NL1022573C1 - Werkwijze en inrichting voor het harden van contouren. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het harden van contouren

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het harden van contouren op een oppervlak van een hardhaar 5 materiaal, zoals staal of gietijzer. Dit harden kan bijvoorbeeld als doel hebben de hardheid en daarmee de slijtvastheid en/of stootvastheid van het oppervlak op bepaalde plaatsen te vergroten, terwijl voor het resterende deel van het oppervlak een hogere hardheid niet 10 noodzakelijk is of andere materiaaleigenschappen gewenst zijn. Men kan dan het materiaal lokaal verhitten tot bo.en een voor dat materiaal bekende austeniteringstemperatuur en vervolgens het materiaal laten afkoelen met een zodanige snelheid dat martensiet en eventueel andere harde fasen 15 worden gevormd. De inventieve werkwijze maakt dit harden van contouren mogelijk en heeft als kenmerk, dat vóór een beginpunt van een contour warmte aan een gebied op het oppervlak wordt toegevoerd en dat vervolgens dit gebied naar en langs de contour wordt verplaatst tot dit gebied 20 aan het einde de contour heeft verlaten, waarbij een verplaatsingssnelheid van het gebied en/of een vermogen, toegevoerd aan dit gebied, zodanig worden gekozen dat elk deel van de contour kortstondig wordt verhit tot een vooraf bepaalde eerste temperatuur. De benodigde warmte kan 25 daarbij worden toegevoerd met op zich bekende warmtebronnen, zoals een vlam, inductieve verwarming, een lamp, een electronenkanon, een plasmakanon of een laser.

Bij het harden is het van groot belang dat het eenmaal 30 geharde materiaal niet nogmaals wordt verwarmd, in het bijzonder tot een lagere temperatuur dan de austeniteringstemperatuur, omdat daardoor het materiaal wordt ontlaten, waarbij een deel van de hardheid verloren gaat. Een bijkomend voordeel van de inventieve werkwijze is dat, 35 althans voor open, niet kruisende contouren, elk deel van I Uitj {d I de contour precies één keer wordt verhit tot de I austeniteringstemperatuur.

I Een gunstige realisatie waarbij het niet nodig is de hele 5 warmtebron te bewegen heeft als kenmerk, dat de warmte wordt toegevoerd met behulp van tenminste één laser en tenminste één verstelbare spiegel of een glasvezel.

Bij bijvoorbeeld snijwalsen en roterende messen en I 10 sluitranden van spuitgietmatrijzen is er sprake van een H gesloten contour die feitelijk geen beginpunt en eindpunt I heeft. Men kan dan natuurlijk een willekeurig beginpunt kiezen, maar een nadere, nauwkeurige beschouwing leert dat I het feitelijk onmogelijk is een dergelijke contour te I 15 harden zonder dat tenminste één gebied onvoldoende wordt I verhit of twee maal wordt verhit, waardoor het volgens de stand der techniek onmogelijk is een volledige gesloten contour te harden. De inventieve werkwijze komt op een bijzonder vernuftige wijze aan dit bezwaar tegemoet en 20 heeft als kenmerk, dat voor een gesloten contour een I beginpunt wordt gekozen en aan een gebied op het oppervlak rond dit beginpunt warmte wordt toegevoerd en dat vervolgens de warmte wordt verdeeld over twee deelgebieden die elk in een tegenovergestelde richting langs de gesloten 25 contour worden verplaatst, waarna de twee deelgebieden in een eindpunt samenvloeien en waarbij een verplaatsings- snelheid van de deelgebieden en/of een vermogen van de warmtebron zodanig worden gekozen dat elk deel van de contour kortstondig wordt verhit tot een vooraf bepaalde H 30 eerste temperatuur.

Een verdere gunstige realisatie waarbij het niet nodig is twee warmtebronnen te bewegen heeft als kenmerk, dat de warmte wordt toegevoerd met behulp van tenminste één laser 35 en tenminste één verstelbare spiegel.

I 1 n 3

Een verdere gunstige realisatie van de inventieve werkwijze die het programmeren van de beweging van de warmtebron of warmtebronnen belangrijk vereenvoudigt en die toch een uniforme hardheid op de hele contour realiseert, heeft als 5 kenmerk dat tijdens het harden van een contour een verplaatsingssnelheid van een gebied of een deelgebied althans nagenoeg constant is.

