WO2006119944A1 - Verfahren und anlage zum härten von übergangsradien einer welle - Google Patents

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WO2006119944A1
WO2006119944A1 PCT/EP2006/004279 EP2006004279W WO2006119944A1 WO 2006119944 A1 WO2006119944 A1 WO 2006119944A1 EP 2006004279 W EP2006004279 W EP 2006004279W WO 2006119944 A1 WO2006119944 A1 WO 2006119944A1
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radii
deep
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transition
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PCT/EP2006/004279
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Alfons Reeb
Jochen Schmidt
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Maschinenfabrik Alfing Kessler Gmbh
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    • B21H7/00—Making articles not provided for in the preceding groups, e.g. agricultural tools, dinner forks, knives, spoons
    • B21H7/18—Making 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
    • B21H7/182—Rolling annular grooves
    • B21H7/185—Filet rolling, e.g. of crankshafts
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for hardening transition radii of a shaft, in particular a crankshaft, wherein at least some of the transition radii at bearing points of the shaft are hardened by a hardening process with an inductive hardening by at least one inductor, which at least partially comprises the transition radii.
  • the invention also relates to a plant for carrying out the method.
  • crankshafts especially crankshafts, are generally known. For example, reference is made to DE 36 13 909 Cl and DE 40 01 887 C2.
  • a two-step process is used for deep-rolling, the second solidifying roller being consolidated in the second step with a very small cuddling ratio compared to the first deep-rolling roller.
  • This process is intended to shift residual compressive stresses to the surface with the aim of reducing cracks.
  • due to the strong plastic deformation of the surface there are very adverse effects on the amount of a possible increase in fatigue strength and thus on the surface properties of the highly stressed radius transitions.
  • scaling and pre-damage to the surface have been shown, especially in the marginal area of the plastic deformation.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a method for hardening the transition radii of shafts, in particular crankshafts, with which a significant increase in the fatigue strength can be achieved, without increasing the size or impairing the service life of the deep rolling tools .
  • this object is achieved in that, after the hardening process, at least some of the transition radii are solidified by deep rolling.
  • a very advantageous possibility for this is that the deep rolling is carried out in two steps, in a first step a preforming with contour adjustment and top - A -
  • a smaller deep-rolling force is used according to the invention for "preforming" the plastic deformation of the transition radii, and then in the second step the deep-rolling is carried out with the maximum required rolling force for introducing maximum residual compressive stresses.
  • the process is advantageously carried out in a conforming ratio of 0.95 to 1.0, preferably 0.98 to 0.96.
  • the first deep rolling step will also be carried out in such a way that the throw-up resulting from the plastic deformation at the edge region is worked outwards.
  • the same radius of the deep rolling roller is preferably used as in the first step.
  • the method according to the invention achieves a significant depth effect and thus a significant increase in the deep rolling force without further major plastic deformation.
  • a very favorable preliminary contour is created by the upstream first deep rolling step, on which the deep rolling can then take place with the required high deep rolling forces.
  • high-pressure and low-pressure regions with intermediate pressure transition zones are created during the deep-rolling process. It has been found that, for example, it is not necessary to use high pressure when hardening a main bearing that is close to a top dead center. Rather, it is sufficient to form a low-pressure zone in this area and, in contrast, to create a high-pressure area in the area of the bottom dead center of the main bearing, it being possible for pressure transition zones to be provided between these two areas. When a connecting rod bearing is solidified, however, the opposite is the case.
  • Another advantage of the method according to the invention is that due to the great depth effect and shifting of the residual compressive stresses below the hardened edge zone area, the transition radii can now open tangentially into the associated bearing points.
  • bearings After deep rolling, bearings can be machined, for example, by grinding. An erosion to a depth of 0.2 to 0.5 mm can be carried out. It was found that no particular loss of fatigue strength is caused in the method according to the invention.
  • the cylindrical areas of the bearing points can also be hardened themselves.
  • the invention also makes it possible, if necessary, to dispense with (inductive) hardening of the cylindrical regions of the bearing points. In the latter case, the advantage is that the reworking of the cylindrical areas of the bearing points can be reworked as a soft version, which is why, for example, it then does not have to be ground.
  • a main advantage of the method according to the invention lies in a corresponding gain in the width of the load-bearing cylindrical bearing points or in a correspondingly shortened design of the hardened shaft.
