WO2005063442A1 - Verfahren zum bearbeiten von kurbelwellenradien - Google Patents

Verfahren zum bearbeiten von kurbelwellenradien Download PDF

Info

Publication number
WO2005063442A1
WO2005063442A1 PCT/EP2004/014720 EP2004014720W WO2005063442A1 WO 2005063442 A1 WO2005063442 A1 WO 2005063442A1 EP 2004014720 W EP2004014720 W EP 2004014720W WO 2005063442 A1 WO2005063442 A1 WO 2005063442A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
crankshaft
radii
hardening
laser beam
temperature
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/014720
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alfred Heimann
Original Assignee
Hegenscheidt-Mfd Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hegenscheidt-Mfd Gmbh & Co. Kg filed Critical Hegenscheidt-Mfd Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2005063442A1 publication Critical patent/WO2005063442A1/de

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21HMAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H7/00Making articles not provided for in the preceding groups, e.g. agricultural tools, dinner forks, knives, spoons
    • B21H7/18Making articles not provided for in the preceding groups, e.g. agricultural tools, dinner forks, knives, spoons grooved pins; Rolling grooves, e.g. oil grooves, in articles
    • B21H7/182Rolling annular grooves
    • B21H7/185Filet rolling, e.g. of crankshafts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B39/00Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor
    • B24B39/04Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor designed for working external surfaces of revolution
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/30Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for crankshafts; for camshafts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/09Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/08Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by burnishing or the like

