EP2087141B1 - Verfahren und vorrichtung zum randschichthärten formkomplizierter bauteile - Google Patents
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- C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
Definitions
- the invention relates to the surface hardening of machine, equipment and device parts and tools.
- Objects in which their application is possible and expedient, are highly fatigued or wear-stressed components of hardenable steels, which have a complicated shape and the surface must be selectively cured on the functional surfaces or in which the functional surface has a multi-dimensional shape. It is particularly advantageous to use the invention for those components in which the geometry of the functional surface changes three-dimensionally along the component.
- Such components are z.
- Further applications are local heat treatments such.
- Surface hardening is a technique widely used in the art for increasing the wear resistance and fatigue strength of hardenable steels.
- sources of energy the flame, inductive energy, the electron beam and the laser beam are used - ordered according to increasing power density and 3D capability.
- the functional surface to be hardened comprises two abutting surfaces at a certain angle, such as, for example, B. cutting tools or forming tools.
- both surfaces must be cured simultaneously to prevent so-called tempering zones.
- the tempering zones are formed by renewed application of temperature to the level of the beginning of the austenite transformation of the previously generated hardness trace by the temperature field of the following trace. This results in short term annealing of areas of the previously produced track to an extent that drastically degrades wear and fatigue resistance in a variety of load cases.
- beam splitter units In the case of laser beam curing, beam splitter units have become known which, in their most flexible form, are equipped with two laser beam scanner systems (see M. Seifert, B. Brenner, F. Tietz, E. Beyer: "Pioneering laser scanning system for hardening turbine blades" in: Conference proceedings "International Congress on Applications of Laser and Electro-Optics", San Diego, California, USA , 15.-18.11.1999, vol. 87f, p. 1-10 ).
- the system consists of a beam splitter optics for the laser beam of a CO 2 laser, two parabolically curved focus mirrors and two laser scanning systems arranged in the beam path thereafter.
- both the beam incidence angle and the beam dimensions can be pre-set. This allows components with two at the angle ⁇ abutting functional surfaces in the angular range of about 10 °. ⁇ . 80 ° simultaneously and without the generation of tempering zones are hardened.
- US Pat. No. 4,533,400 discloses a device for simultaneous surface hardening of both sides of a gear tooth by laser radiation, comprising a power source and a plurality of lenses for power density distributions and movement systems.
- the aim of the invention is to provide a new and flexible method and a corresponding device which make it possible to harden also the functional surfaces of complicatedly shaped components according to the load and without the occurrence of tempering zones.
- they should also be suitable for the surface hardening of components in which the abutting edge between two adjacent functional surfaces has a three-dimensional course and / or the angle ⁇ between adjacent functional surfaces changes along their abutting edges.
- the invention has for its object to provide a method and apparatus that allow to set a desired temperature field so flexible that during processing along the multi-dimensionally curved abutting edges of the functional surfaces the local heat dissipation conditions and local wear and load conditions as well geometric changes can be adjusted.
- this object is achieved with a method and an associated device for surface hardening of complicated components as in the two main claims 1 and 9 and the accompanying dependent claims 2 to 8 or 10 to 17 specified.
- a particularly flexible and well controllable possibility for location-dependent adjustment of the power density distributions represents the case of the use of laser beams as an energy source, the oscillation of suitable partially-focused laser beams, as set forth in claim 4.
- the vibration functions can be varied depending on the location and are controlled or generated by the controls of the motion systems.
- this type of control of the power density distributions also includes the possibility of setting asymmetrical power density distributions by using non-harmonic oscillatory functions across the direction of advance of the energy-affected zone. This is particularly advantageous when the functional surface extends along edges or edges.
- the claim 8 designed the solution according to the invention for components in which the functional surface is partially interrupted by holes, recesses, grooves o. ⁇ . Design features or fan out for a certain length in several separate functional surfaces lying apart.
- the procedural solution according to the invention is realized in a device as set forth in independent device claim 9. It essentially consists of several cooperating motion systems to which the energy-shaping units are flanged. This ensures that the energy-shaping units fed by one or more energy sources can be moved on different trajectories.
- the energy sources are lasers
- the claims 11 to 13 represent particularly favorable embodiments again.
- the solution is particularly flexible and cost-effective to use fiber-coupled high-power diode lasers as energy sources and laser beam scanners as beam shaping units.
- induction generators can also be used, as is explained in claim 14, and inductors can be used as field-shaping units.
- a particularly flexible and inexpensive device variant arises when, as set out in claim 16, robots are used as cooperating motion systems.
- the preferred use of the device according to the invention for carrying out the method according to the invention is set out again.
- the solution according to the invention is not limited to surface hardening tasks only. Likewise, local tempering processes or solution annealing processes can be carried out. Without violating the inventive concept, only the austenitizing temperature interval has to be used for the procedure Be replaced by a .DELTA.T the temperature interval for the short time annealing at .DELTA.T or the outer layer solution annealing precipitation hardenable steels .DELTA.T L. For short-term starting, the time difference ⁇ t mS must also be replaced by ⁇ t 180 .
- a cutting tool 1 should be surface hardened to suit the load and with less distortion than conventional technologies. At the same time a higher wear resistance should be achieved.
- the cutting tool 1 is made of steel X155CrMoV12.1 and has a hardness of 300 HV in the normal tempered state. The angle ⁇ between the two functional surfaces is about 85 °. It has been shown that for a stress-hardening both surfaces adjacent to the cutting edge must be hardened. In order to avoid a brittle breaking out of the cutting edge, however, the edge must not be through-hardened.
- Another variant of the laser beam hardening would be to position the component relative to the laser beam so that the laser beam impinges symmetrically on the two functional surfaces, to move the laser beam along the abutment edge 27 and to let it scan perpendicular to the feed direction.