  • FIG. 1 shows a detail of a crankshaft with a bearing point and transition radii during the hardening process with an inductor
  • crankshaft 2 shows a detail of a crankshaft with a bearing point and transition radii during the hardening process by deep rolling
  • FIG. 7 shows a schematic illustration in front view of a crankshaft with details of the hardening areas
  • Fig. 8 is a flow characteristic for deep rolling in a main bearing shown in Fig. 7;
  • FIG. 9 shows a representation similar to FIG. 7 with the hardening areas for a connecting rod bearing; and 10 shows a flow characteristic for deep rolling in a connecting rod bearing according to FIG. 9.
  • a crankshaft 1 has a plurality of bearing points 2, transition radii 3 being located in the region of the bearing point edges in the transition to cheeks of the crankshaft 1.
  • An inductor 4 which is delivered to the crankshaft 1 in the direction of the arrow via a device (not shown in more detail), hardens the bearing point 2 by induction and also the transition radii 3 by means of lateral heating coils 5.
  • the bearing points 2 can optionally also be hardened with an inductor, at least one heating coil 5 ′ being arranged in the region of the respective bearing point 2 (shown in dashed lines).
  • FIG. 2 shows the same view of the crankshaft 1 as shown in FIG. 1, with the transition radii 3 being solidified after the inductive hardening process by deep rolling.
  • a deep rolling tool 6 known per se is used, which is provided with a plurality of deep rollers 7 which rotate about axes 8.
  • the deep-rolling tool 6 runs in the circumferential direction around the crankshaft 1, so that with a corresponding contact pressure of the deep-rolling rollers 7, the transition radii 3 are solidified in a known manner.
  • the solidification via the fixed rollers 7 is carried out in a two-step working process.
  • 3 shows the first step, in which a deep-rolling roller 7a performs a preforming, namely a contour adjustment and surface smoothing.
  • the preforming is designed in such a way that a table deformation arising at the edge area 10 is worked according to the snow plow principle to the outside, as can be seen from FIG. 3.
  • the throw-up 10 can later be worked off in areas where it interferes, for example by grinding.
  • a second step takes place after the first hardening step, a deep-rolling roller 7b, which has the same radius r in the pressing area as the deep-rolling roller 7a according to FIG. 3, being pressed into the transition radius 3 with a higher deep-rolling force.
  • the longitudinal axes of the deep-rolling rollers 7a and 7b can lie at an angle of 35 ° to a plane which is perpendicular to the longitudinal axis of the crankshaft 1.
  • the higher deep-rolling force in the transition radii 3 can also be achieved in the second step in that the radii r 1 of the deep-rolling rollers 7b (see dashed line in FIG. 4) each have a small radius r 1 in the pressing area than the radii r of the deep-rolling rollers 7a for the first step. In this way, the deep rolling force generated by the deep rolling tool 6 can remain the same, since the higher contact force in the transition radii 3 is achieved by a higher surface pressure due to the smaller radii r 1 .
  • the deep rolling rollers 7a and 7b should have a minimum hardness of 60 HRc (hardness according to the Rockwell C method).
  • the hardness of the crankshaft 1 can range from 50 to 56 HRc. However, a hardness of up to 59 HRc can also be provided if necessary, whereby lower hardnesses of up to approx. 40 HRc are also possible.
  • 5 shows an enlarged representation of hardening zones 9 in the transition radii 3, as are present after the inductive hardening and after deep rolling in the two stages mentioned above.
  • the transition radii 3 can merge into the bearing 2.
  • the bearing point 2 can in the usual way after the deep rolling, e.g. be processed by grinding, 0.2 to 0.5 mm, as indicated by the arrows and the dashed line. The same applies to processing on the side of the cheeks, as is also indicated by the arrows.
  • FIG. 6 shows an enlarged detail of a bearing point with two tangential transition radii in comparison to radii stored or provided with transitions according to the prior art.
  • the radii are shown in dashed lines with R2, the tangential transition radii with Rl.
  • Tangential transition radii 3 are now possible by means of the method according to the invention, the bearing width also being able to be increased from B 2 to Bi while simultaneously increasing the fatigue strength. This means that due to the larger bearing width, the bearing point can absorb more load or the service life is longer. Due to the tangential introduction of the radius Rl into the bearing point 2, this is given a correspondingly greater width Bi, while the bearing width B 2 is correspondingly smaller due to the stored radii R2.
  • the depth of the hardening zone 9 can be between 0.5 and 4.0 mm. Of course, other values are also possible here. A range between 0.96 and 0.98 can advantageously be selected as the nestling ratio between the crankshaft radius and the deep rolling roller radius. If required, a cuddle ratio of 1.0 is also possible.
