EP2087141A1

EP2087141A1 - Verfahren und vorrichtung zum randschichthärten formkomplizierter bauteile

Info

Publication number: EP2087141A1
Application number: EP07818860A
Authority: EP
Inventors: Berndt Brenner; Steffen Bonss; Frank Tietz; Marko Seifert; Jan Hannweber; Stefan Kühn; Udo Karsunke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: US9187794B2; DE102006050799A1; WO2008049513A1; PL2087141T3; WO2008049513A8; CN101605914B; JP5717341B2; JP2010507726A; US20100126642A1; HUE047935T2; EP2087141B1; CN101605914A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Randschichthartung von Maschinen-, Anlagen- und Vorrichtungstellen sowie Werkzeugen Objekte, bei denen die Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind stark ermüdungs- oder verschleißbeanspruchte Bauteile aus härtbaren Stählen, die eine komplizierte Form aufweisen und deren Oberfläche selektiv an den Funktionsflächen gehärtet werden muss oder bei denen die Funktionsfläche eine mehrdimensionale Form hat. Das Verfahren zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile wird mittels mehrerer Energieeinwirkzonen durchgeführt Es ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinwirkungszonen auf unterschiedlichen räumlich und zeitlich getrennten Bahnkurven und mittels kooperierend arbeitender Bewegungssysteme so geführt werden, dass durch die Überlagerung der Einzeltemperaturfelder ein einheitliches, die Funktionsfläche des Bauteils vollständig umfassendes Temperaturfeld entsteht, innerhalb dessen jedes Oberflächenelement der späteren Härtungszone des Bauteils mindestens einmal das gewählte Austenitisierungstemperaturintervall ?Ta erreicht und der zeitliche Abstand ?t zwischen den Maximaltemperaturen Tmaxn der Einzeltemperaturfelder 3.1 bis 3.n kleiner ist, als die Zeit ?tmS, die benötigt wird, um während deren Abkühlphase die Martensitstarttemperatur MS zu unterschreiten Die Vorrichtung mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Energieformungseinheiten mit einem oder mehreren Energiequellen für optische oder elektromagnetische Strahlung verbunden sind und jeweils einzeln an getrennt, aber kooperierend arbeitenden Bewegungssystemen befestigt sind.

Description

Patentanmeldung: Verfahren und Vorrichtung zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile

Anmelderin: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf die Randschichthartung von Maschinen-, Anlagen- und Vorrichtungstellen sowie Werkzeugen Objekte, bei denen ihre Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind stark ermudungs- oder verschleißbeanspruchte Bauteile aus hartbaren Stahlen, die eine komplizierte Form aufweisen und deren Oberflache selektiv an den Funktions- flachen gehartet werden muss oder bei denen die Funktionsflache eine mehrdimensionale Form hat Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für solche Bauteile einzusetzen, bei denen sich die Geometrie der Funktionsflache entlang des Bauteils dreidimensional ändert Solche Bauteile sind z B Großwerkzeuge, Schneid- und Besaumwerkzeuge sowie Pressformen für die Automobil- Karosseπefertigung, Turbinenschaufeln für den Niederdruckteil von Dampfturbinen, Kurvenscheiben, Maschinenbetten von Werkzeugen u s w Weitere Einsatzfalle sind lokale Wärmebehandlungen wie z B Randschichtlosungsgluhen, Randschichtanlassen oder -verguten von geometrisch komplizierten Bauteilen

Stand der Technik

Die Randschichthartung ist ein in der Technik weit verbreitetes Verfahren zur Erhöhung der Verschleißbestandigkeit und Dauerschwingfestigkeit von Bauteilen aus hartbaren Stahlen Als Energiequellen werden - geordnet nach steigender Leistungsdichte und 3D-Fahιgkeιt - die Flamme, induktive Energie, der Elektronen- und der Laserstrahl eingesetzt

Vielfach umfasst die zu hartende Funktionsflache zwei unter einem bestimmten Winkel aneinander stoßende Flachen, wie z B bei Schnittwerkzeugen oder Umformwerkzeugen In solchen Fallen müssen optimalerweise beide Flachen gleichzeitig gehartet werden, um sogenannte Anlasszonen zu verhindern Die Anlasszonen entstehen durch erneute Temperaturbeaufschlagung bis zur Hohe des Beginns der Austenitumwandlung der zuvor erzeugten Hartespur durch das Temperaturfeld der nachfolgenden Spur Das hat ein Kurzzeitanlassen von Bereichen der zuvor erzeugten Spur in einem Ausmaß zur Folge, das die Verschleiß- und Ermudungsbestandigkeit bei einer Vielzahl von Belastungsfallen drastisch verschlechtert

Zur Vermeidung dieser Anlasszonen werden im Fall der Induktionshartung entsprechend geformte Induktoren, sogenannte Zweiflachen-Induktoren, eingesetzt, die in ihrer Kontur etwa dem Negativ der Geometrie der aneinander stoßenden Flachen entsprechen Für ebene 2D-Bau- teile ist auch ein mehrteiliger segmentierter Induktor bekannt geworden (siehe M Botts " Leichtere Automobile durch Laserstrahlschweißen ", in Informationsdienst Wissenschaft, 28 09 2006), der es gestattet, auf zweidimensionalen Bauteilen gekrümmte Spuren von Anlasszonen zu erzeugen Prinzipiell waren damit auch gekrümmte Hartespuren auf ebenen Bauteilen möglich Der Induktor wird hierbei mechanisch mit Hilfe einer Matrize über das Bauteil gefuhrt