- This variant allows a much more stress-resistant curing, but it is also difficult to optimally harden all areas of the functional surfaces. Problems arise in particular those zones in which the abutting edge is strongly curved in one or more planes. Here it is very difficult to guarantee the same austenitizing temperature over the entire surface of the hardening zone without melting.
- two laser beams 17.1 and 17.2 are used, which are emitted by two fiber-coupled high-power diode lasers. Both laser beams are guided by a respective optical fiber 13.1 and 13.2 in a respective beam shaping unit 9.1 and 9.2.
- two laser beam scanners 14.1 and 14.2 which can be controlled via the program of the movement machines, they are scanned perpendicular to the feed direction.
- the oscillating mirrors of the scanners 14.1 and 14.2 are controlled with location-dependent vibration functions. This results in separately optimizable power density distributions 16.1 and 16.2 for both individual hardening zones 24.1 and 24.2.
- Both motion systems 6.1 and 6.2 are programmed so that the optical axes 29.1 and 29.2 of the two scanned laser beams 17.1 and 17.2 are perpendicular or nearly perpendicular to the surfaces of the two energy action zones 2.1 and 2.2 and each at a distance of 1 ⁇ 2 b, or 1 ⁇ 2 b 2 have to the abutting edge 27 of the two functional surfaces 21.1 and 21.2.
- the two motion systems 6.1 and 6.2 realize two completely different trajectories.
- the power density distributions 16.1 and 16.2 are adjusted so that the lower heat dissipation in the vicinity of the abutting edge and at curvatures of the abutting edge 27 is compensated such that a constant surface hardness results transversely to the functional surfaces 21.1 and 21.2 to be hardened.
- the required hardening depths t 1 and t 2 are determined by the duration of the action of the action of the energy and adjusted by a suitable length of the laser beam spot in the feed direction.
- the surface temperature is kept constant by a pyrometer control of the power of the two lasers. From temperature field calculations, nomograms or a test on a material sample, the required target feed rate of the two laser beams is determined.
- the focal distance is increased and the laser power is increased. This ensures that the time difference .DELTA.t n is smaller between the reaching the maximum temperature of the temperature field 3.1 and 3.2 of the temperature field, as the time difference .DELTA.t ms between reaching the maximum temperature and the start of martensite MS. This will certainly prevent starting zones.
- the result is a continuous, stress-hardened, optimally cured hardening zone 8 without tempering zones and with a constant hardness of 800HV.
- Both the movement system 6.1 and the movement system 6.2 consists of a robot 18.1 and 18.2, which are identical to each other. They work cooperatively with each other, ie both motion systems are coupled with each other in such a way that they are exactly coordinated in terms of geometry and time. The two tools move almost synchronously and always reach the next end point at the same time regardless of the trajectory of the individual robots.
- the orientation can be fixed to each other, so that a change in the tool position of a system in the room by the second system is automatically compensated, which simplifies the setup process enormous.
- Two beam-forming units 9.1 and 9.2 are attached to the arm of the two robots. They receive the two optical fibers 13.1 and 13.2, which can follow the movements of the robot 18.1 and 18.2 via two flexible CFRP rods, without falling below the critical bending radius.
- the two beam-forming units 9.1 and 9.2 each consist of a collimation and a focusing module. Behind the focusing module is ever a laser beam scanner 14.1 or 14.2. Between the laser beam scanner and the focusing module is an inclined semipermeable mirror that lets the laser radiation through. The heat radiation emitted by the component 1 is reflected and supplied to a pyrometer, which supplies the input signal for the temperature control.
- the component to be cured 1 is in a component clamping device attached, which is located on the three-jaw chuck of the rotation axis 30.
- the component is conveniently rotated so that the abutting edge 27 points upward.
- the robot 18.1 is programmed so that it leaves the path for the functional surface 21.1 (in the component coordinate system, a movement in the x- and the y-plane).
- the robot 18.2 moves the other trajectory along the functional surface 21.2 (in the component coordinate system: x, y, z axis, as well as the rotational movement in the C axis).
- the exercise program can be used. If, on the other hand, ⁇ t ms > ⁇ t max1 at any component position, the two feed rates 22.1 and 22.2 are locally reprogrammed until the condition ⁇ t ms ⁇ t max1 holds again. At the program steps, in which such an intervention takes place, the defocusing of the laser beam and the laser power is changed to compensate.
- a turbine blade (see Fig. 3a ), which is heavily stressed by erosive wear, should receive a load-adapted protection of the blade leading edge.
- the particles strike almost perpendicular to the blade leading edge.
- It consists of the steel X20Cr13 and is tempered to a hardness of 230 HV, in order to realize a very tough structural condition.
- this high tempered state is not capable of withstanding the gagging wear stress.
- laser beam hardening is very well suited to considerably increase the resistance to drop impact wear. Due to the high cyclic load and the risk of stress corrosion, the blade tip should not be hardened through. In order to formulate the hardening zone 8, it must have a cap shape which is adapted to the local airfoil profile.
- the cap shape should be nearly symmetrical with a relatively large width of the hardening in the vicinity of the abutting edge 27.
- the relative nominal hardening depth is lower and the hardening zone 8 adapts more to the course of the surface.
- Example 2 An advantageous embodiment is described in Example 2, the arrangement of which can also be used very well for the hardening of the inlet edges of turbine blades.
- the hardening process is started.
- the result is a hardening zone 8 in the form of a cap, which is designed to be stress-resistant along the blade leading edge and which enables an optimum ratio of wear protection and vibration resistance of the turbine blade.
- the hardening zone 8 has a constant surface hardness over the entire track width within the functional surfaces 21.1 and 21.2.
- the hardening capacity of the steel is fully utilized by the optimally adjusted austenitizing temperature and the high cooling rate due to the omission of the hardening of the blade leading edge.