Definitions

  • crankshaft radii Punctures and / or radii at the transition between a crank pin and a cheek or a flange on crankshafts are hereinafter referred to as “crankshaft radii”.
  • crankshaft radii The deep rolling of crankshaft radii is known, for example, from DE 30 37 688.6
  • the materials and crankshaft radii typical of car crankshafts have a maximum at a depth of about one millimeter below the surface of the crankshaft radii and decrease somewhat towards the surface. If the crankshaft is loaded during operation, for example by pressure, part of the load builds up depending on the load The residual compressive stress drops wherever the flow limit of the material, hereinafter also referred to as material, is exceeded. With changing loads, for example several million cycles, a crack occurs which begins in the area of the highest surface tension in the crankshaft radius and stops there where the residual compressive stresses are large enough to prevent the crack from growing. To this Process there are numerous literature: Achmus, Jung, Schaal (see “Literature information" at the end of the description).
  • the hardening of the outer layers of crankshaft radii is also known per se.
  • the formation of martensite also creates an internal compressive stress in the crankshaft radius.
  • This residual compressive stress and the higher tensile strength of the hardened material also lead to an increase in the fatigue strength of the crankshaft.
  • the hardened material is susceptible to cracking because it is not very stretchy. Once cracks have formed, they continue to break. As a result, it is customary, after the outer layers of crankshaft radii have hardened, to leave these outer layers in order to obtain a tough structure.
  • crankshaft radii Both the known deep rolling of crankshaft radii and the hardening of the outer layers of the crankshaft radii achieve similarly good fatigue strengths.
  • the inherent stress area during deep rolling is smaller than that of hardening the outer layers, since very limited hardness areas and shallow depths of hardening cannot be achieved by inductive surface layer hardening.
  • the larger areas of the residual stress state of hardened crankshaft radii lead to increased distortions on the crankshaft.
  • crankshafts can be increased considerably by surface treatment, such as laser hardening.
  • the reasons for the increase in vibration resistance are the compressive residual stresses introduced into the fracture-critical areas and the increased edge hardness.
  • a high-strength corrosion-resistant shaft is known from DE 299 14 802 Ul.
  • the shaft has cross-sectional transitions which are processed in the surface area by means of a combination of mechanical and thermochemical hardening processes in such a way that a shaft can be produced with the highest dynamic load capacity. Then the cross-sectional transitions of the shaft are first rolled and then subjected to heat treatment or thermal hardening.
  • thermomechanical because the known treatment takes place in such a way that the surface of a finished component is heated to temperatures above the austenitizing temperature and, at the same time, the work-hardened state is work-hardened. Strain hardening can be carried out with a "cold" tool, for example with deep rolling rolls at room temperature (see loc. Column 4, lines 8 to 16 and lines 38 to 42).
  • the invention is based on the object of specifying a method for machining crankshaft radii for crankshafts of car engines, by means of which the fatigue strength of the crankshafts can be further increased. At the same time, the process should be easy to use and inexpensive.
  • the solution to the problem is to combine the advantages of the two methods known per se, namely deep rolling and surface hardening of crankshaft radii.
  • the solution consists in the features of the main claim.
  • the subclaims show advantageous developments of the features of the main claim.
  • the surface layer hardening of the crankshaft radii of a crankshaft can be carried out, for example, by laser radiation.
  • the laser heats the surface of the device with an output of approximately 1 kW per square centimeter Crankshaft radius and the underlying material to a temperature above the austenitizing temperature of the steel. This temperature is around 900 ° Celsius.
  • the feed movement of the laser beam is selected so that there is sufficient time for austenitization, that is to say carbon diffusion, in the area heated by the laser beam.
  • the surrounding cold material of the crankshaft causes the austenitized area to self-quench and harden and martensite is formed.
  • Clemens Schmitz-Justen "Classification of laser beam hardening in manufacturing practice”. *