  • FIGS. 7 to 10 show the course of an increase in the fatigue strength over the circumference of a crankshaft 1, specifically for the application of a main bearing according to FIG. 7 and a connecting rod bearing according to FIG 8 and with a rollover in the connecting rod bearing according to FIG. 7, namely in a 60 ° division.
  • FIGS. 7 and 8 it can be seen that in the case of a main bearing which is in the vicinity or in the vicinity of a UT (bottom dead center of the crankshaft 1), there is a low deep rolling force from A to B (from 0 ° to 25 °) is.
  • zone between B and C 25 ° to 50 °
  • a pressure transition zone after which a range of high continuous deep rolling force is set in zone C to D (50 ° to 200 °).
  • a pressure transition zone with falling pressure then takes place between D and E (200 ° to 225 °).
  • zone E to A there is again a low pressure, which can correspond to the low pressure zone between A and B, the turn being again at 360 ° or 0 °.
  • FIGS. 9 and 10 show a similar sequence characteristic, but here with a connecting rod bearing the highest deep-rolling force occurs in the zone H to I (85 ° to 305 °) in the area of the UT (bottom dead center), while in zones F to G ( 0 ° to 60 °) and J to S (330 ° to 360 °) there is a low pressure zone, which affects the TDC (top dead center). In the zones G to H (60 ° to 85 °) and F to J (305 ° to 330 °) there are pressure transition zones with an increasing or decreasing range.
  • crankshaft The hardness requirements of a crankshaft are dealt with in an optimal manner using the flow characteristics shown in FIGS. 7 to 10.

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Abstract

Ein Verfahren zum Härten von Übergangsradien einer Welle (1), insbesondere einer Kurbelwelle (1), wobei wenigstens ein Teil der Übergangsradien (3) an Lagerstellen der Welle (1) durch einen Härteprozess mit einer induktiven Härtung durch wenigstens einen Induktor (4), der wenigstens teilweise die Übergangsradien umfasst, gehärtet wird. Nach dem Härteprozess wird wenigstens ein Teil der Übergangsradien (3) durch Festwalzen nachverfestigt.

Description

Verfahren und Anlage zum Härten von Überqangsradien einerWelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Übergangsradien einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle, wobei wenigstens ein Teil der Übergangsradien an Lagerstellen der Welle durch einen Härteprozess mit einer induktiven Härtung durch wenigstens einen Induktor, der wenigstens teilweise die Übergangsradien umfasst, gehärtet werden. Die Erfindung betrifft auch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Das induktive Härten der Lagerstellen und Übergangsradien von
Wellen, insbesondere Kurbelwellen, ist allgemein bekannt. Nur beispielsweise wird hierzu auf die DE 36 13 909 Cl und die DE 40 01 887 C2 verwiesen.
Eine Verfestigung von Übergangsradien durch Festwalzen mittels rotierender Walzwerkzeuge ist ebenfalls auf diesem Gebiet bereits bekannt. Hierzu wird beispielsweise auf die EP 1 262 280, EP 1 211 026, EP 0 661 137, EP 0 259 508 Bl und DE 102 35 957 Al verwiesen.
Gemäß der DE 103 08 124 B3 wird beim Festwalzen ein Zweischrittverfahren angewendet, wobei im zweiten Schritt mit einem sehr kleinen Anschmiegungsverhältnis der zweiten Festwalzrolle im Vergleich zu der ersten Festwalzrolle verfestigt wird. Auf diese Weise soll eine weitere plastische Verformung mit ca. 0,005 mm erreicht werden. Durch dieses Verfahren sollen Druckeigenspannungen an die Oberfläche verlagert werden mit dem Ziel, Anrisse zu verringern. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich durch die starke plastische Verformung der Oberfläche sehr nachteilige Auswirkungen auf den Betrag einer möglichen Dauerfestigkeitserhöhung und damit verbunden auf die Oberflächenbeschaffenheit der hoch beanspruchten Radienübergänge ergeben. In der Praxis haben sich Aufschuppungen und Vorschädigungen der Oberfläche, speziell im Randbereich der plastischen Verformung, gezeigt. Durch die Verwendung des gewählten kleinen Anschmie- gungsverhältnisses ergibt sich ein weiterer deutlicher Nachteil dahingehend, dass die Randzone der plastischen Verformung praktisch in den Radius verlagert wird. Dadurch werden die am Randbereich vorhandenen Zugeigenspannungen, welche den Druckeigenspannungen im Hauptbereich der Festwalzung gegenüberstehen, in den hoch beanspruchten Bereich der Übergangsradien verlagert, was dann zwangsläufig deren Beanspruchbarkeit beeinflusst.