De uitvinding heeft tevens betrekking op snijwalsen, 10 roterende messen, lagers, kleppen, klepzittingen, stempels, ponsen, trekringen, spuitgiet-, dieptrek-, vormgereed-schappen en dergelijke, voorzien van sneden of contactoppervlakken, gehard onder toepassing van een werkwijze zoals hiervoor omschreven.

15

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het harden van contouren op een oppervlak van een hardbaar materiaal, zoals staal. De inventieve inrichting heeft als kenmerk, dat de inrichting een warmtebron omvat, 20 geschikt voor het lokaal verwarmen van een gebied op het oppervlak en met de warmtebron gekoppelde stuurmiddelen voor het selecteren van een te verwarmen gebied, waarbij de stuurmiddelen zodanig zijn geprogrammeerd dat vóór een beginpunt van een contour warmte aan een gebied op het 25 oppervlak wordt toegevoerd en dat vervolgens dit gebied naar en langs de contour wordt verplaatst tot dit gebied aan het einde de contour heeft verlaten, waarbij een verplaatsingssnelheid en een hoeveelheid toegevoerde warmte zodanig worden gekozen dat elk deel van de contour 30 kortstondig wordt verhit tot een vooraf bepaalde eerste temperatuur.

Een verdere gunstige uitvoeringsvorm waarbij het niet nodig is de hele warmtebron te bewegen heeft als kenmerk, dat de 1 0, H warmtebron tenminste één laser en tenminste één verstelbare I spiegel of een glasvezel omvat.

I Een gunstige alternatieve uitvoeringsvorm van de inventieve I 5 inrichting, waarmee ook gesloten contouren kunnen worden I gehard, heeft als kenmerk, dat de inrichting een warmtebron I omvat, geschikt voor het lokaal verwarmen van een gebied op I het oppervlak en met de warmtebron gekoppelde stuurmiddelen I voor het selecteren van een te verwarmen gebied, waarbij de I 10 stuurmiddelen zodanig zijn geprogrammeerd dat op de gesloten contour een beginpunt wordt gekozen en aan een gebied op het oppervlak rond dit beginpunt warmte wordt toegevoerd en dat vervolgens de warmte wordt verdeeld over twee deelgebieden die elk in een tegenovergestelde richting 15 langs de gesloten contour worden verplaatst, waarna de twee I deelgebieden in een eindpunt samenvloeien en waarbij een I verplaatsingssnelheid van de deelgebieden en een I hoeveelheid toegevoerde warmte zodanig worden gekozen dat I elk deel van de contour kortstondig wordt verhit tot een I 20 vooraf bepaalde eerste temperatuur.

Een gunstige uitvoeringsvorm heeft als kenmerk, dat de warmtebron tenminste één laser en tenminste één door de stuurmiddelen verstelbare spiegel omvat.

I 25

De uitvinding zal nu verder uiteen worden gezet aan de hand van de volgende figuren, waarbij: I Fig. IA een mogelijke uitvoeringsvorm van een inrichting I 30 voor het harden van contouren weergeeft; I Fig. 1B een alternatieve uitvoeringsvorm van een H inrichting voor het harden van contouren I weergeeft;

Fig. 2A een te harden contour weergeeft; I 35 Fig. 2B een door de laser belicht traject weergeeft; 5

Fig. 2C een verdeling van de maximum temperatuur langs de contour weergeeft;

Fig. 3A een te harden gesloten contour weergeeft zonder overlappend door de laser belicht traject; 5 Fig. 3B dit te harden contour weergeeft met een overlappend traject;

Fig. 4 een te harden contour weergeeft met twee in tegengestelde richting verlopende door de laser belichte trajecten; 10 Fig. 5 een mogelijke uitvoeringsvorm van een inrichting voor het harden van gesloten contouren weergeeft;

Fig. 6 een alternatieve uitvoeringsvorm van een inrichting voor het harden van gesloten contouren weergeeft; 15 Fig. 7 een verdere alternatieve uitvoeringsvorm van een inrichting voor het harden van gesloten contouren weergeeft.