  • the depth that can be achieved with laser beam curing depends on the cooling rate being sufficiently high. If the cooling speed is too low, it can happen that areas of the crankshaft radius that are not hardened are created. In the case of low-alloy steels, for example the C 38, which is widely used for crankshafts, the cooling rate required for hardening is high. An additional external deterrent by water or compressed air can therefore be provided.
  • 42 Cr Mo 4 and 44 Mn Si V6 are further materials which are suitable for crankshafts of car engines in the context of the present invention. After the crankshaft radii have hardened, they are started. Here, too, laser radiation is advantageously used.
  • the tempering time is chosen to be very short at a relatively high temperature of, for example, 300 ° Celsius, since a high-strength but deformable material is required.
  • the last process step in the context of the present invention is deep rolling, in which, in addition to the residual compressive stresses specified by hardening, further residual compressive stresses are built up in the crankshaft radii. Due to the higher material strength and the existing residual compressive stress, higher deep rolling forces are required.
  • crankshafts that can be achieved by the method according to the invention are based on the fact that the. Due to the higher compressive strength of the previously hardened or high-tempered material, deep rolling pressure introduced into the roller is no longer or only reduced to a small extent by the operating load. This means that there are no longer any cracks in the operating load that originate from the surface of the crankshaft radii. Below the surface, the increase in the strength of the material must be so great that there is also only a slight redistribution of the stresses as a result of the operating load.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail X from FIG. 1.
  • the crankshaft 1 is rotatably supported about its axis of rotation 4 by way of its two main bearing journals 2 and 3 in the engine block (not shown) of a car engine.
  • the axis of rotation 6 is located at a distance 5 from the axis of rotation 4.
  • the axis of rotation 6 represents the center of the crank pin 7 of the crankshaft 1.
  • the distance 5 corresponds to the stroke of the crankshaft 1.
  • the crank pin 7 is in each case via the two cheeks 8 and 9 the main bearing journal 2 and 3 connected.
  • the transitions between the cheeks 8 and 9 and the main journal 2 and 3 or the crank pin 7 can be designed differently.
  • the transitions consist, for example, of punctures 10 to 12, as are predominantly shown in FIG. 1.
  • transitions can also be realized by radii 13 instead of recesses 10 to 12, as provided between the crank pin 7 and the cheek 9. In the sense of the present invention, however, this distinction is not of particular importance, which is why the recesses 10 to 12 and the radii 13 are collectively referred to as “crankshaft radius” in the present text.
  • the radius 13 is perpendicular to the rounding 14.
  • a crescent-shaped region 15 made of hardened material for example martensite, is formed below the rounding 14.
  • the tempering takes place by the known method of "tempering".
  • tempering the rounding 14 is briefly treated again with a laser beam at temperatures around 300 ° Celsius. The result is a zone tempered material within the crescent-shaped area 15.
  • the rounding 14 is compressed again with a deep rolling tool (not shown).
  • a contour is established in the rounding 14, which corresponds approximately to the line 16.
  • an internal compressive stress is established in the crankshaft radius, as is indicated by the line 20.
  • the residual pressure 20 has its maximum just below the recess 19 and extends to a depth of over a millimeter into the crankshaft radius. 2 clearly shows the course of the residual compressive stress 20.
  • Internal compressive stress 20 prevents cracks from forming within the recess 19 as a result of the alternating bending load which the crankshaft 1 is subjected to during operation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Agronomy & Crop Science (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)
  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien an vorgefertigten Kurbelwellen (1) für Pkw-Motoren. Hierbei werden die Randschichten der Kurbelwellenradien (10 bis 13) mit einem Laserstrahl mit einer Leistung von etwa 1 kW/cm² bis auf einer Tiefe von einem Millimeter bei einer Temperatur von etwa 900 °C und anschließender Abkühlung bis annähernd auf Raumtemperatur gehärtet, dieselben Randschichten nach dem Härten innerhalb kurzer Anlasszeit mit einem Laserstrahl auf Anlasstemperatur bei etwa 300 °C angelassen und nach dem Anlassen mit Hilfe von Festwalzwerkzeugen festgewalzt.