Mit den zur Zeit bekannten Verfahren zur Dauerfestigkeitssteigerung, wie Härten, Nitrieren oder Festwalzen, die jeweils einzeln nach Anwendungsfall durchgeführt werden, erzielt man zwar Dauerfestigkeitssteigerungen, aber nicht in dem hohen Maße, wie es entsprechend der heutigen Bauweise, insbesondere im Kurbelwellenbau für die geforderten immer höhere Motorleistungen, gewünscht wird.
Eine Steigerung der Dauerfestigkeit mit einem Festwalzverfahren durch eine entsprechende Erhöhung der Festwalzkräfte scheitert an den zu starken plastischen Verformungen und damit hohen Schubspannungen, was für die Bauteile bezüglich ihrer Dauerfestigkeit nachteilig ist und weiterhin auch die Standzeit der Festwalzwerkzeuge sehr deutlich verringert. Es besteht sogar die Gefahr von vorzeitigem Werkzeugbruch und damit eine generelle Schädigung des zu härtenden Bauteils. Dies bedeutet, dass insbesondere für Kurbelwellen mit den an sie gestellten immer höheren Anforderungen an die Biege- und Torsionsdauerfestigkeit ein Problem bezüglich Gewicht und Bauraum besteht, was bedeutet, dass Leistungssteigerungen nicht einfach über die Erhöhung der Widerstandsmomente, z.B. durch eine Erhöhung der Baugröße, erzielt werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Härten der Übergangsradien von Wellen, insbesondere von Kurbelwellen, zu schaffen, mit dem eine deutliche Steigerung der Dauerfestigkeit erzielt werden kann und zwar ohne dass sich die Baugröße erhöht oder die Standzeit der Festwalzwerkzeuge beeinträchtigt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass nach dem Härteprozess wenigstens ein Teil der Übergangsradien durch Festwalzen nachverfestigt werden.
In überraschender Weise hat sich gezeigt, dass trotz einer "vorgehärteten" Welle, insbesondere trotz Härtung der Übergangsradien, noch durch ein anschließendes Festwalzen ein weitere Erhöhung der Dauerfestigkeit erzielt werden kann und zwar ohne dass die Festwalzwerkzeuge, insbesondere die Walzen, beschädigt werden bzw. deren Standzeit in erheblichem Maße darunter leidet. Dies wird durch eine optimierte Abstimmung der Parameter, wie Werkzeuge, Werkstoff, Beschichtungen, Abmessungen, Rollkräfte beim Festwalzen, Schmierung und Oberflächenhärte der zu härtenden Welle, erreicht.
Eine sehr vorteilhafte Möglichkeit hierfür besteht darin, dass das Festwalzen in zwei Schritten durchgeführt wird, wobei in einem ersten Schritt eine Vorformung mit Konturanpassung und Ober- - A -
flächenglättung vorgenommen wird und im zweiten Schritt ein Festwalzen mit höherem Druck stattfindet.
Im ersten Schritt wird erfindungsgemäß mit einer kleineren Festwalzkraft zur "Vorformung" der plastischen Verformung der Übergangsradien gearbeitet und anschließend im zweiten Schritt erfolgt die Festwalzung mit der maximal erforderlichen Walzkraft zur Einbringung von maximalen Druckeigenspannungen.
Es hat sich dabei herausgestellt, dass mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren in vorteilhafter Weise in einem Anschmiegungsverhält- nis von 0,95 bis 1,0, vorzugsweise 0,98 bis 0,96, gearbeitet wird.
In vorteilhafter Weise wird man den ersten Festwalzschritt auch derart ausführen, dass der durch die plastische Verformung am Randbereich entstehende Aufwurf nach außen gearbeitet wird.
Vorzugsweise wird bei dem zweiten Festwalzschritt mit dem gleichen Radius der Festwalzrolle gearbeitet wie im ersten Schritt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine deutliche Tiefenwirkung und damit deutliche Erhöhung der Festwalzkraft ohne weitere große plastische Verformung erreicht. Durch das erfindungsgemäße zweischrittige Verfahren wird durch den vorgeschalteten ersten Festwalzschritt eine sehr günstige Vorkontur geschaffen, auf welche dann die Festwalzung mit den erforderlichen hohen Festwalzkräften erfolgen kann.