Fig. IA geeft een mogelijke uitvoeringsvorm van een 20 inrichting voor het harden van contouren weer, bestaande uit een laser 1, bijvoorbeeld een Nd Yag laser, waarvan de laserbundel 2 via een spiegel 3, gekoppeld aan een op zich bekende servosturing 4 naar een werkstuk 5 wordt geleid en daar door een geschikte aansturing van servosturing 4 een 25 contour 6 beschrijft. Als gecombineerde spiegel/servo-sturing kan bijvoorbeeld een in het vakgebied bekende galvanospiegel worden gebruikt. Het is ook mogelijk de ! bundel naar het werkstuk te geleiden met behulp van een in het vakgebied bekende geleidestructuur waarin een aantal 30 spiegels is opgenomen. Daarbij wordt dan de geleidestructuur bijvoorbeeld door een robotarm over de te volgen contour bewogen. Aan het einde van de geleidestructuur is een optische kop geplaatst, waarmee de bundel kan worden gefocusseerd. Het werkstuk is bijvoorbeeld een matrijs, een 35 as, een snijwals of iets dergelijks, waarvan een deel, H bepaald door de contour, moet worden gehard. Het is daartoe vervaardigd uit veredelingsstaal of een ander hardbaar I materiaal, waarbij de hardheid kan worden vergroot door het materiaal snel te verhitten tot boven een vooraf bekende 5 overgangstemperatuur maar beneden een smelttemperatuur en vervolgens dit verhitte materiaal snel af te koelen. Met I behulp van laser 1 kan het materiaal lokaal snel worden I verhit, terwijl het snel afkoelen feitelijk vanzelf I plaatsvindt als bij het uitschakelen van de laser of het 10 verplaatsen van laserbundel 2 over het oppervlak van I werkstuk 5 de hitte snel in het materiaal wegvloeit.

I Belangrijk is dat nadat het materiaal is verhit tot boven de overgangstemperatuur, de temperatuur van het materiaal niet nogmaals wordt verhoogd, omdat hierdoor het materiaal 15 wordt ontlaten, waarbij een deel van de hardheid verloren gaat. Daarom wordt contour 6 precies één keer door laserbundel 2 doorlopen met een snelheid die zodanig is gekozen dat elk punt van contour 6 de overgangstemperatuur overschrijdt. Desgewenst kan men tijdens de behandeling de 20 temperatuur voortdurend meten, bijvoorbeeld met behulp van een pyrometer en eventueel het vermogen van de laser of de snelheid op een verder bekende wijze zodanig sturen dat elk deel van de contour nauwkeurig tot dezelfde temperatuur wordt verhit. Dit is bijvoorbeeld van belang als de dikte 25 van het te bewerken materiaal sterk verschilt.

In de bovenstaande uitvoeringsvorm is gebruik gemaakt van een Nd Yag laser. Het spreekt voor zich dat ook andere lasers kunnen worden gebruikt, zoals de C02 laser of de 30 diodelaser.

Fig. 1B geeft een alternatieve uitvoeringsvorm van een inrichting voor het harden van contouren weer, bestaande uit een laser 1, waarvan de laserbundel 2 via een glas- 35 vezelbundel 7 naar een optische kop 8 wordt gevoerd, die 7 met een op zich bekende, hier niet getoonde servosturing over een werkstuk 5 wordt bewogen, zodanig dat de door optische kop 8 gefocusseerde laserbundel een contour 6 beschrijft.

5

Fig. 2A geeft een te harden contour 6 weer op een werkstuk 5. Fig. 2B toont hoe laserbundel 2 net vóór het beginpunt 9 van contour 6 wordt gepositioneerd, waarna laserbundel 2 met een constante snelheid gaat bewegen tot net voorbij 10 eindpunt 10 van contour 6. Voor contour 6 geldt dan dat elke lengte-eenheid een gelijke hoeveelheid laserstraling ontvangt, waardoor bij een goed gekozen snelheid en intensiteit van laser 1 de temperatuur voor de hele contour kortstondig de overgangstemperatuur zal overschrijden.

15 Fig. 2C geeft in een grafiek 11 de temperatuur van elk punt op contour 6 weer. Duidelijk is te zien dat de maximum temperatuur op de contour overal gelijk is en dat net voor en net achter de contour de maximum temperatuur ongeveer lineair afneemt.

20

Fig. 3A geeft een te harden gesloten contour 6 weer met een door de laser belicht traject zonder dat overlap optreedt. Laserbundel 2 start bij een punt 12, doorloopt de contour en eindigt in een punt 13. Het is direct duidelijk dat het 25 gebiedje tussen punt 12 en punt 13 niet de overgangstemperatuur zal bereiken en dat daardoor een deel van de gesloten contour 6 niet zal worden gehard.