Description

VERFAHREN ZUM BEARBEITEN VON KURBELWELLENRADIEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien an vorgefertigten Kurbelwellen für Pkw-Motoren. Einstiche und/oder Radien am Übergang zwischen einem Kurbelzapfen und einer Wange bzw. einem Flansch an Kurbelwellen werden nachstehend „Kurbelwellenradien" genannt. Das Festwalzen von Kurbelwellenradien ist beispielsweise bekannt aus der DE 30 37 688.6. Das Festwalzen von Kurbelwellenradien erzeugt einen Druckeigenspannungszustand, der bei den für Pkw-Kurbelwellen typischen Werkstoffen und Kurbelwellenradien ein Maximum in etwa ein Millimeter Tiefe unterhalb der Oberfläche der Kurbelwellenradien aufweist und zur Oberfläche hin etwas abnimmt. Wird die Kurbelwelle im Betrieb, beispielsweise durch Druck, belastet, so baut sich je nach Lasthöhe ein Teil der Druckeigenspannung ab, nämlich überall dort, wo die Fliessgrenze des Materials, nachfolgend auch Werkstoff genannt, überschritten wird. Bei wechselnder Belastung, beispielsweise mehrere Millionen Zyklen, entsteht ein Riss, der im Bereich der höchsten Oberflächenspannung im Kurbelwellenradius beginnt und dort bleibend stoppt, wo die restlichen Druckeigenspannungen ausreichend groß sind, um das Wachstum des Risses zu verhindern. Zu diesem Vorgang gibt es zahlreiche Literatur: Achmus, Jung, Schaal (s. "Literaturhinweise" am Ende der Beschreibung).
Auch das Härten der Randschichten von Kurbelwellenradien ist an sich bekannt. Beim Randschichthärten des Kurbelwellenradius entsteht in Folge der Bildung von Martensit ebenfalls eine Druckeigenspannung im Kurbelwellenradius. Diese Druckeigenspannung und die höhere Zugfestigkeit des gehärteten Materials führen ebenfalls zu einer Erhöhung der Dauerfestigkeit der Kurbelwelle. Allerdings ist das gehärtete Material rissanfällig, da es wenig dehnbar ist. Einmal entstandene Risse laufen weiter und führen zum Bruch. In folge dessen ist es üblich, nach dem Härten der Randschichten von Kurbelwellenradien diese Randschichten anzulassen, um ein zähes Gefüge zu erhalten.
Sowohl das an sich bekannte Festwalzen von Kurbelwellenradien als auch das Härten der Randschichten der Kurbelwellenradien erreichen ähnlich gute Dauerfestigkeiten. Der eigenspannungsbehaftete Bereich beim Festwalzen ist allerdings kleiner als jener des Härtens der Randschichten, da sehr begrenzte Härtebereiche und geringe Härtetiefen vom induktiven Randschichthärten nicht verwirklicht werden können. Die größeren Bereiche des Eigenspannungszustandes von gehärteten Kurbelwellenradien führen jedoch zu vergrößerten Verzügen an der Kurbelwelle.
Im Zusammenhang mit dem Härten der Randschichten von Kurbelwellenradien ist es bereits- bekannt, das- Härten mit Hilfe von Laserstrahlen durchzuführen. Hierzu wird auf die Internetveröffentlichung des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit LBF, Darmstadt, verwiesen, die am Ende der vorliegenden Beschreibung noch genauer angegeben ist. Weiterhin enthält „Werkstoffkundliche Qualifizierung des Randschichthärtens mit Laserstrahlungλ ausführliche Unterlagen zum Randschichthärten.
Durch die Oberflächenbehandlung, wie zum Beispiel das Laserhärten, lässt sich die Schwingfestigkeit von Kurbelwellen beträchtlich steigern. Die Ursachen für die Steigerung der Schwingfestigkeit sind die in die bruchkritischen Bereiche eingebrachten Druckeigenspannungen und die gesteigerte Randhärte.
Aus der DE 299 14 802 Ul ist eine hochfeste korrosionsbeständige Welle bekannt. Die Welle weist Querschnittsübergänge auf, welche mittels Kombination mechanischer und thermochemischer Härtungsverfahren im Oberflächenbereich derart bearbeitet werden, dass eine Welle mit höchster dynamischer Belastbarkeit hergestellt werden kann. Danach werden die Querschnittsübergänge der Welle zunächst festgewalzt und anschließend einer Wärmebehandlung bzw. thermischen Härtung unterzogen.