Im Fall des Laserstrahlhartens sind Strahlteileremheiten bekannt geworden, die in ihrer Ausbildungsform mit der größten Flexibilität mit zwei Laserstrahlscannersystemen ausgerüstet sind (siehe M Seifert, B Brenner, F Tietz, E Beyer " Pioneeπng laser scanning system for hardening of turbine blades" in Conference proceedings " International Congress on Applications of Laser and Electro-Optics", San Diego, California, USA, 15 -18 1 1 1999, vol 87f, p 1 -10) Im Einzelnen besteht das System aus einer Strahlteileroptik für den Laserstrahl eines CO₂-Lasers, zwei parabolisch gekrümmten Fokusspiegeln und zwei im Strahlengang danach angeordneten Laserscanningsystemen Durch eine Verschiebung der Position des Strahlteiler- spiegels, der Abstande zwischen Strahlteilerspiegel, Fokussierspiegel, Scanningspiegel sowie die Variation des Scannwinkels können sowohl der Strahlauftreffwinkel wie auch die Strahlabmessungen (Breite, Lange) vorab eingestellt werden Damit können Bauteile mit zwei unter dem Winkel α aneinander stoßenden Funktionsflachen im Winkelbereich von ca 10° α 80° gleichzeitig und ohne die Erzeugung von Anlasszonen gehartet werden Der Mangel sowohl der Anordnung zum Induktionsharten mittels Zweiflachen-Forminduktor oder mehrteiligem segmentiertem Induktor als auch in der Anordnung zum Laserstrahlharten mit Strahlteiler und einstellbaren Strahlformungssystemen liegt dann, dass damit keine Bauteile gehartet werden können, bei denen sich der Winkel α oder die Form der zu hartenden Flache entlang der Stoßkante der beiden Funktionsflachen ändert Prototypisch sollen als Verkörperung solcher Bauteile Turbinenschaufeln, die im Bereich ihrer Eintrittskante gehartet werden sollen oder Schnittwerkzeuge genannt werden, deren Schnittkante einen 3D-gekrummten Verlauf aufweist Die Ursache dafür liegt darin, dass in beiden Fallen die Geometrie der Energie- formungseinheit und damit die Leistungsdichteverteilung auf den beiden Funktionsflachen wahrend der Bearbeitung nicht angepasst werden kann

Das Ziel der Erfindung ist es, ein neues und flexibles Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die es gestatten, auch die Funktionsflachen von kompliziert geformten Bauteilen beanspruchungsgerecht und ohne das Auftreten von Anlasszonen zu harten Insbesondere sollen sie auch für die Randschichthartung von Bauteilen geeignet sein, bei denen die Stoßkante zwischen zwei benachbarten Funktionsflachen einen dreidimensionalen Verlauf aufweist und / oder sich der Winkel α zwischen benachbarten Funktionsflachen entlang ihrer Stoßkanten ändert

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es gestatten, ein gewünschtes Temperaturfeld so flexibel einstellen zu können, dass es wahrend der Bearbeitung entlang der mehrdimensional gekrümmten Stoßkanten der Funktionsflachen den lokalen Warmeableitungsbedingungen sowie lokalen Verschleiß- und Belastungsbedingungen als auch geometrischen Änderungen angepasst werden kann

Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren und einer dazugehörigen Vorrichtung zum Randschichtharten formkomplizierter Bauteile wie in den beiden Hauptanspruchen 1 und 9 sowie den zugehörigen Unteranspruchen 2 bis 8 bzw 10 bis 17 angegeben gelost Wie in Anspruch 1 beschrieben wird, werden zur Erzeugung einer homogen, ohne Anlasszonen geharteten Randschicht, die sich über die gesamte Funktionsflache erstreckt, mehrere, mittels geeigneter Energieformungseinheiten erzeugte Energieeinwirkungszonen auf unterschiedlichen, raumlich und zeitlich getrennten Bahnkurven über die Funktionsflache gefuhrt Erfindungsgemaß geschieht dies durch mehrere kooperierend arbeitende Bewegungssysteme Als Bewegungssysteme können Roboter, CNC-, NC-, mechanisch oder hydraulisch gesteuerte Anlagen oder Kombinationen daraus verwendet werden Die einzelnen Bahnkurven, die durch die einzelnen Bewegungssysteme angefahren werden, werden dabei so gelegt, dass die durch die einzelnen Energieeinwirkungszonen erzeugten Temperaturfelder sich dergestalt überlagern, dass jedes Oberflachenelement in der zu hartenden Zone mindestens einmal das gewählte Austenitisierungstemperatuπntervall ΔT_a erreicht Das braucht erfindungsgemaß für die einzelnen Energieeinwirkungszonen nicht gleichzeitig geschehen, sondern innerhalb einer Zeitdifferenz Δt_ms für das Erreichen der jeweiligen Maximaltemperatur T_{max n} benachbarter Energie- einwirkungszonen, die kleiner ist, als die Zeit innerhalb der die Gebiete des zuvor erzeugten Einzeltemperaturfeldes bis auf die Martensitstarttemperatur abgekühlt sind

Da sowohl die Warmeableitungsbedingungen als auch die Anforderungen an die Einhartetiefen und die Breite der gesamten Hartungszone bei kompliziert geformten Bauteilen bzw Funktionszonen von Ort zu Ort variieren können, wird in Anspruch 2 ausgeführt, dass die Leistungsdichteverteilungen der einzelnen Energieeinwirkungszonen nicht konstant sind, sondern wahrend des Hartungsprozesses entsprechend den lokalen Anforderungen gewählt werden

Das Erreichen des geforderten einheitlichen Austenitisierungstemperatuπntervalles ΔT_a über die gesamte Breite der Hartungszone setzt neben der geeigneten räumlichen und zeitlichen Überlagerung der Einzeltemperaturfelder auch geeignet steuerbare Energiequellen ausreichend hoher Leistungsdichte und einstellbarer Leistungsdichteverteilung innerhalb der einzelnen Energie- einwirkungszonen voraus Vorteilhaft ist es deshalb, wie in den Ansprüchen 3 und 5 dargelegt wird, als Energiequellen Laserstrahlung oder induktive Felder zu verwenden