- a forming tool having a butt edge 27 whose angle ⁇ varies along the hemming edge should be inductively hardened. This is not possible with a shape inductor and a single motion system.
- the solution according to the invention provides for connecting an inductor 15.1 to the motion system 6.1 and a second inductor 15.2 to the motion system 6.2.
- the inductors 15.1 and 15.2 are formed differently according to the different Einhärteumblen b 1 and b 2 and different hardening depths t 1 and t 2 .
- both the inclination of the underside of the inductor to the surface of the functional surfaces and the distance between the inductor end and abutting edges 27 are reduced with increasing angle ⁇ between the two functional surfaces.
- the cooling rate is measured and then the distance between both inductors is determined.
- the water shower starts before the martensite start temperature falls below MS.
- a guide spindle 31 with a circular cross section, a longitudinal guide 33 and obliquely arranged on the cylindrical surface 32 ball raceways 34 should, as in Fig. 5a to 5d shown, completely surface hardened. It is made of ball bearing steel 100Cr6.
- the ball raceways 34 have to increase the contact angle between the ball and ball track a circular cross-section.
- the hardening of cylinder jacket surface 32, longitudinal guide 33 and ball raceways 34 which takes place separately in succession, is not permitted.
- the object is achieved in that the entire component surface to be cured is cured with a uniform temperature field 4 in the feed.
- the uniform temperature field 4 is formed by the temporally and spatially coordinated superposition according to the invention of two individual temperature fields 3.1 and 3.2, which are generated in this example according to claim 15 both by a laser as an energy source and an induction generator as an energy source.
- the inductor 15.1 generates the energy action zone 2.1 and hardens the cylinder jacket surface 32 and the longitudinal guide 33, while the laser beam 17.2 hardens the ball raceways 34 by means of its energy action zone 2.2.
- the inductor 15.1 is designed as a shape inductor, which comprises the cylinder jacket surface 32 and the two side surfaces of the longitudinal guide 33.
- the laser beam 17.2, however, is used to cure the ball raceways 34.
- a laser beam scanner 14.1 is used, which scans the laser beam perpendicular to its feed direction.
- the movement system 6.1 consists of a simple hydraulic axis which moves the very long guide spindle 31 through the inductor 15.1 at a constant feed rate.
- the movement system 6.2 is a simple NC or CNC axis, which moves the beam-shaping unit 9.2 on a circular track-shaped trajectory 5.2.
- Manual Feed elements are used to set the relative position between the laser beam 17.2 and inductor 15.1.
- the movement speed 22.2 and the direction of movement of the beam shaping unit 9.2 in the motion system 6.2 are adjusted to the movement speed 22.1 of the component 1 by the movement system 6.1 relative to the inductor 15.1 that their components in the feed direction of the component 1 are the same size.
- the laser beam hardening occurs in the wake of inductive heating.
- the time interval ⁇ t 1, 2 between reaching the maximum austenitizing temperature T max1 below the inductor 15.1 and reaching the maximum austenitizing temperature under the laser beam 17.2 is here chosen to be much shorter than the time interval ⁇ t ms before the martensite formation begins.
- the laser beam 17.2 is positioned directly behind the inductor 15.1.
- the temperature here is even greater than 800 ° C. This has the advantage that only a fraction of the usual laser beam power is required by the energetic division of labor. Behind the position of the laser beam effect, a water shower is still arranged.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf die Randschichthärtung von Maschinen-, Anlagen- und Vorrichtungsteilen sowie Werkzeugen. Objekte, bei denen ihre 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. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für solche Bauteile einzusetzen, bei denen sich die Geometrie der Funktionsfläche entlang des Bauteils dreidimensional ändert. Solche Bauteile sind z. B. Großwerkzeuge, Schneid- und Besäumwerkzeuge sowie Pressformen für die Automobil-Karosseriefertigung, Turbinenschaufeln für den Niederdruckteil von Dampfturbinen, Kurvenscheiben, Maschinenbetten von Werkzeugen u. s .w.. Weitere Einsatzfälle sind lokale Wärmebehandlungen wie z. B. Randschichtlösungsglühen, Randschichtanlassen oder -vergüten von geometrisch komplizierten Bauteilen.
- Die Randschichthärtung ist ein in der Technik weit verbreitetes Verfahren zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit und Dauerschwingfestigkeit von Bauteilen aus härtbaren Stählen. Als Energiequellen werden - geordnet nach steigender Leistungsdichte und 3D-Fähigkeit - die Flamme, induktive Energie, der Elektronen- und der Laserstrahl eingesetzt.
- Vielfach umfasst die zu härtende Funktionsfläche zwei unter einem bestimmten Winkel aneinander stoßende Flächen, wie z. B. bei Schnittwerkzeugen oder Umformwerkzeugen. In solchen Fällen müssen optimalerweise beide Flächen gleichzeitig gehärtet werden, um sogenannte Anlasszonen zu verhindern. Die Anlasszonen entstehen durch erneute Temperaturbeaufschlagung bis zur Höhe des Beginns der Austenitumwandlung der zuvor erzeugten Härtespur 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 Ermüdungsbeständigkeit bei einer Vielzahl von Belastungsfällen drastisch verschlechtert.
- Zur Vermeidung dieser Anlasszonen werden im Fall der Induktionshärtung entsprechend geformte Induktoren, sogenannte Zweiflächen-Induktoren, eingesetzt, die in ihrer Kontur etwa dem Negativ der Geometrie der aneinander stoßenden Flächen entsprechen. Für ebene 2D-Bauteile 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 wären damit auch gekrümmte Härtespuren auf ebenen Bauteilen möglich. Der Induktor wird hierbei mechanisch mit Hilfe einer Matrize über das Bauteil geführt.