Es hat sich auch als wesentlich herausgestellt, dass durch die
Steuerung der Festwalzkraft über den Umfang entscheidend die
Dauerfestigkeitserhöhung und speziell eine Standzeiterhöhung der Werkzeuge erreicht werden kann. Erfindungsgemäß werden beim Festwalzen über den Umfang verteilt Hochdruck- und Niederdruckbereiche mit dazwischenliegenden Druckübergangszonen geschaffen. Es hat sich herausgestellt, dass es z.B. nicht erforderlich ist, beim Härten eines Hauptlagers, das in der Nähe eines oberen Totpunktes liegt, mit einem hohen Druck zu arbeiten. Es ist vielmehr ausreichend, in diesem Bereich eine Niederdruckzone zu bilden und im Gegensatz dazu im Bereich des unteren Totpunktes des Hauptlagers einen Hochdruckbereich zu schaffen, wobei zwischen diesen beiden Bereichen Druckübergangszonen vorgesehen werden können. Beim Verfestigen eines Pleuellagers ist es hingegen genau umgekehrt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass aufgrund der großen Tiefenwirkung und Verlagerung der Druckeigenspannungen unter den gehärteten Randzonenbereich nunmehr die Übergangsradien tangierend in die dazugehörigen Lagerstellen einmünden können.
Im allgemeinen werden festgewalzte Übergangsradien nicht mehr überarbeitet. Bei der erfindungsgemäßen Kombination mit den daraus resultierenden wesentlich höheren Druckeigenspannungen und tiefergehenden Härtezone lässt sich im Bedarfsfalle jedoch auch noch eine Überarbeitung bzw. Abtragen der Radien durchführen und zwar ohne dass es zu einer großen Reduzierung der Dauerfestigkeit kommt.
Nach dem Festwalzen können z.B. Lagerstellen mechanisch, z.B. durch Schleifen, bearbeitet werden. Ein Abtrag bis zu einer Tiefe von 0,2 bis 0,5 mm kann dabei vorgenommen werden. Dabei wurde festgestellt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kein besonderer Dauerfestigkeitsverlust verursacht wird. Neben dem induktiven Härten der Übergangsradien können auch die zylindrischen Bereiche der Lagerstellen selbst gehärtet werden. Durch die Erfindung ist es jedoch auch möglich, gegebenenfalls auf eine (induktive) Härtung der zylindrischen Bereiche der Lagerstellen zu verzichten. Im letzteren Falle besteht der Vorteil darin, dass die Überarbeitung der zylindrischen Bereiche der Lagerstellen als weiche Ausführung überarbeitet werden können, weshalb dann z.B. nicht geschliffen werden muss.
Ein Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in einer entsprechenden Gewinnung von Breite der tragfähigen zylindrischen Lagerstellen oder in einer entsprechend verkürzten Ausführung der gehärteten Welle.
In überraschender Weise wurde festgestellt, dass aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich der Kombination einer vorangegangenen Härtung, z.B. einer induktiven Härtung, mit anschließendem Festwalzen das beim Stand der Technik nachteilige Problem von vorzeitigen oberflächennahen Anrissen, deutlich reduziert werden kann. Es wurde in der Praxis festgestellt, dass sie zum einen geringer ausgeprägt sind und zum anderen erst bei höherem Belastungsniveau auftreten.
Auch die im allgemeinen beim Aufbringen von hohen Festwalzkräften auftretenden Aufschuppungen und Versprödungen der Oberflächen der Radien treten beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht ein.
Trotz einer extrem hohen Flächenpressung wird die plastische Verformung sehr klein gehalten, was sich wiederum über eine geringere Kerbwirkung sehr positiv auf die Dauerfestigkeit auswirkt . Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 ausschnittsweise eine Kurbelwelle mit einer Lagerstelle und Übergangsradien während des Härtevorgangs mit einem Induktor;
Fig. 2 ausschnittsweise eine Kurbelwelle mit einer Lagerstelle und Übergangsradien während des Härtevorgangs durch Festwalzen;
Fig. 3 ein Festwalzwerkzeug in einem ersten Arbeitsschritt;
Fig. 4 ein Festwalzwerkzeug in einem zweiten Arbeitsschritt;
Fig. 5 eine Ausschnittsvergrößerung durch eine Lagerstelle und zwei Übergangsradien mit Angabe der Härtezone;
Fig. 6 eine Ausschnittsvergrößerung durch eine Lagerstelle und zwei tangentialen Übergangsradien;
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung in Stirnansicht einer Kurbelwelle mit Angabe der Verfestigungsbereiche;
Fig. 8 eine AblaufCharakteristik für ein Festwalzen in einem Hauptlager nach Fig. 7;
Fig. 9 eine Darstellung ähnlich der Fig. 7 mit den Verfestigungsbereichen für ein Pleuellager; und Fig. 10 eine AblaufCharakteristik für ein Festwalzen in einem Pleuellager nach Fig. 9.