Aus der DE 31 42 270 C2 ist es bekannt, einzelne Maßnahmen zur Steigerung der Festigkeit von Werkstoffen miteinander zu kombinieren, indem z.B. eine thermochemische Härtung eines Stahles noch durch eine mechanische Verfestigung ergänzt werden kann. Die Erzeugung von Oberflächenschichten mit sowohl höherer Festigkeit als auch höherer Zähigkeit wird dadurch erreicht, dass eine thermomechanische Oberflächenbehandlung vorgenommen wird. Die Betonung liegt hier auf dem Begriff "thermomechanisch", denn die bekannte Behandlung erfolgt derart, dass die Oberfläche eines endbearbeiteten Bauteils auf Temperaturen oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzt und gleichzeitig erhitztem Zustand kaltverfestigt wird. Das Kaltverfestigen kann mit "kaltem" Werkzeug erfolgen, z.B. mit Festwalzrollen bei Raumtemperatur (vgl. a.a.O. Spalte 4, Zeilen 8 bis 16 und Zeilen 38 bis 42) .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Bearbeitung von Kurbelwellenradien für Kurbelwellen von Pkw-Motoren anzugeben, durch welches die Dauerschwingfestigkeit der Kurbelwellen weiter erhöht werden kann. Zugleich soll das Verfahren einfach in der Handhabung und preisgünstig sein.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, die Vorteile der beiden an sich bekannten Verfahren, nämlich des Festwalzens und des Randschichthärtens von Kurbelwellenradien miteinander zu kombinieren. Die Lösung besteht in den Merkmalen des Hauptanspruchs. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Merkmale des Hauptanspruchs auf.
Das Randschichthärten der Kurbelwellenradien einer Kurbelwelle kann beispielsweise durch Laserstrahlung erfolgen. Der Laser erwärmt mit einer Leistung von etwa 1 kW pro Quadratzentimeter die Oberfläche des Kurbelwellenradius und das darunter liegende Material auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls. Diese Temperatur liegt bei etwa 900° Celsius. Die Vorschubbewegung des Laserstrahls wird so gewählt, dass genügend Zeit zur Austenitisierung, das heißt Kohlenstoffdiffusion, in dem vom Laserstrahl erwärmten Bereich zur Verfügung steht. Sobald der Laserstrahl den bestrahlten Bereich verlässt, erfolgt durch das umgebende kalte Material der Kurbelwelle eine Selbstabschreckung und Härtung des austenitisierten Gebietes und es entsteht Martensit. Auch über diesen Vorgang gibt es weitergehende Literatur, zum Beispiel: Clemens Schmitz-Justen: „Einordnung des Laserstrahlhärtens in die fertigungstechnische Praxis".*
Die bei der Laserstrahlhärtung erreichbare Tiefe hängt davon ab, dass die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend groß ist. Bei zu niedriger Abkühlgeschwindigkeit kann es passieren, dass auf der Oberfläche der Kurbelwellenradien nicht gehärtete Bereiche entstehen. Bei den niedrig legierten Stählen, beispielsweise dem für Kurbelwellen verbreiteten C 38 ist die für das Härten erforderliche Abkühlgeschwindigkeit hoch. Eine zusätzliche äußere Abschreckung durch Wasser oder Pressluft kann daher vorgesehen werden.
Weitere, im Rahmen der vorliegenden Erfindung für Kurbelwellen von Pkw-Motoren geeignete Werkstoffe sind zum Beispiel 42 Cr Mo 4 und 44 Mn Si V6. Nach dem Härten der Kurbelwellenradien erfolgt das Anlassen. Auch hierbei bedient man sich vorteilhafterweise der Laserstrahlung. Zum Anlassen wird bei relativ hoher Temperatur von beispielsweise 300° Celsius, die Anlasszeit sehr kurz gewählt, da man ein hochfestes aber verformbares Material benötigt.
Der letzte Prozessschritt im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Festwalzen, bei dem über die vom Härten vorgegebenen Druckeigenspannungen hinaus weitere Druckeigenspannungen in den Kurbelwellenradien aufgebaut werden. Dabei sind wegen der höheren Materialfestigkeiten und der bereits vorhandenen Druckeigenspannungen, höhere Festwalzkräfte erforderlich.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielbare erhöhte Dauerfestigkeit von Kurbelwellen beruht darauf, dass die an der Oberfläche der Kurbelwellenradien durch das . Festwalzen eingebrachte Druckeigenspannung dank der höheren Druckfestigkeit des vorher gehärteten beziehungsweise hochvergüteten Materials nicht mehr oder nur noch in geringem Maße durch die Betriebsbelastung abgebaut wird. Damit entstehen bei der Betriebsbelastung keine Anrisse mehr, die von der Oberfläche der Kurbelwellenradien ausgehen. Unterhalb der Oberfläche muss die Steigerung der Festigkeit des Materials so groß sein, dass sich ebenfalls nur geringe Umlagerungen der Spannungen in Folge der Betriebsbelastung ergeben. Geht man davon aus, dass die Umlagerungen der Spannungen bis in den Bereich hineinreichen muss, wo ein Riss zum Stillstand kommt, so muss die erforderliche Härtung/Vergütung bis in eine Tiefe von etwa einem Millimeter unterhalb der Oberfläche der Kurbelwellenradien hinabreichen.
Neben der überwiegend beschriebenen Behandlung der Kurbelwellenradien mit Laserstrahlen ist eine Härtung möglich auch durch die Anwendung des Flammhärtens, des Einsatzhärtens oder des Induktivhärtens. Entscheidend aber ist das örtliche Einbringen von sehr hohen Wärmemengen. Das lässt sich, nach vorliegender Erkenntnis, am wirksamsten mit Laser- oder Elektronenstrahlen verwirklichen .