Eine besonders flexible und gut steuerbare Möglichkeit zur ortsabhangigen Einstellung der Leistungsdichteverteilungen stellt dabei für den Fall der Verwendung von Laserstrahlen als Energiequelle die Oszillation geeignet teildefokussierter Laserstrahlen dar, wie das in Anspruch 4 ausgeführt wird Die Schwingfunktionen können dabei ortsabhangig variiert werden und werden durch die Steuerungen der Bewegungssysteme angesteuert oder erzeugt Insbesondere umfasst diese Art der Steuerung der Leistungsdichteverteilungen auch die Möglichkeit, durch die Verwendung nicht harmonischer Schwingfunktionen quer zur Vorschubrichtung der Energie- einwirkungszone asymmetrische Leistungsdichteverteilungen einzustellen Das ist besonders vorteilhaft, wenn sich die Funktionsflache entlang von Kanten oder Schneiden erstreckt

Wird die Wärmeenergie durch ein induktives Energiefeld erzeugt, so kann, wie im Anspruch 6 beschrieben, die Anpassung der Leistungsdichteverteilungen durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer, unterschiedlich geformter Induktoren erfolgen, in dem ihr Kopplungsabstand zum Bauteil und / oder ihr gegenseitiger Abstand bzw ihre gegenseitige Überlappung ortsabhangig eingestellt werden Das kann einfach und vorteilhaft durch das Abfahren unterschiedlicher Bewegungsprogramme für die einzelnen Induktoren erreicht werden

Für Bauteile mit formkomplizierten, großen zu hartenden Funktionsflachen eröffnet der Anspruch 7 neue verfahrenstechnische Möglichkeiten, indem im gleichen Hartungsprozess das einheitliche Temperaturfeld durch die gleichzeitige Einwirkung von Laser- und induktiver Energie erzeugt wird Diese Variante der Verwendung unterschiedlicher Energiequellen ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, bei denen die alleinige Anwendung von Laserstrahlenergie nicht wirtschaftlich wäre oder für konkave Partien innerhalb der Funktionsflache, die einem Induktor nicht zugänglich sind

Der Anspruch 8 gestaltet die erfindungsgemaße Losung für Bauteile aus, in denen die Funktionsflache teilweise durch Bohrungen, Ausnehmungen, Nuten o a konstruktive Besonderheiten unterbrochen ist oder sich für eine bestimmte Lange in mehrere, getrennt voneinander liegende Funktionsflachen auffächert

Die erfindungsgemaße verfahrenstechnische Losung wird in einer Vorrichtung realisiert, wie sie im unabhängigen Vorrichtungsanspruch 9 ausgeführt ist Sie besteht im wesentlichen aus mehreren kooperierend arbeitenden Bewegungssystemen, an die die Energieformungseinheiten angeflanscht sind Damit ist gewährleistet, dass die von einer oder mehreren Energiequellen gespeisten Energieformungseinheiten auf unterschiedlichen Bahnkurven bewegt werden können

Für den Fall, dass wie in Anspruch 10 realisiert, die Energiequellen Laser sind, geben die Ansprüche 1 1 bis 13 besonders gunstige Ausgestaltungen wieder Besonders flexibel und kostengünstig stellt sich die Losung dar, als Energiequellen fasergekoppelte Hochleistungs- diodenlaser und als Strahlformungseinheiten Laserstrahlscanner zu verwenden

Für größere Funktionsflachen oder größere notige Einhartetiefen können aber auch, wie in Anspruch 14 erläutert, Induktionsgeneratoren und als Feldformungseinheiten Induktoren verwendet werden

Eine besonders flexible und kostengünstige Vorrichtungsvariante entsteht, wenn wie in Anspruch 16 dargelegt, als kooperierend arbeitende Bewegungssysteme Roboter eingesetzt werden In Anspruch 17 ist noch einmal der vorzugsweise Einsatz der erfindungsgemaßen Vorrichtung zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens dargelegt

Die erfindungsgemaße Losung ist nicht nur auf Randschichtharteaufgaben begrenzt Ebenso können lokale Anlassvorgange oder Losungsgluhprozesse durchgeführt werden Ohne Verletzung des Erfindungsgedankens muss dazu für den Verfahrensablauf nur das Austeni- tisierungstemperatuπntervall ΔT_a durch das Temperaturintervall für das Kurzzeitanlassen ΔT_an bzw das Randschichtlosungsgluhen ausscheidungshartbarer Stahle ΔT_L ersetzt werden Für das Kurzzeitanlassen ist darüber hinaus die Zeitdifferenz Δt_mS durch At₁₈₀ zu ersetzen

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird an den nachfolgenden Ausfuhrungsbeispielen naher erläutert Sie werden anhand der Fig 1 bis Fig. 5 ausfuhrlich beschrieben In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen

Es zeigen

Fig 1 Erfindungsgemaße Vorgehensweise zum Randschichtharten der dreidimensional verlaufenden Schnittkante eines Schnittwerkzeuges

Fig 2 Harteanlage mit zwei kooperierenden Robotern

Fig 3 Anordnung der Hartungszone und Ausbildung der Leistungsdichteverteilungen zum Harten der Eintrittskante einer Kompressorschaufel mittels zweier fasergekoppelter Hochleistungsdiodenlaser

Fig 4 Anordnung der Hartungszone und der Induktoren für die Härtung einer

Werkzeugkante mit wechselndem Winkel α zwischen den beiden aneinander stoßenden Funktionsflachen

Fig 5 Vorrichtung zum Harten einer Spindel mit eingearbeiteten Fuhrungsbahnen für Kugeln einer Walzlagerung Beispiel 1 :