- Im Fall des Laserstrahlhärtens sind Strahlteilereinheiten bekannt geworden, die in ihrer Ausbildungsform mit der größten Flexibilität mit zwei Laserstrahlscannersystemen ausgerüstet sind (siehe M. Seifert, B. Brenner, F. Tietz, E. Beyer: "Pioneering 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.-18.11.1999, 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 Strahlteilerspiegels, der Abstände zwischen Strahlteilerspiegel, Fokussierspiegel, Scanningspiegel sowie die Variation des Scannwinkels können sowohl der Strahlauftreffwinkel wie auch die Strahlabmessungen (Breite, Länge) vorab eingestellt werden. Damit können Bauteile mit zwei unter dem Winkel α aneinander stoßenden Funktionsflächen im Winkelbereich von ca. 10° . α. 80° gleichzeitig und ohne die Erzeugung von Anlasszonen gehärtet werden.
US-A 4 533 400 offenbart eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Randschichthärten beider Seiten eines Zahnradzahns durch Laserstrahlung, die eine Energiequelle sowie mehrere Linsen für Leistungsdichtverteilungen und Bewegungssysteme umfasst. - Der Mangel sowohl der Anordnung zum Induktionshärten mittels Zweiflächen-Forminduktor oder mehrteiligem segmentiertem Induktor als auch in der Anordnung zum Laserstrahlhärten mit Strahlteiler und einstellbaren Strahlformungssystemen liegt darin, dass damit keine Bauteile gehärtet werden können, bei denen sich der Winkel α oder die Form der zu härtenden Fläche entlang der Stoßkante der beiden Funktionsflächen ändert. Prototypisch sollen als Verkörperung solcher Bauteile Turbinenschaufeln, die im Bereich ihrer Eintrittskante gehärtet werden sollen oder Schnittwerkzeuge genannt werden, deren Schnittkante einen 3D-gekrümmten Verlauf aufweist. Die Ursache dafür liegt darin, dass in beiden Fällen die Geometrie der Energieformungseinheit und damit die Leistungsdichteverteilung auf den beiden Funktionsflächen während 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 Funktionsflächen von kompliziert geformten Bauteilen beanspruchungsgerecht und ohne das Auftreten von Anlasszonen zu härten. Insbesondere sollen sie auch für die Randschichthärtung von Bauteilen geeignet sein, bei denen die Stoßkante zwischen zwei benachbarten Funktionsflächen einen dreidimensionalen Verlauf aufweist und / oder sich der Winkel α zwischen benachbarten Funktionsflächen entlang ihrer Stoßkanten ändert.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es gestatten, ein gewünschtes Temperaturfeld so flexibel einstellen zu können, dass es während der Bearbeitung entlang der mehrdimensional gekrümmten Stoßkanten der Funktionsflächen den lokalen Wärmeableitungsbedingungen sowie lokalen Verschleiß- und Belastungsbedingungen als auch geometrischen Änderungen angepasst werden kann.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren und einer dazugehörigen Vorrichtung zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile wie in den beiden Hauptansprüchen 1 und 9 sowie den zugehörigen Unteransprüchen 2 bis 8 bzw. 10 bis 17 angegeben gelöst.
- Wie in Anspruch 1 beschrieben wird, werden zur Erzeugung einer homogen, ohne Anlasszonen gehärteten Randschicht, die sich über die gesamte Funktionsfläche erstreckt, mehrere, mittels geeigneter Energieformungseinheiten erzeugte Energieeinwirkungszonen auf unterschiedlichen, räumlich und zeitlich getrennten Bahnkurven über die Funktionsfläche geführt. Erfindungsgemäß 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 Oberflächenelement in der zu härtenden Zone mindestens einmal das gewählte Austenitisierungstemperaturintervall ΔTa erreicht. Das braucht erfindungsgemäß für die einzelnen Energieeinwirkungszonen nicht gleichzeitig geschehen, sondern innerhalb einer Zeitdifferenz Δtms für das Erreichen der jeweiligen Maximaltemperatur Tmax n benachbarter Energieeinwirkungszonen, die kleiner ist, als die Zeit innerhalb der die Gebiete des zuvor erzeugten Einzeltemperaturfeldes bis auf die Martensitstarttemperatur abgekühlt sind.
- Da sowohl die Wärmeableitungsbedingungen als auch die Anforderungen an die Einhärtetiefen und die Breite der gesamten Härtungszone 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 während des Härtungsprozesses entsprechend den lokalen Anforderungen gewählt werden.
- Das Erreichen des geforderten einheitlichen Austenitisierungstemperaturintervalles ΔTa über die gesamte Breite der Härtungszone setzt neben der geeigneten räumlichen und zeitlichen Überlagerung der Einzeltemperaturfelder auch geeignet steuerbare Energiequellen ausreichend hoher Leistungsdichte und einstellbarer Leistungsdichteverteilung innerhalb der einzelnen Energieeinwirkungszonen 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 ortsabhängigen 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 ortsabhängig 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 Energieeinwirkungszone asymmetrische Leistungsdichteverteilungen einzustellen. Das ist besonders vorteilhaft, wenn sich die Funktionsfläche 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 ortsabhängig eingestellt werden. Das kann einfach und vorteilhaft durch das Abfahren unterschiedlicher Bewegungsprogramme für die einzelnen Induktoren erreicht werden.
- Für Bauteile mit formkomplizierten, großen zu härtenden Funktionsflächen eröffnet der Anspruch 7 neue verfahrenstechnische Möglichkeiten, indem im gleichen Härtungsprozess 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 Funktionsfläche, die einem Induktor nicht zugänglich sind.
- Der Anspruch 8 gestaltet die erfindungsgemäße Lösung für Bauteile aus, in denen die Funktionsfläche teilweise durch Bohrungen, Ausnehmungen, Nuten o. ä. konstruktive Besonderheiten unterbrochen ist oder sich für eine bestimmte Länge in mehrere, getrennt voneinander liegende Funktionsflächen auffächert.