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Es zeigen die
- Fig. 1 einen Längenabschnitt einer Kurbelwelle in der Seitenansicht,
- Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt X der Fig. 1.
Die Kurbelwelle 1 ist über ihre beiden Hauptlagerzapfen 2 und 3 im Motorblock (nicht gezeigt) eines Pkw-Motors um ihre Drehachse 4 drehbar gelagert. Im Abstand 5 von der Drehachse 4 befindet sich die Drehachse 6. Die Drehachse 6 stellt die Mitte des Hubzapfens 7 der Kurbelwelle 1 dar. Der Abstand 5 entspricht dem Hub der Kurbelwelle 1. Über die beiden Wangen 8 und 9 ist der Hubzapfen 7 jeweils mit den Hauptlagerzapfen 2 und 3 verbunden. Die Übergänge zwischen den Wangen 8 und 9 und den Hauptlagerzapfen 2 und 3 beziehungsweise dem Hubzapfen 7 können unterschiedlich ausgestaltet sein. Die Übergänge bestehen beispielsweise aus Einstichen 10 bis 12, wie sie in der Fig. 1 überwiegend dargestellt sind. Die Übergänge können aber anstelle von Einstichen 10 bis 12 auch durch Radien 13 realisiert sein, wie zwischen dem Hubzapfen 7 und der Wange 9 vorgesehen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist diese Unterscheidung aber nicht von besonderer Bedeutung, deshalb werden im vorliegenden Text die Einstiche 10 bis 12 und die Radien 13 kollektiv als „Kurbelwellenradius" bezeichnet .
Beispielsweise in der Fig. 2 steht der Radius 13 senkrecht auf der Abrundung 14. Beim Einsetzen der Erwärmung mit Hilfe eines Laserstrahls und anschließender Abkühlung wird unterhalb der Abrundung 14 ein mondsichelförmiger Bereich 15 aus gehärtetem Material, beispielsweise Martensit, gebildet. Im Anschluss an die Bildung des gehärteten Bereichs 15 erfolgt die Vergütung durch das an sich bekannte Verfahren des „Anlassens". Beim Anlassen wird die Abrundung 14 noch einmal mit einem Laserstrahl bei Temperaturen um 300° Celsius kurzzeitig behandelt. Als Ergebnis erhält man somit eine Zone vergüteten Materials innerhalb des mondsichelförmigen Bereichs 15.
Anschließend an die Vergütung wird die Abrundung 14 nochmals mit einem Festwalzwerkzeug (nicht gezeigt) verdichtet. Durch das Festwalzen stellt sich in der Abrundung 14 eine Kontur ein, wie sie etwa der Linie 16 entspricht. Das heißt, es entstehen Aufwerfungen 17 und 18 von geringer Höhe zum • Hubzapfen 7 bzw. zur Wange 9 hin und eine Vertiefung 19 annähernd senkrecht zum Radius 13. Dabei stellt sich im Kurbelwellenradius eine Druckeigenspannung ein, wie sie durch die Linie 20 angedeutet wird. Die Druckeigenspannung 20 hat ihr Maximum dicht unterhalb der Vertiefung 19 und reicht bis in eine Tiefe von über einem Millimeter in den Kurbelwellenradius hinein. Die Fig. 2 zeigt den Verlauf der Druckeigenspannung 20 deutlich. Die
Druckeigenspannung 20 verhindert, dass sich innerhalb der Vertiefung 19 in Folge der Biegewechsellast, welches die Kurbelwelle 1 im Betrieb dauern unterworfen ist, Anrisse ausbilden können.
Bezugs zeichenliste
1 Kurbelwelle
2 Hauptlagerzapfen
3 Hauptlagerzapfen
4 Drehachse
5 Abstand Hub
6 Drehachse
7 Hubzapfen
8 Wange
9 Wange
10 Einstich
11 Einstich
12 Einstich
13 Radius
14 Abrundung
15 Härtungsbereich
16 Festwalzkontur
17 Aufwerfung
18 Aufwerfung
19 Vertiefung
20 Druckeigenspannung
L I T E RA T U R H I NWE I S E
1. Achmus, Christian: „Messung und Berechnung des Randschichtzustands komplexer Bauteile nach dem Festwalzen" Clausthal-Zellerfeld: Papierflieger, 1999 Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 1998 ISBN 3-89720-276-X
2. Jung, Udo: „FEM-Simulation und experimentelle Optimierung des Festwalzens bauteilähnlicher Proben unterschiedlicher Größe" / Als Ms. gedr.- Aachen: Shaker, 1996 (Berichte aus der Werkstofftechnik) Zugl.: Darmstadt, Techn. Hochsch., Diss., 1996 ISBN 3-8265-1861-6
3. Schaal, Reimar: „Berechnung der Dauerfestigkeit festgewalzter Bauteile durch FEM-Festwalzsimulation und Methoden der linear-elastischen Bruchmechanik" Aachen: Shaker, 2002 (Berichte aus der Werkstofftechnik, hrsg. von Prof. Dr. -Ing. Christina Berger; Bd. 2002,1) Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2002 ISBN 3-8322-0745-7
4. „Einordnung des Laserstrahlhärtens in die fertigungstechnische Praxis" Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch- Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor- Ingenieurs genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Clemens Schmitz - Justen
5. Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit LBF, Darmstadt „Laserhärtung einer Kurbelwelle" Fraunhofer IFAM DZ-SIMTOP-Simulation, CAE, FEM, FEA - rmcat V0.2.278 20.02 http://wvvw.simtop.flig.de/cgi-bin/rnicat71099sz0112.11.03