Ein Schnittwerkzeug (siehe Fig 1 a) soll beanspruchungsgerecht und mit geringerem Verzug als mit konventionellen Technologien randschichtgehartet werden Gleichzeitig soll eine höhere Verschleißbestandigkeit erreicht werden Das Schnittwerkzeug ist aus dem Stahl X1 55CrMoVl 2 1 und weist im normalen vergüteten Zustand eine Harte von 300 HV auf Der Winkel α zwischen den beiden Funktionsflachen betragt ca 85° Es hat sich gezeigt, dass zu einer beanspruchungsgerechten Härtung beide zur Schnittkante benachbarten Flachen gehartet werden müssen Um ein sprödes Ausbrechen der Schnittkante zu vermeiden, darf aber die Kante nicht durchgehartet werden

Eine beanspruchungsgerechte Induktions- oder Laserstrahlhartung dieser Flachen ist nur schwer möglich Eine Induktionshartung mit einem Forminduktor wurde keine optimale Härtung in Bereichen erlauben, in denen die Krümmung einer oder beider Einzelhartungszonen 24 1 bzw 24 2 großer ist Mit einer konventionellen Laserstrahlhartung wurde man die Funktionsflachen 24 1 und 24 2 nacheinander harten müssen Das hatte durch das Wiederanlassen der Einzelhartungszone 24 1 eine Anlasszone 28 zur Folge (siehe Fig 1 a), innerhalb derer die Randschichtharte von ca 800HV auf ca 420HV abfallt Die Folge wäre keine ausreichende Verbesserung de Verschleißbestandigkeit

Eine andere Variante der Laserstrahlhartung bestünde darin, das Bauteil relativ zum Laserstrahl so zu positionieren, dass der Laserstrahl gerade symmetrisch zu den beiden Funktionsflachen auftrifft, den Laserstrahl entlang der Stoßkante 27 zu bewegen und ihn senkrecht zur Vorschubrichtung scannen zu lassen Obwohl diese Variante eine viel beanspruchungsgerechtere Härtung gestattet, ist es jedoch auch nur schwer möglich, alle Bereiche der Funktionsflachen optimal zu harten Probleme bereiten insbesondere solche Zonen, in denen die Stoßkante in einer oder mehreren Ebenen stark gekrümmt ist Hier ist es sehr schwierig, ohne Anschmelzungen über die gesamte Oberflache der Hartungszone die gleiche Austenitisierungstemperatur zu garantieren Zur erfindungsgemaßen Losung der Aufgabenstellung werden zwei Laserstrahlen 17 1 und 17 2 verwendet, die von zwei fasergekoppelten Hochleistungsdiodenlasern 12 1 und 12 2 emittiert werden Beide Laserstrahlen werden durch je eine Lichtleitfaser 13 1 und 13 2 in je eine Strahlformungseinheit 9 1 und 9 2 gefuhrt Mit Hilfe von zwei über das Programm der Bewegungsmaschinen ansteuerbaren Laserstrahlscannern 14 1 und 14 2 werden sie senkrecht zur Vorschubrichtung gescannt Die Schwingspiegel der Scanner 14 1 und 14 2 werden mit ortsabhangigen Schwingfunktionen angesteuert Dadurch entstehen getrennt für beide Einzelhartungszonen 24 1 und 24 2 optimiert anpassbare Leistungsdichteverteilungen 16 1 und 16 2 Beide Bewegungssysteme 6 1 und 6 2 werden so programmiert, dass die optischen Achsen 29 1 und 29 2 der beiden gescannten Laserstrahlen 17 1 und 17 2 senkrecht oder nahezu senkrecht auf den Oberflachen der beiden Energieeinwirkungszonen 2 1 und 2 2 stehen und jeweils einen Abstand von V≥ b, bzw V. b₂ zur Stoßkante 27 der beiden Funktionsflachen 21 1 und 21 2 aufweisen Zur Realisierung dieser unterschiedlichen Bewegungsabläufe realisieren die beiden Bewegungssysteme 6 1 und 6 2 zwei völlig unterschiedliche Bahnkurven Die Leistungsdichteverteilungen 16 1 und 16 2 werden so eingestellt, dass die geringere Wärmeableitung in der Nahe der Stoßkante und bei Krümmungen der Stoßkante 27 so kompensiert wird, dass sich quer zu den zu hartenden Funktionsflachen 21 1 und 21 2 eine konstante Oberflachenharte ergibt Die geforderten Einhartetiefen t, und t₂ werden durch die Energieeinwirkungsdauer bestimmt und durch eine geeignete Lange des Laserstrahlfleckes in Vorschubrichtung eingestellt Die Oberflachentemperatur wird durch eine Pyrometerregelung der Leistung der beiden Laser 12 1 und 12 2 konstant gehalten

Aus Temperaturfeldrechnungen, Nomogrammen oder einem Test an einer Werkstoffprobe wird die erforderliche Soll-Vorschubgeschwindigkeit der beiden Laserstrahlen ermittelt An Positionen, an denen einer der beiden Laserstrahlen 17 1 und 17 2 einen größeren Weg zurückzulegen hat, wird der Fokusabstand vergrößert und die Laserleistung erhöht Damit wird sichergestellt, dass die zeitliche Differenz At_n zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur des Temperaturfeldes 3 1 und des Temperaturfeldes 3 2 kleiner ist, als die Zeitdifferenz Δt_ms zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur und dem Beginn der Martensitstarttemperatur MS Dadurch werden sicher Anlasszonen verhindert Als Ergebnis entsteht eine durchgehende, beanspruchungsgerechte, optimal aufgehartete Hartungszone 8 ohne Anlasszonen und mit einer konstanten Harte von 800HV

Beispiel 2:

Zur technischen Realisierung der im Beispiel 1 ausgeführten Losung zum beanspruchungsgerechten Harten wird eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 9 und 16, wie in Fig 2 dargestellt, verwendet