Ein Induktionshärteverfahren und eine Anlage hierfür mit einem Induktor ist allgemein bekannt, weshalb in der Fig. 1 nur prinzipmäßig die wesentlichen Teile dargestellt sind. Eine Kurbelwelle 1 weist mehrere Lagerstellen 2 auf, wobei sich im Bereich der Lagerstellenränder im Übergang zu Wangen der Kurbelwelle 1 Übergangsradien 3 befinden. Ein Induktor 4, der über eine nicht näher dargestellte Vorrichtung der Kurbelwelle 1 in Pfeilrichtung zugestellt wird, härtet durch Induktion die Lagerstelle 2 und durch seitliche Heizspulen 5 auch die Übergangsradien 3.
In bekannter Weise können gegebenenfalls auch die Lagerstellen 2 mit einem Induktor gehärtet werden, wobei wenigstens eine Heizspirale 5' im Bereich der jeweiligen Lagerstelle 2 angeordnet ist (gestrichelt dargestellt) .
Die Fig. 2 zeigt die gleiche Ansicht der Kurbelwelle 1 wie in der Fig. 1 dargestellt, wobei anschließend an den induktiven Härteprozess eine Verfestigung der Übergangsradien 3 durch ein Festwalzen vorgenommen wird. Hierzu dient ein an sich bekanntes Festwalzwerkzeug 6, das mit mehreren Festwalzen 7 versehen ist, die um Achsen 8 rotieren. Gleichzeitig läuft das Festwalzwerkzeug 6 in Umfangsrichtung um die Kurbelwelle 1, so dass mit einem entsprechenden Anpressdruck der Festwalzen 7 eine Verfestigung der Übergangsradien 3 in bekannter Weise erreicht wird.
Die Verfestigung über die Festwalzen 7 wird in einem Arbeitsverfahren mit zwei Schritten durchgeführt. Die Fig. 3 zeigt den ersten Schritt, wobei eine Festwalzrolle 7a eine Vorformung, nämlich eine Konturanpassung und Oberflächenglättung durchführt. Die Vorformung wird dabei so gestaltet, dass ein durch die plas- tische Verformung am Randbereich entstehende Aufwurf 10 nach dem Schneepflugprinzip nach außen gearbeitet wird, wie dies aus der Fig. 3 ersichtlich ist. Der Aufwurf 10 kann später an Bereichen, an denen er stört, abgearbeitet werden, z.B. durch Schleifen.
Nach dem ersten Verfestigungsschritt erfolgt gemäß Fig. 4 ein zweiter Schritt, wobei eine Festwalzrolle 7b, die den gleichen Radius r im Andruckbereich aufweist wie die Festwalzrolle 7a gemäß Fig. 3, in den Übergangsradius 3 mit einer höheren Festwalzkraft eingedrückt wird. Die Längsachsen der Festwalzrollen 7a und 7b können in einem Winkel von 35° zu einer Ebene liegen, die senkrecht zur Längsachse der Kurbelwelle 1 liegt.
Anstelle von gleichen Radien r der Festwalzrollen 7a und 7b und einer höheren Festwalz- bzw. Anpresskraft der Festwalzrollen 7b, die durch das Festwalzwerkzeug 6 erreicht wird, kann die höhere Festwalzkraft in den Übergangsradien 3 im zweiten Schritt auch dadurch erreicht werden, dass die Radien r1 der Festwalzrollen 7b (siehe gestrichelte Darstellung in Fig. 4) im Andruckbereich jeweils einen kleinen Radius r1 aufweisen als die Radien r der Festwalzrollen 7a für den ersten Schritt. Auf diese Weise kann die durch das Festwalzwerkzeug 6 erzeugte Festwalzkraft gleich bleiben, da die höhere Anpresskraft in den Übergangsradien 3 durch eine höhere Flächenpressung aufgrund der kleineren Radien r1 erreicht wird.
Die Festwalzrollen 7a und 7b sollten eine Mindesthärte von 60 HRc (Härte nach Rockwell C-Verfahren) besitzen. Die Härte der Kurbelwelle 1 kann in einem Oberflächenhärtungsbereich von 50 bis 56 HRc liegen. Es kann jedoch auch im Bedarfsfall eine Härte bis zu 59 HRc vorgesehen werden, wobei nach unten geringere Härten bis zu ca. 40 HRc ebenfalls möglich sind. Die Fig. 5 zeigt in einer vergrößerten Darstellung Härtezonen 9 in den Übergangsradien 3, wie diese nach dem induktiven Härten und nach dem Festwalzen in den vorstehend genannten zwei Stufen vorhanden sind.
