DE10361739B4

DE10361739B4 - Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien

Info

Publication number: DE10361739B4
Application number: DE2003161739
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr.-Ing. Heimann
Original assignee: Hegenscheidt MFD GmbH and Co KG
Current assignee: Hegenscheidt MFD GmbH and Co KG
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2023-12-30
Also published as: DE10361739A1; WO2005063442A1

Abstract

Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien an vorgefertigten Kurbelwellen für Pkw-Motoren dadurch gekennzeichnet, dass
– die Randschichten der Kurbelwellenradien mit einem Laserstrahl mit einer Leistung von etwa 1 kW/cm² bis auf eine Tiefe von einem Millimeter bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des jeweiligen Stahls und anschließende 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.

Description

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 C2 . 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 Laserstrahlung" 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 U1 ist eine hochfeste korrosionsbeständige Stahlwelle 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.

Zusätzlich ist es aus der DE 31 42 270 C2 bekannt, einzelne Maßnahmen zur Steigerung der Festigkeit von Werkstoffen miteinander zu kombinieren, indem z. B. eine thermochemische Härtung eines Stahls noch durch eine mechanische Verfestigung ergänzt wird. 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 im erhitzten Zustand kaltverfestigt wird. Das Kaltverfestigen kann dabei mit "kaltem" Werkzeug erfolgen. Geeignet dazu sind beispielsweise Festwalzrollen, die bei Raumtemperatur zum Einsatz gebracht werden.

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 dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des Anspruchs 1 auf. Gemäß der Erfindung werden die Vorteile der beiden an sich bekannten Verfahren, nämlich des Festwalzens und des Randschichthärtens von Kurbelwellenradien miteinander kombiniert.

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
1 einen Längenabschnitt einer Kurbelwelle in der Seitenansicht,
2 einen vergrößerten Ausschnitt X der 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 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 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 2 zeigt den Verlauf der Druckeigenspannung 20 deutlich. Die Druckeigenspannung 20 verhindert, dass sich innerhalb der Vertiefung 19 in Folge der Biegewechsellast, welcher die Kurbelwelle 1 im Betrieb dauernd unterworfen ist, Anrisse ausbilden können.

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

LITERATURHINWEISE

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://www.simtop.fhg.de/cgi-bin/rmcat?1099sz01 12.11.03

Claims

Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellenradien an vorgefertigten Kurbelwellen für Pkw-Motoren dadurch gekennzeichnet, dass – die Randschichten der Kurbelwellenradien mit einem Laserstrahl mit einer Leistung von etwa 1 kW/cm² bis auf eine Tiefe von einem Millimeter bei einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des jeweiligen Stahls und anschließende 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Material auf etwa 900° C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubbewegung des Laserstrahls so gewählt wird, dass ausreichend Zeit zur Austenitisierung des Materials der Randschichten zur Verfügung steht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Kurbelwellenradien nach dem Anlassen annähernd bis auf Raumtemperatur abkühlt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Kurbelwellenradien mit erhöhten Festwalzkräften festwalzt.