Sowohl das Bewegungssystem 6 1 als auch das Bewegungssystem 6 2 besteht aus einem Roboter 18 1 und 18 2, die baugleich zueinander sind Sie arbeiten kooperierend zueinander, d h beide Bewegungssysteme sind so miteinander verkoppelt, dass sie exakt geometrisch und zeitlich aufeinander abgestimmt verfahren Die beiden Werkzeuge bewegen sich quasi synchron und erreichen unabhängig vom Bahnverlauf der einzelnen Roboter immer zur gleichen Zeit den nächsten Endpunkt Zudem kann die Orientierung zueinander fixiert werden, so dass eine Veränderung der Werkzeugposition des einen Systems im Raum durch das zweite System automatisch ausgeglichen wird, was den Einπchtprozess immens vereinfacht

Zwischen ihnen befindet sich eine separate Drehachse 30, die dem Roboter 18 1 zugeordnet ist Am Arm der beiden Roboter sind zwei Strahlformungseinheiten 9 1 und 9 2 befestigt Sie nehmen die beiden Lichtleitfasern 13 1 und 13 2 auf, die über zwei biegsame CFK-Stangen den Bewegungen der Roboter 18 1 und 18 2 folgen können, ohne den kritischen Biegeradius zu unterschreiten Die beiden Strahlformungseinheiten 9 1 und 9 2 bestehen aus je einem Kollimations- und einem Fokussiermodul Hinter dem Fokussiermodul befindet sich je ein Laserstrahlscanner 14 1 bzw 14 2 Zwischen dem Laserstrahlscanner und dem Fokussiermodul befindet sich ein schräg gestellter halbdurchlassiger Spiegel, der die Laserstrahlung durchlasst Die vom Bauteil 1 emittierte Wärmestrahlung wird reflektiert und einem Pyrometer zugeführt, das das Eingangssignal für die Temperaturregelung liefert Das zu hartende Bauteil 1 wird in einer Bauteilspannvorrichtung befestigt, die sich am Dreibackenfutter der Drehachse 30 befindet Zur Randschichthartung der Funktionsflachen 21 1 und 21 2 wird das Bauteil gunstigerweise so gedreht, dass die Stoßkante 27 nach oben zeigt

Der Roboter 18 1 wird so programmiert, dass er die Bahn für die Funktionsflache 21 1 abfahrt (im Bauteilkoordinatensystem eine Bewegung in der x- und der y-Ebene) Der Roboter 18 2 fahrt die andere Bahnkurve entlang der Funktionsflache 21 2 ab (im Bauteilkoordinatensystem x-, y-, z-Achse, sowie die Drehbewegung in der C-Achse) Wenn die Programmierung beider Roboterbahnen mit der Soll-Vorschubgeschwindigkeit ergibt, dass an keiner Stelle der beiden Bahnkurven ihr gleichzeitiger Versatz ΔT, großer ist als die Abkuhlzeit Δt_ms zwischen Maximaltemperatur T_{max1 2} und der Martensitstarttemperatur MS, kann das Bewegungsprogramm so verwendet werden Wenn dagegen an irgendeiner Bauteilposition Δt_ms > Δt_max, ₂ gilt, werden die beiden Vorschubgeschwindigkeiten 22 1 und 22 2 lokal so umprogrammiert, bis die Bedingung Δt_ms < Δt_max, ₂ wieder gilt An den Programmschritten, in denen ein solcher Eingriff erfolgt, wird zur Kompensation die Defokussierung des Laserstrahles und die Laserleistung verändert

Beispiel 3:

Eine Turbinenschaufel (siehe Fig 3a), die durch erosiven Verschleiß stark verschleißbeansprucht wird, soll einen beanspruchungsangepassten Schutz der Schaufeleintrittskante erhalten Die Partikel treffen nahezu senkrecht auf die Schaufeleintrittskante auf Sie besteht aus dem Stahl X20Cr13 und ist auf eine Harte von 230 HV vergütet, um einen sehr zähen Gefugezustand zu realisieren Dieser hochangelassene Zustand ist aber nicht geeignet, der Tropfenschlagverschleißbeanspruchung zu widerstehen Bekannt ist, dass eine Laserstrahlhartung sehr gut geeignet ist, den Widerstand gegenüber Tropfenschlagverschleiß betrachtlich zu erhohen Wegen der hohen zyklischen Beanspruchung und der Spannungsπssgefahrdung soll die Schaufelspitze aber nicht durchgehartet werden Um die Hartungszone 8 beanspruchungsgerecht auszubilden, muss sie eine Kappenform aufweisen, die dem lokalen Schaufelblattprofil angepasst ist

Entlang der Stoßkante 27 der beiden zu hartenden Funktionsflachen 21 1 und 21 2 andern sich sowohl die Verwindung des Schaufelblattes, die Schaufelblattdicke (siehe Fig 3b, 3c, 3d), die Geometrie der Schaufeleintrittskante als auch die Sollkontur der zu hartenden kappenformigen Hartungszone 8 Im Schnitt A-A soll die Kappenform nahezu symmetrisch mit einer relativ großen Breite der Durchhartung in der Nahe der Stoßkante 27 sein Im Schnitt C-C ist die relative Sollhartetiefe geringer und die Hartungszone 8 passt sich mehr dem Verlauf der Oberflache an

Um diese Ausbildung und diesen Verlauf der Hartungszonengeometπe zu realisieren, müssen wahrend der Laserstrahlhartung eine Vielzahl von Parametern geändert werden Scannbreite der beiden Laserstrahlen 17 1 und 17 2, Leistungsdichteverteilung 16 1 und 16 2, Neigung der beiden Laserstrahlen 17 1 und 17 2 zueinander (Winkel ß) und relativ zur Neigung der Schaufeloberflache, Einwirkungsdauer der Laserstrahlen 17 1 und 17 2, Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeiten 22 1 und 22 2 Wegen der Asymmetrie des Schaufelquerschnittes kann zudem die Bahnkurve des Bewegungssystems 16 2 nicht aus einer Spiegelung der Bahnkurve des Bewegungssystems 16 1 erzeugt werden Aus diesen Gründen wäre es sehr unvorteilhaft, diese Hartungsaufgabe nach dem Stand der Technik mit einem Bewegungssystem zu realisieren