- Die erfindungsgemäße verfahrenstechnische Lösung 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 11 bis 13 besonders günstige Ausgestaltungen wieder. Besonders flexibel und kostengünstig stellt sich die Lösung dar, als Energiequellen fasergekoppelte Hochleistungsdiodenlaser und als Strahlformungseinheiten Laserstrahlscanner zu verwenden.
- Für größere Funktionsflächen oder größere nötige Einhärtetiefen 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 erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegt.
- Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht nur auf Randschichthärteaufgaben begrenzt. Ebenso können lokale Anlassvorgänge oder Lösungsglühprozesse durchgeführt werden. Ohne Verletzung des Erfindungsgedankens muss dazu für den Verfahrensablauf nur das Austenitisierungstemperaturintervall ΔTa durch das Temperaturintervall für das Kurzzeitanlassen ΔTan bzw. das Randschichtlösungsglühen ausscheidungshärtbarer Stähle ΔTL ersetzt werden. Für das Kurzzeitanlassen ist darüber hinaus die Zeitdifferenz ΔtmS durch Δt180 zu ersetzen.
- Die Erfindung wird an den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Sie werden anhand der
Fig. 1 bis Fig. 5 ausführlich beschrieben. In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen. - Es zeigen:
- Fig. 1:
- Erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Randschichthärten der dreidimensional verlaufenden Schnittkante eines Schnittwerkzeuges
- Fig. 2:
- Härteanlage mit zwei kooperierenden Robotern
- Fig. 3:
- Anordnung der Härtungszone und Ausbildung der Leistungsdichteverteilungen zum Härten der Eintrittskante einer Kompressorschaufel mittels zweier fasergekoppelter Hochleistungsdiodenlaser
- Fig. 4:
- Anordnung der Härtungszone und der Induktoren für die Härtung einer Werkzeugkante mit wechselndem Winkel α zwischen den beiden aneinander stoßenden Funktionsflächen
- Fig. 5:
- Vorrichtung zum Härten einer Spindel mit eingearbeiteten Führungsbahnen für Kugeln einer Wälzlagerung
- Ein Schnittwerkzeug 1 (siehe
Fig. 1a ) soll beanspruchungsgerecht und mit geringerem Verzug als mit konventionellen Technologien randschichtgehärtet werden. Gleichzeitig soll eine höhere Verschleißbeständigkeit erreicht werden. Das Schnittwerkzeug 1 ist aus dem Stahl X155CrMoV12.1 und weist im normalen vergüteten Zustand eine Härte von 300 HV auf. Der Winkel α zwischen den beiden Funktionsflächen beträgt ca. 85°. Es hat sich gezeigt, dass zu einer beanspruchungsgerechten Härtung beide zur Schnittkante benachbarten Flächen gehärtet werden müssen. Um ein sprödes Ausbrechen der Schnittkante zu vermeiden, darf aber die Kante nicht durchgehärtet werden. - Eine beanspruchungsgerechte Induktions- oder Laserstrahlhärtung dieser Flächen ist nur schwer möglich. Eine Induktionshärtung mit einem Forminduktor würde keine optimale Härtung in Bereichen erlauben, in denen die Krümmung einer oder beider Einzelhärtungszonen 24.1 bzw. 24.2 größer ist. Mit einer konventionellen Laserstrahlhärtung würde man die Funktionsflächen 24.1 und 24.2 nacheinander härten müssen. Das hätte durch das Wiederanlassen der Einzelhärtungszone 24.1 eine Anlasszone 28 zur Folge (siehe
Fig. 1a ), innerhalb derer die Randschichthärte von ca. 800HV auf ca. 420HV abfällt. Die Folge wäre keine ausreichende Verbesserung de Verschleißbeständigkeit.
Eine andere Variante der Laserstrahlhärtung bestünde darin, das Bauteil relativ zum Laserstrahl so zu positionieren, dass der Laserstrahl gerade symmetrisch zu den beiden Funktionsflächen 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 Funktionsflächen optimal zu härten. 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 Oberfläche der Härtungszone die gleiche Austenitisierungstemperatur zu garantieren. - Zur erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabenstellung werden zwei Laserstrahlen 17.1 und 17.2 verwendet, die von zwei fasergekoppelten Hochleistungsdiodenlasern emittiert werden. Beide Laserstrahlen werden durch je eine Lichtleitfaser 13.1 und 13.2 in je eine Strahlformungseinheit 9.1 und 9.2 geführt. 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 ortsabhängigen Schwingfunktionen angesteuert. Dadurch entstehen getrennt für beide Einzelhärtungszonen 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 Oberflächen der beiden Energieeinwirkungszonen 2.1 und 2.2 stehen und jeweils einen Abstand von ½ b, bzw. ½ b2 zur Stoßkante 27 der beiden Funktionsflächen 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 Nähe der Stoßkante und bei Krümmungen der Stoßkante 27 so kompensiert wird, dass sich quer zu den zu härtenden Funktionsflächen 21.1 und 21.2 eine konstante Oberflächenhärte ergibt. Die geforderten Einhärtetiefen t1 und t2 werden durch die Energieeinwirkungsdauer bestimmt und durch eine geeignete Länge des Laserstrahlfleckes in Vorschubrichtung eingestellt. Die Oberflächentemperatur wird durch eine Pyrometerregelung der Leistung der beiden Laser 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 Δtn zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur des Temperaturfeldes 3.1 und des Temperaturfeldes 3.2 kleiner ist, als die Zeitdifferenz Δtms zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur und dem Beginn der Martensitstarttemperatur MS. Dadurch werden sicher Anlasszonen verhindert. - Als Ergebnis entsteht eine durchgehende, beanspruchungsgerechte, optimal aufgehärtete Härtungszone 8 ohne Anlasszonen und mit einer konstanten Härte von 800HV.