Die Übergangsradien 3 können tangierend in die Lagerstelle 2 übergehen. Die Lagerstelle 2 kann in üblicher Weise nach dem Festwalzen noch, z.B. durch Schleifen, 0,2 bis 0,5 mm abgearbeitet werden, wie dies durch die Pfeile und die gestrichelte Linie angedeutet ist. Gleiches gilt für eine Abarbeitung seitlich an den Wangen, wie dies ebenfalls durch die Pfeile angedeutet ist.
Die Fig. 6 zeigt in einer Ausschnittsvergrößerung eine Lagerstelle mit zwei tangentialen Übergangsradien im Vergleich zu hinterlegten bzw. mit Übergängen versehenen Radien nach dem Stand der Technik. In der Fig. 6 sind die hinterlegten Radien gestrichelt mit R2 dargestellt, die tangentialen Übergangsradien mit Rl.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind nunmehr tangentiale Übergangsradien 3 möglich, wobei bei gleichzeitiger Erhöhung der Dauerfestigkeit auch die Lagerbreite von B2 auf Bi erhöht werden kann. Dies bedeutet, aufgrund der höheren Lagerbreite kann die Lagerstelle mehr Last aufnehmen bzw. ergibt sich eine höhere Lebensdauer. Durch die tangentiale Einleitung des Radius Rl in die Lagerstelle 2 erhält diese entsprechend eine größere Breite Bi, während durch die hinterlegten Radien R2 die Lagerbreite B2 entsprechend geringer ist.
Die Tiefe der Härtezone 9 kann in Abhängigkeit vom Kurbelwellenradius zwischen 0,5 und 4,0 mm betragen. Selbstverständlich sind hier auch noch andere Werte möglich. AIs Anschmiegungsverhältnis zwischen Kurbelwellenradius und Festwalzrollenradius kann in vorteilhafter Weise ein Bereich zwischen 0,96 und 0,98 gewählt werden. Im Bedarfsfalle ist jedoch auch ein Anschmiegungsverhältnis von 1,0 möglich.
Die Figuren 7 bis 10 zeigen den Verlauf einer Dauerfestigkeitserhöhung über den Umfang einer Kurbelwelle 1 und zwar für den Anwendungsfall eines Hauptlagers gemäß Fig. 7 und eines Pleuellagers gemäß Fig. 9. Die Figuren 8 und 10 zeigen jeweils dazu die AblaufCharakteristik bei einer Überwalzung im Hauptlager gemäß Fig. 8 und bei einer Überwalzung im Pleuellager gemäß Fig. 7 und zwar in einer 60°-Teilung.
Auf den Abszissen der Figuren 8 und 10 ist jeweils der Verlauf über 360° des Umfangs angegeben und auf den Ordinaten ist die Festwalzkraft angegeben.
Gemäß den Figuren 7 und 8 ist ersichtlich, dass bei einem Hauptlager, das sich in der Nähe bzw. im Bereich eines UT (unterer Totpunkt der Kurbelwelle 1) befindet, von A bis B (von 0° bis 25°) eine geringe Festwalzkraft vorhanden ist. In der Zone zwischen B und C (25° bis 50°) liegt eine Druckübergangszone vor, wonach in der Zone C bis D (50° bis 200°) ein Bereich hoher kontinuierlicher Festwalzkraft eingestellt ist. Anschließend erfolgt zwischen D und E (200° bis 225°) eine Druckübergangszone mit abfallendem Druck. In der Zone E bis A (225° bis 360°) liegt wieder ein Niederdruck vor, der der Niederdruckzone zwischen A und B entsprechen kann, wobei sich wiederum bei 360° bzw. 0° der UT befindet.
Wie ersichtlich, liegt im Bereich des OT (oberer Totpunkt der Kurbelwelle 1) die höchste Festwalzkraft vor. Die Figuren 9 und 10 zeigen eine ähnliche AblaufCharakteristik, wobei jedoch hier bei einem Pleuellager die höchste Festwalzkraft in der Zone H bis I (85° bis 305°) im Bereich des UT (unterer Totpunkt) auftritt, während in den Zonen F bis G (0° bis 60°) und J bis S (330° bis 360°) eine Niederdruckzone vorliegt, womit der OT (obere Totpunkt) betroffen ist. In den Zonen G bis H (60° bis 85°) und F bis J (305° bis 330°) liegen wieder Druckübergangszonen mit ansteigendem bzw. absteigendem Bereich vor.