Zur Erzeugung einer optimalen Hartungszonengeometπe werden deshalb erfindungsgemaß zwei getrennt einstellbare aber kooperierend arbeitende Bewegungssysteme 6 1 und 6 2 eingesetzt Eine vorteilhafte Verkörperung ist in Beispiel 2 beschrieben, deren Anordnung auch sehr gut für die Härtung der Eintrittskanten von Turbinenschaufeln eingesetzt werden kann

Da die Hartungsaufgabe sehr komplex ist und viele Freiheitsgrade für die Parametereinstellung existieren, werden gunstige Leistungsdichteverteilungen für eine ausreichende Anzahl von Schaufelblattgeometrien über eine FEM-Temperaturfeldsιmulatιon berechnet Über ein separates Programm werden aus gewünschten Leistungsdichteverteilungen dazu notwendige Schwingfunktionen des Laserstrahles für ausgewählte Verhaltnisse von Oszillationsamplitude und Strahldurchmesser ermittelt Über eine teach-ιn-Programmιerung wird der Neigungswinkel zwischen den beiden Laserstrahlen 17 1 und 17 2 und der Schaufelblattmittellinie und damit auch der Winkel ß zwischen den optischen Achsen der beiden Laserstrahlen eingegeben Anschließend werden daraus die Bewegungsprogramme für die beiden Roboter 18 1 und 18 2 erarbeitet Über eine Probehartung an einer Werkstoffprobe werden die notwendigen Laserleistungen bei den gegebenen Parametersatzen ermittelt

Nach Eingabe aller Parameter und der Eichung des Temperaturregelsystems wird der Hartungs- prozess gestartet Das Ergebnis ist eine entlang der Schaufeleintrittskante beanspruchungsgerecht ausgebildete Hartungszone 8 in Kappenform, die ein optimales Verhältnis von Verschleißschutz und Schwingfestigkeit der Turbinenschaufel ermöglicht Die Hartungszone 8 weist eine konstante Oberflachenharte über die gesamte Spurbreite innerhalb der Funktionsflachen 21 1 und 21 2 auf Zudem wird durch die optimal eingestellte Austenitisierungs- temperatur und die große Abkuhlgeschwindigkeit infolge des Verzichtes des Durchhartens der Schaufeleintrittskante das Hartungsvermogen des Stahles vollständig genutzt

Beispiel 4:

Ein Umformwerkzeug, das eine Stoßkante 27 aufweist, deren Winkel α sich längs der Stoßkante ändert (siehe Fig 4 a, sowie 4b-d) soll induktiv gehartet werden Mit einem Forminduktor und einem einzigen Bewegungssystem ist das nicht möglich

Die erfindungsgemaße Losung sieht vor, einen Induktor 1 5 1 mit dem Bewegungssystem 6 1 und einen zweiten Induktor 1 5 2 mit dem Bewegungssystem 6 2 zu verbinden Die Induktoren 15 1 und 15 2 sind entsprechend der unterschiedlichen Einhartebreiten b, und b₂ sowie unterschiedlicher Einhartetiefen t, und t₂ unterschiedlich ausgebildet Mit Annäherung an die Stoßkante 27 nimmt die Wärmeableitung ab und direkt an der Stoßkante 27 kann sich wahrend der Erwärmung eine Uberhitzung ergeben. Dem wird dadurch begegnet, dass die Induktorunterseiten nicht parallel zur Oberflache der Funktionsflache angeordnet, sondern so geneigt sind, dass sie in Richtung Stoßkante 27 einen größeren Kopplungsabstand aufweisen Darüber hinaus wird ein durch Vorversuche einzustellender Abstand zwischen Induktorende und Stoßkante 27 eingestellt Beides geschieht gleichermaßen für beide Induktoren Entlang der Hartungsbahn (siehe Schnitt A-A, Schnitt B-B, Schnitt C-C in Fig 4b, c, d) werden mit zunehmendem Winkel α zwischen den beiden Funktionsflachen sowohl die Neigung der Induktorunterseiten zur Oberflache der Funktionsflachen als auch der Abstand zwischen Induktorende und Stoßkanten 27 verringert Diese beiden Korrekturbewegungen werden den aus den CAD-Daten des Bauteils generierten Bewegungsprogrammen überlagert Mit einer Anlagenkonfiguration, wie in Beispiel 2 erläutert, werden mit zwei getrennten Bewegungssystemen die notigen Bewegungsabläufe erzeugt. Dem zeitlichen Abstand zwischen den beiden Induktoren kommt eine wichtige Rolle zu Einerseits dürfen die Induktoren nicht zu eng beieinander stehen, damit sich die beiden induktiven Felder nicht gegenseitig beeinflussen, andererseits darf zur Vermeidung der Bildung von Anlasszonen der Abstand nicht zu groß sein. Deshalb wird an der Position mit der besten Wärmeableitung (dem größten Winkel α) die Abkuhlgeschwindigkeit gemessen und danach der Abstand zwischen beiden Induktoren bestimmt. Als weitere Bedingung ist für den Fall einer notigen Fremdabschreckung zu beachten, dass die Wasserbrause noch vor Unterschreiten der Martensitstart- temperatur MS einsetzt

Der Vorteil dieser erfindungsgemaßen Anordnung besteht darin, dass damit

• eine Vielzahl kompliziert geformter Bauteile dem sehr preiswerten Induktionsharten ohne Anlasszonen zugänglich werden,

• die Flexibilität von Induktionsharteanlagen zunimmt,

• kompliziert geformte Bauteile beanspruchungsgerechter gehartet werden können, • variable Hartungszonengeometπen, Hartungszonen, -breiten und -tiefen durch die Verstellung der Relativpositionen zwischen den Induktoren flexibel auf einem Bauteil erzeugt werden können