- Zur technischen Realisierung der im Beispiel 1 ausgeführten Lösung zum beanspruchungsgerechten Härten 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 Einrichtprozess 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 halbdurchlässiger Spiegel, der die Laserstrahlung durchlässt. Die vom Bauteil 1 emittierte Wärmestrahlung wird reflektiert und einem Pyrometer zugeführt, das das Eingangssignal für die Temperaturregelung liefert. Das zu härtende Bauteil 1 wird in einer Bauteilspannvorrichtung befestigt, die sich am Dreibackenfutter der Drehachse 30 befindet. Zur Randschichthärtung der Funktionsflächen 21.1 und 21.2 wird das Bauteil günstigerweise so gedreht, dass die Stoßkante 27 nach oben zeigt.
Der Roboter 18.1 wird so programmiert, dass er die Bahn für die Funktionsfläche 21.1 abfährt (im Bauteilkoordinatensystem eine Bewegung in der x- und der y-Ebene). Der Roboter 18.2 fährt die andere Bahnkurve entlang der Funktionsfläche 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 Δt1 größer ist als die Abkühlzeit Δtms zwischen Maximaltemperatur Tmax1 und der Martensitstarttemperatur MS, kann das Bewegungsprogramm so verwendet werden. Wenn dagegen an irgendeiner Bauteilposition Δtms > Δtmax1 gilt, werden die beiden Vorschubgeschwindigkeiten 22.1 und 22.2 lokal so umprogrammiert, bis die Bedingung Δtms < Δtmax1 wieder gilt. An den Programmschritten, in denen ein solcher Eingriff erfolgt, wird zur Kompensation die Defokussierung des Laserstrahles und die Laserleistung verändert. - 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 Härte von 230 HV vergütet, um einen sehr zähen Gefügezustand zu realisieren. Dieser hochangelassene Zustand ist aber nicht geeignet, der Tropfenschlagverschleißbeanspruchung zu widerstehen. Bekannt ist, dass eine Laserstrahlhärtung sehr gut geeignet ist, den Widerstand gegenüber Tropfenschlagverschleiß beträchtlich zu erhöhen. Wegen der hohen zyklischen Beanspruchung und der Spannungsrissgefährdung soll die Schaufelspitze aber nicht durchgehärtet werden. Um die Härtungszone 8 beanspruchungsgerecht auszubilden, muss sie eine Kappenform aufweisen, die dem lokalen Schaufelblattprofil angepasst ist. - Entlang der Stoßkante 27 der beiden zu härtenden Funktionsflächen 21.1 und 21.2 ändern sich sowohl die Verwindung des Schaufelblattes, die Schaufelblattdicke (siehe
Fig. 3b, 3c, 3d ), die Geometrie der Schaufeleintrittskante als auch die Sollkontur der zu härtenden kappenförmigen Härtungszone 8. Im Schnitt A-A soll die Kappenform nahezu symmetrisch mit einer relativ großen Breite der Durchhärtung in der Nähe der Stoßkante 27 sein. Im Schnitt C-C ist die relative Sollhärtetiefe geringer und die Härtungszone 8 passt sich mehr dem Verlauf der Oberfläche an. - Um diese Ausbildung und diesen Verlauf der Härtungszonengeometrie zu realisieren, müssen während der Laserstrahlhärtung 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 β) und relativ zur Neigung der Schaufeloberfläche, 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 Härtungsaufgabe nach dem Stand der Technik mit einem einzigen Bewegungssystem zu realisieren.
- Zur Erzeugung einer optimalen Härtungszonengeometrie werden deshalb erfindungsgemäß 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 Härtungsaufgabe sehr komplex ist und viele Freiheitsgrade für die Parametereinstellung existieren, werden günstige Leistungsdichteverteilungen für eine ausreichende Anzahl von Schaufelblattgeometrien über eine FEM-Temperaturfeldsimulation berechnet. Über ein separates Programm werden aus gewünschten Leistungsdichteverteilungen dazu notwendige Schwingfunktionen des Laserstrahles für ausgewählte Verhältnisse von Oszillationsamplitude und Strahldurchmesser ermittelt.
- Über eine teach-in-Programmierung wird der Neigungswinkel zwischen den beiden Laserstrahlen 17.1 und 17.2 und der Schaufelblattmittellinie und damit auch der Winkel β 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 Probehärtung an einer Werkstoffprobe werden die notwendigen Laserleistungen bei den gegebenen Parametersätzen ermittelt.
- Nach Eingabe aller Parameter und der Eichung des Temperaturregelsystems wird der Härtungsprozess gestartet. Das Ergebnis ist eine entlang der Schaufeleintrittskante beanspruchungsgerecht ausgebildete Härtungszone 8 in Kappenform, die ein optimales Verhältnis von Verschleißschutz und Schwingfestigkeit der Turbinenschaufel ermöglicht. Die Härtungszone 8 weist eine konstante Oberflächenhärte über die gesamte Spurbreite innerhalb der Funktionsflächen 21.1 und 21.2 auf. Zudem wird durch die optimal eingestellte Austenitisierungstemperatur und die große Abkühlgeschwindigkeit infolge des Verzichtes des Durchhärtens der Schaufeleintrittskante das Härtungsvermögen des Stahles vollständig genutzt.
- Ein Umformwerkzeug, das eine Stoßkante 27 aufweist, deren Winkel α sich längs der Stoßkante ändert (siehe
Fig. 4a , sowie4b-d ) soll induktiv gehärtet werden. Mit einem Forminduktor und einem einzigen Bewegungssystem ist das nicht möglich. - Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, einen Induktor 15.1 mit dem Bewegungssystem 6.1 und einen zweiten Induktor 15.2 mit dem Bewegungssystem 6.2 zu verbinden. Die Induktoren 15.1 und 15.2 sind entsprechend der unterschiedlichen Einhärtebreiten b1 und b2 sowie unterschiedlicher Einhärtetiefen t1 und t2 unterschiedlich ausgebildet.