Fig. 3B geeft dit te harden gesloten contour 6 weer met een 30 door de laser belicht traject waarbij overlap optreedt. Laserbundel 2 start bij een punt 12, doorloopt de contour en eindigt in punt 13 op een locatie die al eerder gehard was. Daarbij zal laserbundel 2 onvermijdelijk een deel van de reeds geharde contour verhitten tot een temperatuur die 35 lager is dan de overgangstemperatuur, waardoor dit deel 1 V .' . ·· H wordt ontlaten en een deel van zijn hardheid verliest. Ook

I voor alle trajecten tussen die getoond in Fig. 3A en 3B

geldt dat er steeds een deel van de contour ongehard blijft of dat een deel wordt ontlaten.

Fig. 4 geeft een te harden contour 6 weer met twee in I tegengestelde richting verlopende door de laser belichte I trajecten. Er zijn nu twee laserbundels, die beide starten I bij een punt 12 en die de contour in tegengestelde richting I 10 met gelijke snelheid doorlopen. Eenvoudig is in te zien dat rond het startpunt overal een gelijke verhitting zal I optreden. Ook is dan duidelijk dat rond een eindpunt 13, I waar beide bundels weer samenkomen, overal een gelijke I verhitting zal optreden, omdat de situatie identiek is aan I 15 de situatie in het startpunt. Op deze wijze kan contour 6 I volledig en uniform worden gehard.

I Fig. 5 geeft een mogelijke uitvoeringsvorm van een I inrichting voor het harden van gesloten contouren weer, H 20 bestaande uit een eerste laser 14, bijvoorbeeld een Nd Yag H laser, waarvan een laserbundel 15 via een spiegel 16, gekoppeld aan een op zich bekende servosturing 17 naar een H werkstuk 18 wordt geleid en daar door een geschikte aansturing van servosturing 17 de helft van een gesloten I 25 contour 19 beschrijft en een tweede, identieke laser 20, waarvan de laserbundel 21 via een spiegel 22, gekoppeld aan I een servosturing 23 naar werkstuk 18 wordt geleid en daar I door een geschikte aansturing van servosturing 23 de andere I helft van gesloten contour 19 beschrijft . Een startpunt 24 30 dat voor beide laserbundels samenvalt kan in principe I willekeurig worden gekozen en het eindpunt 25 is het punt waarop beide laserbundels na het doorlopen van de contour elkaar overlappen.

I m??573 9

Fig. 6 geeft een alternatieve uitvoeringsvorm van een inrichting voor het harden van gesloten contouren weer, bestaande uit een laser 26, bijvoorbeeld een Nd Yag laser, waarvan een laserbundel 27 via een beamsplitter 28 en een 5 spiegel 29 wordt gesplitst in twee laserbundels 27a,27b. Laserbundel 27a wordt via een spiegel 16, gekoppeld aan een op zich bekende servosturing 17 naar een werkstuk 18 geleid en daar door een geschikte aansturing van servosturing 17 de helft van een gesloten contour 19 beschrijft, terwijl 10 laserbundel 27b via een spiegel 22, gekoppeld aan een servosturing 23 naar werkstuk 18 wordt geleid en daar door een geschikte aansturing van servosturing 23 de andere helft van gesloten contour 19 beschrijft. Een startpunt 24 dat voor beide laserbundels samenvalt kan in principe 15 willekeurig worden gekozen en het eindpunt 25 is het punt waarop beide laserbundels na het doorlopen van de contour elkaar overlappen.

Fig. 7 geeft een verdere alternatieve uitvoeringsvorm van 20 een inrichting voor het harden van gesloten contouren weer, bestaande uit een laser 14, bijvoorbeeld een Nd Yag laser, waarvan een laserbundel 15 via een spiegel 16, gekoppeld aan een op zich bekende servosturing 17 naar een werkstuk 18 wordt geleid en daar door een geschikte aansturing van 25 servosturing 17 de helft van een gesloten contour 19 beschrijft met een subbundel 15a en pseudo-gelijktijdig de andere helft van gesloten contour 19 beschrijft een subbundel 15b op basis van time-sharing. Een startpunt 24 dat voor beide subbundels samenvalt kan in principe 30 willekeurig worden gekozen en het eindpunt 25 is het punt waarop beide subbundels na het doorlopen van de contour elkaar overlappen. Bij deze uitvoeringsvorm is het essentieel dat spiegel 16 en servosturing 17 een voldoende grote bandbreedte hebben.

35 10225 73 I 10 I In de bovenstaande inrichtingen is een laser als warmtebron I gebruikt. Duidelijk is dat ook andere richtbare warmtebronnen kunnen worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld I een vlam, inductieve verwarming, een lamp, een 5 electronenkanon of een plasmakanon.

