolbenkopfes aus Stahl oder eines Stahlunterteils eines Kolbens mittels Laserstrahlen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Laserstrahl etwa in Umfangsrichtung an den Kolben herangeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die in die Ebene der Ringnuten projezierten Laserstrahlen den Kolbenboden nur peripher im Bereich seiner Ringnuten als Sekanten schneiden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Laserstrahl bezogen auf die Nutflankenebene mit relativ kleinem Winkel auf die Nutflanke (5) gerichtet wird, sodaß die von einer Nutflanke (5) reflektierten Strahlen weder den Nutgrund noch die jeweils andere Nutflanke (5) treffen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in den zu härtenden Bereichen keine Oberflächenbeschichtung zur Erhöhung der Absorption vorgenommen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß beide Nutflanken (5) gleichzeitig gehärtet werden.
  6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorrichtung zum Laserhärten, die den Laserstrahl etwa in Umfangsrichtung an den Kolben heranführt, in einer spangebenden Werkzeugmaschine integriert ist, sodaß das Härten und die Fertigbearbeitung des Bauteils in derselben Einspannung möglich sind.
EP00930984A 1999-04-26 2000-03-21 Verfahren und vorrichtung zum härten von ringnuten mit laserstrahlen Expired - Lifetime EP1173624B1 (de)

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