- Mit Annäherung an die Stoßkante 27 nimmt die Wärmeableitung ab und direkt an der Stoßkante 27 kann sich während der Erwärmung eine Überhitzung ergeben. Dem wird dadurch begegnet, dass die Induktorunterseiten nicht parallel zur Oberfläche der Funktionsfläche 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 Härtungsbahn (siehe Schnitt A-A, Schnitt B-B, Schnitt C-C in
Fig. 4b, c, d ) werden mit zunehmendem Winkel α zwischen den beiden Funktionsflächen sowohl die Neigung der Induktorunterseiten zur Oberfläche der Funktionsflächen 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 nötigen 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 a) die Abkühlgeschwindigkeit gemessen und danach der Abstand zwischen beiden Induktoren bestimmt. Als weitere Bedingung ist für den Fall einer nötigen Fremdabschreckung zu beachten, dass die Wasserbrause noch vor Unterschreiten der Martensitstarttemperatur MS einsetzt. - Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass damit
- eine Vielzahl kompliziert geformter Bauteile dem sehr preiswerten Induktionshärten ohne Anlasszonen zugänglich werden,
- die Flexibilität von Induktionshärteanlagen zunimmt,
- kompliziert geformte Bauteile beanspruchungsgerechter gehärtet werden können,
- variable Härtungszonengeometrien, Härtungszonen, -breiten und -tiefen durch die Verstellung der Relativpositionen zwischen den Induktoren flexibel auf einem Bauteil erzeugt werden können.
- Eine Führungsspindel 31 mit einem kreisförmigen Querschnitt, einer Längsführung 33 und schräg auf der Zylindermantelfläche 32 angeordneten Kugellaufbahnen 34 soll, wie in
Fig. 5a bis 5d dargestellt, komplett randschichtgehärtet werden. Sie ist aus dem Kugellagerstahl 100Cr6 gefertigt. Die Kugellaufbahnen 34 haben zur Vergrößerung des Kontaktwinkels zwischen Kugel und Kugellaufbahn einen kreisförmigen Querschnitt. Zur Verringerung der Rissanfälligkeit und zur Vermeidung von weichen Anlasszonen ist die nacheinander getrennt erfolgende Härtung von Zylindermantelfläche 32, Längsführung 33 und Kugellaufbahnen 34 nicht gestattet.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die gesamte zu härtende Bauteiloberfläche mit einem einheitlichen Temperaturfeld 4 im Vorschub gehärtet wird. Das einheitliche Temperaturfeld 4 entsteht durch die erfindungsgemäß zeitlich und räumlich koordinierte Überlagerung von zwei Einzeltemperaturfeldern 3.1 und 3.2, die in diesem Beispiel entsprechend Anspruch 15 sowohl durch einen Laser als Energiequelle als auch einen Induktionsgenerator als Energiequelle erzeugt werden. - Der Induktor 15.1 erzeugt die Energieeinwirkungszone 2.1 und härtet dabei die Zylindermantelfläche 32 und die Längsführung 33, während der Laserstrahl 17.2 mittels seiner Energieeinwirkungszone 2.2 die Kugellaufbahnen 34 härtet. Dazu ist der Induktor 15.1 als Forminduktor ausgelegt, der die Zylindermantelfläche 32 und die beiden Seitenflächen der Längsführung 33 umfasst. Der Laserstrahl 17.2 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 Führungsspindel 31 mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit durch den Induktor 15.1 hindurch bewegt. Das Bewegungssystem 6.2 ist eine einfache NC- oder CNC-Achse, die die Strahlformungseinheit 9.2 auf einer kreisbahnförmigen Bahnkurve 5.2 bewegt. Manuelle Zustellelemente dienen zur Einstellung der Relativposition zwischen Laserstrahl 17.2 und Induktor 15.1.
- Die Bewegungsgeschwindigkeit 22.2 und Bewegungsrichtung 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 Durchführung der Laserstrahlerwärmung erfolgt die Laserstrahlhärtung im Nachlauf zur induktiven Erwärmung. Aus energetischen Gründen wird hier der zeitliche Abstand Δt1;2 zwischen dem Erreichen der maximalen Austenitisierungstemperatur Tmax1 unter dem Induktor 15.1 und dem Erreichen der maximalen Austenitisierungstemperatur unter dem Laserstrahl 17.2 hier viel kürzer gewählt, als die Zeitspanne Δtms bevor die Martensitbildung einsetzt. Der Laserstrahl 17.2 ist direkt hinter dem Induktor 15.1 positioniert. Die Temperatur ist hier noch größer als 800°C. Das hat den Vorteil, dass durch die energetische Arbeitsteilung nur ein Bruchteil der sonst üblichen Laserstrahlleistung benötigt 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 zu einem einheitlichen, die gesamte Funktionsfläche 21 des Bauteils 1 umfassenden Temperaturfeldes 4 wird eine optimale, anlasszonenfreie Härtung des Bauteils möglich.