Mit den in den Figuren 7 bis 10 dargestellten AblaufCharakteristiken wird auf die Härteanforderungen einer Kurbelwelle auf optimale Weise eingegangen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Härten von Übergangsradien einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle, wobei wenigstens ein Teil der Ü- bergangsradien an Lagerstellen der Welle durch einen Härte- prozess mit einer induktiven Härtung durch wenigstens einen Induktor, der wenigstens teilweise die Übergangsradien um- fasst, gehärtet werden, da du r c h g e ke nn z e i c h n e t , dass nach dem Härteprozess wenigstens ein Teil der Übergangsradien (3) durch Festwalzen nachverfestigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, da du r c h g e k e nn z e i c h n e t , dass das Festwalzen in zwei Schritten durchgeführt wird, wobei in einem ersten Schritt eine Vorformung mit Konturanpassung und Oberflächenglättung vorgenommen wird und im zweiten Schritt ein Festwalzen mit höherem Druck auf die Übergangsradien stattfindet .
3. Verfahren nach Anspruch 2, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Festwalzen im zweiten Schritt mit Festwalzrollen (7b) von gleichem Radius (r) erfolgt wie im ersten Schritt, wobei der höhere Druck auf die Übergangsradien (3) durch eine höhere Festwalzkraft der Festwalzrollen (7b) erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, d a du r c h g e k e nn z e i c h n e t , dass der höhere Druck auf die Übergangsradien (3) durch Festwalzrollen (7a, 7b) mit unterschiedlichen Radien erzeugt wird, wobei die Radien (r1) der Festwalzrollen (7b) für den zweiten Schritt kleiner sind als die Radien (r) der Festwalzrollen (7a) für den ersten Schritt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im ersten Schritt des Festwalzverfahrens der durch die Verformung am Randbereich entstehende Aufwurf (10) nach außen gearbeitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Festwalzen über den Umfang gesteuert mit unterschiedlicher Walzkraft erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Festwalzen der Übergangsradien (3) einer Kurbelwelle (1) über den Umfang Hochdruckbereiche und Niederdruckbereiche mit dazwischenliegenden Druckübergangszonen vorgesehen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a du r c h g e ke n n z e i ch n e t , dass im Bereich des oberen Totpunktes eines Hauptlagers der Kurbelwelle (1) ein Niederdruckbereich und im Bereich des unteren Totpunktes ein Hochdruckbereich beim Festwalzen vorgesehen wird mit dazwischenliegenden Druckübergangszonen.
9. Verfahren nach Anspruch 7, da du r c h g e ke n n z e i ch n e t , dass im Bereich des unteren Totpunktes eines Pleuellagers der Kurbelwelle (1) ein Niederdruckbereich und im Bereich des oberen Totpunktes ein Hochdruckbereich beim Festwalzen vorgesehen wird mit dazwischenliegenden Druckübergangszonen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen Festwalzrollenradius und Kurbelwellenradius ein An- schmiegungsverhältnis von 1,0 bis 0,95, vorzugsweise 0,98 bis 0,96, vorgesehen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Übergangsradien (3) tangierend zum angrenzenden Bauteil ausgebildet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
Festwalzwerkzeuge (6,7) mit einer Mindesthärte von 60 HRc verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t , dass die Oberflächenhärte der Welle (1) beim Festwalzen in einem Bereich von 40 bis 59 HRc, vorzugsweise zwischen 50 und 56 HRc, gewählt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Härtezone für die Übergangsradien (3) eine Tiefe von 0,5 bis 4,0 mm vorgesehen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da du r c h g e k e n n z e i ch n e t , dass die Lagerstellen (2) nach dem Festwalzen in einem Abtragsverfahren derart fertiggestellt werden, dass sich tangentiale Übergänge zu den Übergangsradien ergeben.
16. Verfahren nach Anspruch 15, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abtragung der Lagerstellen (2) bis zu einer Tiefe von
0,2 bis 0,5 mm erfolgt.
17. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit einer Härtevorrichtung (4), die wenigstens einen Induktor (5) aufweist, welcher die zu härtenden Übergangsradien (3) wenigstens teilweise umfasst, und einem Festwalzwerkzeug (6), das mehrere rotierende Festwalzrollen (7a, 7b) aufweist, die in die Übergangsradien (3) eingedrückt sind und die sich über den Umfang der Übergangsradien (3) abrollen.
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