Claims

P A T E N T AN S P RÜ C H E
Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien an vorgefertigten Kurbelwellen für Pkw-Motoren d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s '- die Randschichten der Kurbelwellenradien mit einem Laserstrahl mit einer Leistung von etwa 1 kW/cm2 bis auf einer Tiefe von einem Millimeter bei einer Temperatur von etwa 900 °C und anschließender Abkühlung bis annähernd auf Raumtemperatur gehärtet, - dieselben Randschichten nach dem Härten innerhalb kurzer Anlasszeit mit einem Laserstrahl auf Anlasstemperatur bei etwa 300 °C angelassen und - nach dem Anlassen mit Hilfe von Festwalzwerkzeugen festgewalzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vorschubbewegung des Laserstrahls so gewählt wird, dass ausreichend Zeit zur Austenitisierung des Materials der Randschichten zur Verfügung steht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s man die Kurbelwellenradien nach dem Anlassen annähernd bis auf Raumtemperatur abkühlt .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s man die Kurbelwellenradien mit erhöhten Festwalzkräften festwalzt.
PCT/EP2004/014720 2003-12-29 2004-12-27 Verfahren zum bearbeiten von kurbelwellenradien WO2005063442A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10361739.6 2003-12-29
DE2003161739 DE10361739B4 (de) 2003-12-29 2003-12-29 Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2005063442A1 true WO2005063442A1 (de) 2005-07-14

Family

ID=34706692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2004/014720 WO2005063442A1 (de) 2003-12-29 2004-12-27 Verfahren zum bearbeiten von kurbelwellenradien

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10361739B4 (de)
WO (1) WO2005063442A1 (de)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006119944A1 (de) * 2005-05-11 2006-11-16 Maschinenfabrik Alfing Kessler Gmbh Verfahren und anlage zum härten von übergangsradien einer welle
EP1839919A1 (de) * 2006-03-30 2007-10-03 Muhr und Bender KG Schraubendruckfeder
WO2010054648A1 (de) 2008-11-12 2010-05-20 Hegenscheidt-Mfd Gmbh & Co. Kg Verfahren zum erhöhen der biegefestigkeit von kurbelwellen
WO2013037353A3 (de) * 2011-09-16 2013-05-30 Hegenscheidt-Mfd Gmbh & Co. Kg Verfahren zum verbessern der güte der oberflächen von kurbelwellen
CN109746649A (zh) * 2019-03-13 2019-05-14 芜湖肯昌机电有限公司 一种发动机曲轴的加工工艺
US20190143398A1 (en) * 2017-11-16 2019-05-16 Ford Global Technologies, Llc Laser-hardened fillet-rolled crankshaft
CN110753599A (zh) * 2017-06-14 2020-02-04 阿尔芬·凯斯勒机械制造有限责任公司 后处理曲轴的方法和装置
CN113969334A (zh) * 2021-10-26 2022-01-25 山西柴油机工业有限责任公司 一种大功率曲轴中频淬火的热处理变形控制方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007061026B4 (de) 2007-12-18 2015-11-26 Audi Ag Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle, sowie Kurbelwelle

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3037688A1 (de) * 1980-10-06 1982-04-22 Wilhelm Hegenscheidt, Gmbh, 5140 Erkelenz Verfahren zum festwalzen von kurbelwellen
DE3142270A1 (de) * 1981-10-24 1983-05-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München Verfahren zum verbessern der festigkeitseigenschaften in den oberflaechennahen bereichen von werkstuecken,insbesondere aus stahl
DE29914802U1 (de) * 1999-08-24 1999-12-23 Friederich Heinrich Hochfeste korrosionsbeständige Welle

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3037688A1 (de) * 1980-10-06 1982-04-22 Wilhelm Hegenscheidt, Gmbh, 5140 Erkelenz Verfahren zum festwalzen von kurbelwellen
DE3142270A1 (de) * 1981-10-24 1983-05-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München Verfahren zum verbessern der festigkeitseigenschaften in den oberflaechennahen bereichen von werkstuecken,insbesondere aus stahl
DE29914802U1 (de) * 1999-08-24 1999-12-23 Friederich Heinrich Hochfeste korrosionsbeständige Welle