Beispiel 5:

Eine Fuhrungsspindel 31 mit einem kreisförmigen Querschnitt, einer Langsfuhrung 33 und schräg auf der Zylindermantelflache 32 angeordneten Kugellaufbahnen 34 soll, wie in Fig 5 dargestellt, komplett randschichtgehartet werden Sie ist aus dem Kugellagerstahl 10006 gefertigt Die Kugellaufbahnen 34 haben zur Vergrößerung des Kontaktwinkels zwischen Kugel und Kugellaufbahn einen kreisförmigen Querschnitt Zur Verringerung der Rissanfalligkeit und zur Vermeidung von weichen Anlasszonen ist die nacheinander getrennt erfolgende Härtung von Zylindermantelflache 32, Langsfuhrung 33 und Kugellaufbahnen 34 nicht gestattet Die Aufgabe wird dadurch gelost, dass die gesamte zu hartende Bauteiloberflache mit einem einheitlichen Temperaturfeld 4 im Vorschub gehartet wird Das einheitliche Temperaturfeld 4 entsteht durch die erfindungsgemaß zeitlich und räumlich koordinierte Überlagerung von zwei Einzeltemperaturfeldern 3 1 und 3 2, die in diesem Beispiel entsprechend Anspruch 1 5 sowohl durch einen Laser 12 1 als Energiequelle 10 1 als auch einen Induktionsgenerator 26 1 als Energiequelle 10 2 erzeugt werden

Der Induktor 1 5 1 härtet dabei die Zylindermantelflache 32 und die Langsfuhrung 33, wahrend der Laserstrahl 17 1 die Kugellaufbahnen 34 härtet Dazu ist der Induktor 15 1 als Forminduktor ausgelegt, der die Zylindermantelflache 32 und die beiden Seitenflächen der Langsfuhrung 33 umfasst Der Laserstrahl 17 1 wird dagegen zur Härtung der Kugellaufbahnen 34 verwendet Dazu wird wiederum ein Laserstrahlscanner 14 1 verwendet, der den Laserstrahl senkrecht zu seiner Vorschubrichtung scannt

Das Bewegungssystem 6 1 besteht aus einer einfachen hydraulischen Achse, die die sehr lange Fuhrungsspindel 31 mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit durch den Induktor 1 5 1 hindurch bewegt Das Bewegungssystem 6 2 ist eine einfache NC- oder CNC-Achse, die die Strahlformungseinheit 9 2 auf einer kreisbahnformigen Bahnkurve 5 2 bewegt Manuelle Zustellelemente dienen zur Einstellung der Relativposition zwischen Laserstrahl 17 1 und Induktor 15 1

Die Bewegungsgeschwindigkeit 22 2 und Bewegungsπchtung der Strahlformungseinheit 9 2 im Bewegungssystem 6 2 werden so auf die Bewegungsgeschwindigkeit 22 1 des Bauteils 1 durch das Bewegungssystem 6 1 gegenüber dem Induktor 15 1 eingestellt, dass ihre Komponenten in Vorschubrichtung des Bauteils 1 gleich groß sind Zur effektiven Durchfuhrung der Laserstrahlerwarmung erfolgt die Laserstrahlhartung im Nachlauf zur induktiven Erwärmung Aus energetischen Gründen wird hier der zeitliche Abstand Δt, ₂ zwischen dem Erreichen der maximalen Austenitisierungstemperatur T_maxl unter dem Induktor 1 5 1 und dem Erreichen der maximalen Austenitisierungstemperatur unter dem Laserstrahl 17 1 hier viel kurzer gewählt, als die Zeitspanne Δt_ms bevor die Martensitbildung einsetzt Der Laserstrahl 17 1 ist direkt hinter dem Induktor 1 5 1 positioniert Die Temperatur ist hier noch großer als 800⁰C Das hat den Vorteil, dass durch die energetische Arbeitsteilung nur ein Bruchteil der sonst üblichen Laserstrahlleistung benotigt wird Hinter der Position der Laserstrahleinwirkung ist noch eine Wasserbrause angeordnet

Durch die koordinierte Bewegung der beiden Bewegungssysteme 6 1 und 6 2 und die Überlagerung der beiden Einzeltemperaturfelder 3 1 und 3 2 zweier verschiedener Energiequellen 10 1 und 10 2 zu einem einheitlichen, die gesamte Funktionsflache 21 des Bauteils 1 umfassenden Temperaturfeldes 4 wird eine optimale, anlasszonenfreie Härtung des Bauteils möglich

Bezuqszeichenliste

1 zu härtendes Bauteil

2 Energieeinwirkungszonen 1 bis n

3 Einzeltemperaturfelder 1 bis n

4 einheitliches Temperaturfeld

5 Bahnkurven 1 bis n

6 Bewegungssysteme 1 bis n

7 Oberflachenelement

8 Hartungszone

9 Energieformungseinheiten 1 bis n, Strahlformungsemheiten 1 bis n, Feldformungseinheiten 1 bis n

10 Energiequellen 1 bis n

1 1 Bauteilemspannungen 1 bis n

12 Laser 1 bis n

13 Lichtleitfaser 1 bis n

14 Laserstrahlscanner 1 bis n

1 5 Induktoren 1 bis n

16 Leistungsdichteverteilung 1 bis n

17 Laserstrahlen 1 bis n

18 Roboter 1 bis n

19 Einhartebreite 1 bis n

20 Einhartetiefe 1 bis n

21 zu hartende Funktionsflachen 1 bis n

22 Vorschubgeschwindigkeiten 1 bis n

23 Fokussieroptik 1 bis n

24 Einzelhartungszonen 1 bis n

25 Steuerungseinheit der Bewegungssysteme 1 bis n

26 Induktionsgeneratoren 1 bis n

27 Stoßkante zwischen den Funktionsflachen

28 Anlasszone 29 optische Achsen der Laserstrahlen 1 bis n

30 Drehachse

31 Fuhrungsspindel

32 Zylindermantelf lache

33 Langsfuhrung

34 Kugellaufbahn

ΔT_a - Austenitisierungstemperatuπntervall

MS - Martensitstarttemperatur

T_maxn - Maximaltemperatur des Einzeltemperaturfeldes 3 n

At_n - zeitlicher Abstand zwischen den Maximaltemperaturen T_maxn der Temperaturfelder