-
- 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
- 8
- Härtungszone
- 9
- Energieformungseinheiten 1 bis n bzw., Strahlformungseinheiten 1 bis n, bzw. Feldformungseinheiten 1 bis n
- 11
- Bauteileinspannungen 1 bis n
- 13
- Lichtleitfaser 1 bis n
- 14
- Laserstrahlscanner 1 bis n
- 15
- Induktoren 1 bis n
- 16
- Leistungsdichteverteilung 1 bis n
- 17
- Laserstrahlen 1 bis n
- 18
- Roboter 1 bis n
- 19
- Einhärtebreite 1 bis n
- 20
- Einhärtetiefe 1 bis n
- 21
- zu härtende Funktionsflächen 1 bis n
- 22
- Vorschubgeschwindigkeiten 1 bis n
- 23
- Fokussieroptik 1 bis n
- 24
- Einzelhärtungszonen 1 bis n
- 27
- Stoßkante zwischen den Funktionsflächen
- 28
- Anlasszone
- 29
- optische Achsen der Laserstrahlen 1 bis n
- 30
- Drehachse
- 31
- Führungsspindel
- 32
- Zylindermantelfläche
- 33
- Längsführung
- 34
- Kugellaufbahn
- ΔTa -
- Austenitisierungstemperaturintervall
- MS -
- Martensitstarttemperatur
- Tmaxn -
- Maximaltemperatur des Einzeltemperaturfeldes 3.n
- Δtn -
- zeitlicher Abstand zwischen den Maximaltemperaturen Tmaxn der Temperaturfelder 3.n und 3.n+1
- Δtms -
- zeitlicher Abstand zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur Tmaxn und dem Beginn der Martensitstarttemperatur MS
- Δt180 -
- zeitlicher Abstand zwischen dem Erreichen der Maximaltemperatur Tmaxn und der Temperatur der ersten Anlassstufe in härtbaren Stählen 180°C
- α -
- Winkel zwischen den Oberflächen zweier aneinander stoßender Funktionsflächen
- ΔTan -
- Anlasstemperaturintervall
- ΔTL -
- Lösungsglühtemperaturintervall
- bn -
- Einhärtebreite der Einzelhärtungszone n
- tn -
- Einhärtetiefe der Einzelhärtungszone n
- b -
- Einhärtebreite der gesamten Härtungszone
- t -
- Einhärtetiefe der gesamten Härtungszone
- β -
- Winkel zwischen der optischen Achse zweier Laserstrahlen
- A, B -
- Positionen auf den zu härtenden Funktionsflächen
Claims (17)
- Verfahren zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile mittels mehrerer Energieeinwirkungszonen, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinwirkungszonen (2), in denen optische oder elektromagnetische Strahlung zur Aufheizung eingebracht wird, auf unterschiedlichen räumlich und zeitlich getrennten Bahnkurven (5) und mittels kooperierend arbeitender Bewegungssysteme (6) so geführt werden, dass durch die Überlagerung der Einzeltemperaturfelder (3) ein einheitliches, die Funktionsfläche (21) des Bauteils (1) vollständig umfassendes Temperaturfeld (4) entsteht, innerhalb dessen jedes Oberflächenelement der späteren Härtungszone (8) des Bauteils (1) mindestens einmal das gewählte Austenitisierungstemperaturintervall ΔTa erreicht und der zeitliche Abstand Δt zwischen den Maximaltemperaturen Tmaxn der Einzeltemperaturfelder 3.1 bis 3.n (3) kleiner ist, als die Zeit ΔtmS, die benötigt wird, um während deren Abkühlphase die Martensitstarttemperatur MS zu unterschreiten.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilungen (16) der einzelnen Energieeinwirkungszonen (2) jeweils separat den lokalen Wärmeableitungsbedingungen und den gewünschten Einhärtebreiten (19) und Einhärtetiefen (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 (16) an die lokalen Wärmeableitungsbedingungen und gewünschten Einhärtebreiten (19) und Einhärtetiefen (20) durch geeignete Oszillationen der teildefokussierten Laserstrahlen (17) erfolgt und die Schwingfunktionen für die Laserstrahloszillationen ortsabhängig durch die Steuerungen der Bewegungssysteme (6) angesteuert bzw. erzeugt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Einzeltemperaturfelder (3) induktive Energie verwendet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Leistungsdichteverteilungen (16) an die lokalen Wärmeableitungsbedingungen und gewünschten Einhärtebreiten (19) und Einhärtetiefen (20) durch die Einstellung des Abstandes bzw. der Überlappung zwischen einzelnen Induktoren (15) 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 einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall teilweise räumlich getrennt angeordneter oder sich verzweigender Funktionsflächen (21) die Leistungsdichteverteilungen (16) so eingestellt werden, dass sie getrennt die jeweiligen Teilflächen der Funktionsflächen umfassen und bei unterschiedlichen Weglängen der Teilflächen die einzelnen Vorschubgeschwindigkeiten (22) so eingestellt werden, dass die Einzeltemperaturfelder (3) der getrennten Funktionsflächen beim Erreichen ihres Vereinigungspunktes einen zeitlichen Abstand Δtn < Δtms aufweisen.
- Vorrichtung zum Randschichthärten formkomplizierter Bauteile mittels mehrerer Energieformungseinheiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieformungseinheiten (9) mit einer oder mehreren Energiequellen für optische oder elektromagnetische Strahlung verbunden sind und jeweils einzeln an getrennt, aber kooperierend arbeitenden Bewegungssystemen (6) befestigt sind, wobei unterschiedlichen Energieformungseinheiten (9) unterschiedliche Leistung zugeführt werden kann.
- Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen für optische Strahlung Laser sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser mittels Lichtleitfaser (13) jeweils mit einer oder mehreren Energieformungseinheiten (9) verbunden sind.
- Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen fasergekoppelte Hochleistungsdiodenlaser sind.
- Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieformungseinheiten (9) Laserstrahlscanner (24) enthalten und diese mit den Steuerungseinheiten der Bewegungssysteme verbunden sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen für elektromagnetische Strahlung Induktionsgeneratoren und die Feldformungseinheiten (9) Induktoren (15) sind.
- Vorrichtung einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen sowohl Laser als auch Induktionsgeneratoren sein können.
- Vorrichtung einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als kooperierend arbeitende Bewegungssysteme (11) Roboter (18) eingesetzt werden.
- Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu dessen Durchführung eine Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 9 bis 16 verwendet wird.
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