I 1 flOOc *70

Claims (10)

1. Werkwijze voor het harden van contouren op een oppervlak van een hardhaar materiaal, zoals staal of 5 gietijzer, met het kenmerk, dat vóór een beginpunt van een contour warmte aan een gebied op het oppervlak wordt toegevoerd en dat vervolgens dit gebied naar en langs de contour wordt verplaatst tot dit gebied aan het einde de contour heeft verlaten, waarbij een verplaatsingssnelheid 10 van het gebied en/of een vermogen, toegevoerd aan dit gebied, zodanig worden gekozen dat elk deel van de contour kortstondig wordt verhit tot een vooraf bepaalde eerste temperatuur.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de warmte wordt toegevoerd met behulp van tenminste één laser en tenminste één verstelbare spiegel of een glasvezel.

3. Werkwijze voor het harden van gesloten contouren op 20 een oppervlak van een hardhaar materiaal, zoals staal, met het kenmerk, dat voor een gesloten contour een beginpunt wordt gekozen en aan een gebied op het oppervlak rond dit beginpunt warmte wordt toegevoerd en dat vervolgens de warmte wordt verdeeld over twee deelgebieden die elk in een 25 tegenovergestelde richting langs de gesloten contour worden verplaatst, waarna de twee deelgebieden in een eindpunt samenvloeien en waarbij een verplaatsingssnelheid van de deelgebieden en/of een vermogen van de warmtebron zodanig worden gekozen dat elk deel van de contour kortstondig 30 wordt verhit tot een vooraf bepaalde eerste temperatuur.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de warmte wordt toegevoerd met behulp van tenminste één laser en tenminste één verstelbare spiegel. 35 10225 73 Η

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met I het kenmerk, dat tijdens het harden van een contour een I verplaatsingssnelheid van een gebied of een deelgebied I althans nagenoeg constant is.

6. Snijwalsen, roterende messen, lagers, kleppen, klepzittingen, stempels, ponsen, trekringen, spuitgiet-, I dieptrek-, vormgereedschappen en dergelijke, voorzien van I sneden of contactoppervlakken, gehard onder toepassing van I 10 een werkwijze volgens een der voorgaande conclusies.

7. Inrichting voor het harden van contouren op een oppervlak van een hardhaar materiaal, zoals staal, met het kenmerk, dat de inrichting een warmtebron omvat, geschikt 15 voor het lokaal verwarmen van een gebied op het oppervlak I en met de warmtebron gekoppelde stuurmiddelen voor het selecteren van een te verwarmen gebied, waarbij de stuurmiddelen zodanig zijn geprogrammeerd dat vóór een beginpunt van een contour warmte aan een gebied op het I 20 oppervlak wordt toegevoerd en dat vervolgens dit gebied I naar en langs de contour wordt verplaatst tot dit gebied aan het einde de contour heeft verlaten, waarbij een H verplaatsingssnelheid en een hoeveelheid toegevoerde warmte zodanig worden gekozen dat elk deel van de contour H 25 kortstondig wordt verhit tot een vooraf bepaalde eerste temperatuur.

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de warmtebron tenminste één laser en tenminste één 30 verstelbare spiegel of een glasvezel omvat.

9. Inrichting voor het harden van gesloten contouren op een oppervlak van een hardbaar materiaal, zoals staal, met het kenmerk, dat de inrichting een warmtebron omvat, 35 geschikt voor het lokaal verwarmen van een gebied op het H Hl iflt o n Λ oppervlak en met de warmtebron gekoppelde stuurmiddelen voor het selecteren van een te verwarmen gebied, waarbij de stuurmiddelen zodanig zijn geprogrammeerd dat op de gesloten contour een beginpunt wordt gekozen en aan een 5 gebied op het oppervlak rond dit beginpunt warmte wordt toegevoerd en dat vervolgens de warmte wordt verdeeld over twee deelgebieden die elk in een tegenovergestelde richting langs de gesloten contour worden verplaatst, waarna de twee deelgebieden in een eindpunt samenvloeien en waarbij een 10 verplaatsingssnelheid van de deelgebieden en een hoeveelheid toegevoerde warmte zodanig worden gekozen dat elk deel van de contour kortstondig wordt verhit tot een vooraf bepaalde eerste temperatuur.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de warmtebron tenminste één laser en tenminste één door de stuurmiddelen verstelbare spiegel omvat. 10225 73