3 n und 3 n+1

Δt_ms - zeitlicher Abstand zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur T_maxn und dem

Beginn der Martensitstarttemperatur MS

At₁₈₀ - zeitlicher Abstand zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur T_maxn und der

Temperatur der ersten Anlassstufe in hartbaren Stahlen 180⁰C α - Winkel zwischen den Oberflachen zweier aneinander stoßender Funktionsflachen

ΔT_an - Anlasstemperaturintervall

ΔT_L - Losungsgluhtemperatuπntervall b_n - Einhartebreite der Einzelhartungszone n t_n - Einhartetiefe der Einzelhartungszone n b - Einhartebreite der gesamten Hartungszone t - Einhartetiefe der gesamten Hartungszone ß - Winkel zwischen der optischen Achse zweier Laserstrahlen

A, B - Positionen auf den zu hartenden Funktionsflachen

Claims

Patentansprüche:

Verfahren zum Randschichtharten formkomphzierter Bauteile mittels mehrerer Energieeinwirkungszonen, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinwirkungszonen (2) auf unterschiedlichen raumlich und zeitlich getrennten Bahnkurven (5) und mittels kooperierend arbeitender Bewegungssysteme (6) so gefuhrt werden, dass durch die Überlagerung der Einzeltemperaturfelder (3) ein einheitliches, die Funktionsf lache (21 ) des Bauteils (1 ) vollständig umfassendes Temperaturfeld (4) entsteht, innerhalb dessen jedes Oberflachenelement (7) der spateren Hartungszone (8) des Bauteils (1) mindestens einmal das gewählte Austenitisierungstemperaturintervall ΔT_a erreicht und der zeitliche Abstand Δt zwischen den Maximaltemperaturen T_maxn der Einzeltemperaturfelder 3 1 bis 3 n (3) kleiner ist, als die Zeit Δt_mS, die benotigt wird, um wahrend deren Abkuhlphase die Martensitstarttemperatur MS zu unterschreiten

Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung (16) der einzelnen Energieeinwirkungszonen (2) jeweils separat den lokalen Warme- ableitungsbedingungen und den gewünschten Einhartebreiten (19) und Einhartetiefen (20) angepasst werden

Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Einzeltemperaturfelder (3) Laserstrahlung verwendet wird

Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Leistungsdichteverteilungen (1 6) an die lokalen Warmeableitungsbedingungen und gewünschten Einhartebreiten (19) und Einhartetiefen (20) durch geeignete Oszillationen der teildefokussierten Laserstrahlen (1 7) erfolgt und die Schwingfunktionen für die Laserstrahloszillationen ortsabhangig durch die Steuerungen der Bewegungssysteme (6) angesteuert bzw erzeugt werden Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Einzeltemperaturfelder (3) induktive Energie verwendet wird

Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Leistungsdichteverteilungen (16) an die lokalen

Warmeableitungsbedingungen und gewünschten Einhartebreiten (19) und Einhartetiefen (20) durch die Einstellung des Abstandes bzw der Überlappung zwischen den einzelnen Induktoren (1 5) oder / und die Einstellung des Kopplungsabstandes der einzelnen Induktoren (15) zum Bauteil (1) vorgenommen wird und durch die Bewegungsprogramme der Bewegungssysteme (6) realisiert werden

Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das einheitliche Temperaturfeld (4) durch die gleichzeitige Einwirkung von sowohl durch Laserstrahlung als auch induktiv erzeugten Leistungsdichteverteilungen erfolgt

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall teilweise räumlich getrennt angeordneter oder sich verzweigender Funktionsflachen (21) die Leistungsdichteverteilungen (16) so eingestellt werden, dass sie getrennt die jeweiligen Teilflachen der Funktionsflachen umfassen und bei unterschiedlichen Weglangen der Teilflachen die einzelnen Vorschubgeschwindigkeiten (22) so eingestellt werden, dass die Einzeltemperaturfelder (3) der getrennten Funktionsflachen beim Erreichen ihres Vereinigungspunktes einen zeitlichen Abstand At_n < Δt_ms aufweisen

Vorrichtung zum Randschichtharten formkomplizierter Bauteile mittels mehrerer Energieformungseinheiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieformungseinheiten (9) mit einem oder mehreren Energiequellen (10) für optische oder elektromagnetische Strahlung verbunden sind und jeweils einzeln an getrennt, aber kooperierend arbeitenden Bewegungssystemen (1 1 ) befestigt sind Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen (10) für optische Strahlung Laser (1 2) sind

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser (12) mittels Lichtleitfaser (13) jeweils mit einer oder mehreren Strahlformungseinheiten (9) verbunden

Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen (10) fasergekoppelte Hochleistungsdiodenlaser

Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 9 bis 1 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheiten (9) Laserstrahlscanner (24) enthalten und diese mit den Steuerungseinheiten (25) der Bewegungssysteme verbunden sind

Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen (10) für elektromagnetische Strahlung Induktionsgeneratoren (26) und die Feldformungseinheiten (9) Induktoren (15) sind

Vorrichtung nach den Ansprüchen 9, 10 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen (10) sowohl Laser (12) als auch Induktionsgeneratoren (1 5) sein können

Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als kooperierend arbeitende Bewegungssysteme (1 1 ) Roboter (18) eingesetzt werden

Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche von 9 bis 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchfuhrung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 8 eingesetzt wird