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR BETRIEBSFESTIGKEIT LBF DARMSTADT: "Laserhärtung einer Kurbelwelle", 20 February 2002 (2002-02-20), XP002325940, Retrieved from the Internet <URL:http://www.simtop.fhg.de/cgi-bin/rmcat?1099sz01> [retrieved on 20050413] *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006119944A1 (de) * 2005-05-11 2006-11-16 Maschinenfabrik Alfing Kessler Gmbh Verfahren und anlage zum härten von übergangsradien einer welle
EP1839919A1 (de) * 2006-03-30 2007-10-03 Muhr und Bender KG Schraubendruckfeder
WO2010054648A1 (de) 2008-11-12 2010-05-20 Hegenscheidt-Mfd Gmbh & Co. Kg Verfahren zum erhöhen der biegefestigkeit von kurbelwellen
WO2013037353A3 (de) * 2011-09-16 2013-05-30 Hegenscheidt-Mfd Gmbh & Co. Kg Verfahren zum verbessern der güte der oberflächen von kurbelwellen
CN104080572A (zh) * 2011-09-16 2014-10-01 黑根沙伊特-Mfd有限公司及两合公司 改善曲轴表面质量的方法
CN110753599A (zh) * 2017-06-14 2020-02-04 阿尔芬·凯斯勒机械制造有限责任公司 后处理曲轴的方法和装置
US20190143398A1 (en) * 2017-11-16 2019-05-16 Ford Global Technologies, Llc Laser-hardened fillet-rolled crankshaft
CN109746649A (zh) * 2019-03-13 2019-05-14 芜湖肯昌机电有限公司 一种发动机曲轴的加工工艺
CN113969334A (zh) * 2021-10-26 2022-01-25 山西柴油机工业有限责任公司 一种大功率曲轴中频淬火的热处理变形控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE10361739B4 (de) 2006-01-05
DE10361739A1 (de) 2005-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102007023087B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Nockens
EP1276915B1 (de) Wälzlagerbauteil
DE102005060113B4 (de) Radlager sowie Verfahren zur Herstellung desselben
DE3923404C2 (de) Verfahren zur Herstellung eines oberflächengehärteten Zahnrads aus einem metallischen Rohling
DE10361739B4 (de) Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien
EP1831409B1 (de) Verfahren zum randschichtverfestigen mittels ölstrahlen und vorrichtung zum durchführen des verfahrens
DE102012018229A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Nockens
DE10315416A1 (de) Lagefixierung eines Bolzens
DE102004053935B4 (de) Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl und Bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl
WO2010054648A1 (de) Verfahren zum erhöhen der biegefestigkeit von kurbelwellen
DE1955010C3 (de) Verfahren zur Oberflächen vergütung eines Zapfenkreuzes
DE19849679C1 (de) Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl
DE112004001206B4 (de) Vergüteter Gelenkkäfig
DE102015006079A1 (de) Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils
DE2913865A1 (de) Kurbelwelle fuer verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in kraftfahrzeugen, und verfahren zu ihrer herstellung
WO2005090618A1 (de) Verfahren zum erhöhen der dauerfestigkeit von kurbelwellen
DE19652872A1 (de) Verfahren zur Steigerung der Randschichtfestigkeit an Oberflächen von aus sprödharten Werkstoffen gefertigten Werkstücken
DE102011104400A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Welle
JPH03166320A (ja) トラックブッシュおよびその製造方法
WO2006045461A1 (de) Mechanisch belastbares stell- oder lagerbauteil aus mechanisch gehärtetem stahl
EP1664563B1 (de) Verfahren zur herstellung von gelenkbauteilen mit verbesserter verschleissfestigkeit
EP1153686A2 (de) Verfahren zur Bruchtrennung in Bauteilen oder deren Vormaterial
DE626579C (de) An der Oberflaeche gehaerteter Wellenzapfen, insbesondere Kurbelwellenzapfen
EP0670375B1 (de) Verfahren zum Härten von Einmetall-Ventilen, insbesondere von Einlassventilen für Brennkraftmaschinen
EP2027299A1 (de) Verfahren zum einbringen von druckeigenspannungen in eine welle, insbesondere in wellenkerben

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase