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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nockens aus
einem härtbaren
Stahlwerkstoff für
eine gebaute Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
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In
Verbrennungsmotoren für
Kraftfahrzeuge werden vielfach so genannte gebaute Nockenwellen eingesetzt.
Eine solche gebaute Nockenwelle besteht aus einer (hohlen oder massiven)
Trägerwelle, auf
die mehrere Anbauteile (Nockenscheiben, Anlaufscheibe, Antriebsrad,
Impulsräder
...) gefügt
sind. Gebaute Nockenwellen haben den Vorteil, dass die Werkstoffe
der einzelnen Bestandteile sehr genau den funktionellen Ansprüchen dieser
Bestandteile angepasst werden können,
so dass gegenüber
einer herkömmlichen
einstückigen
Nockenwelle sowohl Gewicht als auch Material- und/oder Herstellungskosten
eingespart werden können.
Des Weiteren lässt
die Auslegung der Einzelkomponenten größeren Gestaltungsspielraum
für eine
herstellkostenoptimale Auslegung der Fertigungsprozesskette und
ihrer Einzelabschnitte.
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Die
Herstellung der Einzelnocken erfolgt in der Regel in einem dreistufigen
Prozess, bei dem zunächst
aus einem geeigneten Stahlwerkstoff ein Nockenrohling geschmiedet
bzw. warmgeformt wird, anschließend
zerspanend bearbeitet und abschließend in einer Wärmebehandlung
vergütet
und/oder gehärtet
wird. Solche Verfahren sind beispielsweise aus der
DE 197 16 554 C1 , der
DE 100 48 234 A1 und
der
DE 101 13 952
A1 bekannt. Um den hohen Belastungen im Betrieb der Nockenwelle
zu genügen,
werden diese Nocken oftmals aus dem Wälzlagerwerkstoff 100Cr6 hergestellt
und anschließend
gehärtet
und angelassen. Dieses Verfahren ist allerdings mit hohen Kosten
verbunden, da der Werkstoff 100Cr6 zur Verbesserung des Gefüges und
der Zerspanbarkeit nach dem Schmieden wärmebehandelt (z.B. GKZ-geglüht) werden
muss. Nach der Zerspanung wird dann mittels Härten (z.B. Durchwärmen mit
anschließendem
Abschrecken im Salz- oder Ölbad) und
nachgeschaltetem Anlassen dem Werkstoff eine erhöhte Verschleißbeständigkeit
(Widerstand gegen Abrasion, Wälzbeständigkeit)
für den
späteren
Einsatz im Motor mitgegeben. Zusätzlich
muss der Nocken im Verlauf des Herstellprozesses mehrfach gestrahlt
und gewaschen werden. Die beschriebene Prozesskette ist aufwendig
und bezüglich
der Bauteilqualität
anfällig
gegenüber
Randabkohlung, Rissbildung und Verzügen. Diesen Qualitätsrisiken
kann nur durch eine aufwendige Prozessführung der Einzelprozesse und
zusätzlich
durch eine kostenintensive 100-Prüfung mit erhöhten Ausschussmengen
begegnet werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
von Nocken für
eine gebaute Nockenwelle anzugeben, welches – bei gleich bleibend hoher
Belastbarkeit der Nocken – eine
kostengünstigere
Herstellung ermöglicht
und die Nockenherstellung robuster gegen qualitätsmindernde Prozessstörungen macht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach
wird als Nockenwerkstoff ein härtbarer
Stahlwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,3 Gew.-% und
0.8 Gew.% verwendet, vorzugsweise Cf53 oder C56E2, gegebenenfalls
mit einer gegenüber
der DIN 17212 bzw. DIN EN ISO 683-17 eingeschränkten bzw. modifizierten chemischen
Zusammensetzung, um eine verbesserte Umformbarkeit, Bearbeitbarkeit
und/oder Härtbarkeit
zu erreichen. Weiterhin ist es auch möglich, einsatzhärtbare oder
carbonitrierbare Stähle
zu verwenden.
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Im
Unterschied zum bisher verwendeten Nockenwerkstoff 100Cr6 (mit etwa
1 Gew.-% C und 1,5 Gew.-% Cr), der durch Warmumformen (Schmieden) umgeformt
werden muss, haben diese Nockenwerkstoffe den Vorteil, dass sie
kaltumformbar sind. Bei der Kaltumformung werden thermisch bedingte Schädigungen
der Nockenoberfläche
(Randabkohlung etc.) vermieden. Daraus und durch die mit der Kaltumformung
verbundene höhere
Maßhaltigkeit folgt
eine Reduktion des Schleifaufmaßes
um bis zu 30% gegenüber
herkömmlichen
100Cr6-Nocken. Ähnliche
Vorteile können
auch bei Halbwarmumformung (bei Temperaturen bis zu 400° C bzw. 500° C, je nach
der konkreten stofflichen Zusammensetzung) erreicht werden. Selbst
das Warmschmieden (bei ca. 1100° C)
bietet mit diesen Werkstoffen (z.B. Df53 oder C56E2) gegenüber dem
bisher verwendeten Werkstoff 100Cr6 bei geschickter Abstimmung der Gesamtprozesskette
erhebliche Ansatzpunkte zur Qualitätsverbesserung und Kostenreduzierung.
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Gegenüber Nocken
aus dem herkömmlichen Nockenwerkstoff
100Cr6 zeichnen sich Cf53- bzw. C56E2-Nocken weiterhin durch eine
höhere
metallurgische Robustheit, z.B. eine geringere Härterissempfindlichkeit, aus.
Beispielsweise muss ein Nocken aus 100Cr6 unmittelbar nach dem Härten angelassen
werden; demgegenüber
gestattet Cf53 eine wesentlich weniger stringente Prozessführung.
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Weiterhin
liegt der Materialpreis im vergleichbaren Ausgangszustand von Cf53
bzw. C56E2 deutlich unterhalb dem von 100Cr6, wodurch weitere Einsparungen
erreicht werden können.
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Das
Ausgangsmaterial für
die Herstellung des Nockens ist Stangenmaterial, von dem in einem ersten
Prozessschritt ein Butzen abgelängt
wird, aus dem ein Nockenrohling geformt wird. Diese Umformung erfolgt
vorzugsweise mittels Kaltumformen, insbesondere mittels Kaltfließpressen.
Um die Umformung zu erleichtern, kann das Stangenmaterial bzw. die
Nockenscheibe vor der Umformung gegebenenfalls (je nach Werkstoff)
auf eine Temperatur bis zu 400° C–500° C erwärmt werden,
so dass die Umformung als Halbwarmumformung erfolgt. Eine solche
Temperaturerhöhung
erhöht
naturgemäß die Verformbarkeit.
Die Temperatur wird in einer solchen Weise gewählt, dass die Umformung ohne
Gefügebeeinträchtigung
erfolgt und keine Verzunderung auftritt. Bei Umformung durch Warmschmieden
bieten z.B. Cf53 bzw. C56E2 gegenüber dem bisher verwendeten
100Cr6 die Möglichkeit,
den sonst üblichen
anschließenden
isothermen Wärembehandlungsprozess
durch einen kostengünstigen
geregelten Abkühlprozess
aus der Schmiedehitze zu substituieren.
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Anschließend an
die Kalt-, Halbwarm- oder Warmumformung kann der Nockenrohling einem Kalt-
und/oder Warmkalibrierprozess unterzogen werden, um eine hochgenaue
Nockenform zu erreichen. In Abhängigkeit
von der erzielbaren Genauigkeit des Umformens kann dies notwendig
sein, um
- – ein
möglichst
geringes Aufmaß auf
der Lauffläche
des Nockens zu erreichen und damit den in einem späteren Prozessschritt
erforderlichen Schleifaufwand zu minimieren, und
- – ggf.
spanende Bearbeitungsschritte wie das Drehen/Schleifen der Stirnflächen oder
der Bohrung zu reduzieren bzw. zu vermeiden.
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Um
das Aufmaß zu
reduzieren, kann der Nockenrohling anschließend bzw. alternativ spanend bearbeitet
werden. Auf diese Weise wird bereits im weichen Zustand des Nockens
das später
(d.h. nach dem Härten
und dem Fügen
der Nocken auf die Welle) abzuschleifende Aufmaß auf ein Minimum reduziert;
das spart beim späteren
Konturschleifen (d.h. bei der Fertigbearbeitung der Nockenwelle)
Taktzeit und somit Maschinenkapazität und Investitionskosten. Eine
spanende Vorbearbeitung (z.B. Fräsen)
der Nockenrohlinge nach dem Umformen bietet zudem den Vorteil, dass
dadurch die Variantenvielfalt des Halbzeugs und/oder der Werkzeuge
reduziert werden. Die spanende Bearbeitung der Nockenrohlinge erfolgt
vorzugsweise in einer Paketaufspannung auf einem gemeinsamen Spanndorn.
Dabei werden mehrere Nockenrohlinge auf einem gemeinsamen Spanndorn
aufgenommen und die Außenkontur
umlaufend bis auf ein verbleibendes Schleifaufmaß (etwa 0,4 mm) spanend abgetragen.
Alternativ kann die spanende Bearbeitung auch in Einzelaufspannung durchgeführt werden.
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Es
kann weiterhin vorteilhaft sein, die Nockenrohlinge vor und/oder
nach der spanenden Bearbeitung zu entgraten und/oder zu reinigen.
Insbesondere können
die Nockenrohlinge kugel- oder sandgestrahlt
werden.
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Anschließend werden
die kalt- bzw. halbwarm- oder warmumgeformten und ggf. kalibrierten und/oder
spanend bearbeiteten Nockenrohlinge einer Wärmebehandlung zum Zwecke der
Härtung
der Nockenlaufbahn unterzogen. Vorzugsweise werden die Nockenrohlinge
induktiv randschichtgehärtet.
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Alternativ
können
die Nockenrohlinge auch zunächst
induktiv kurzzeitvergütet
und anschließend induktiv
randschichtgehärtet
werden, vorzugsweise dann mit einer geeigneten Multifrequenztechnik.
Alternativ kann mit der Induktionstechnologie auch eine Durchhärtung der
Nocken erfolgen.
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Beim
induktiven Randschichthärten
wird die Nockenscheibe lokal austenitisiert, abgeschreckt und anschließend angelassen.
Die Parameter dieses Härteprozesses
werden so gewählt,
dass die Randhärtetiefe
der Nocken im einbaufertigen Zustand an der Nockenlaufbahn mindestens
0,3 mm beträgt.
Dabei müssen
die Fügetoleranzen
sowie das Aufmaß für das Schleifen
der gefügten
Nockenwelle berücksichtigt
werden, so dass während
der Randschichthärtung
eine entsprechend tiefere Einhärtung
der Nockenrohlinge erforderlich ist.
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Durch
die Eigenspannungsverteilung im Nocken zwischen der im Falle des
induktiven Randschichthärtens
erzeugten harten Schicht im Bereich der Nockenlaufbahn und dem unverändert weichen Kern
resultiert die Möglichkeit
einer erhöhten
Wälzbeständigkeit/Verschleißbeständigkeit.
Eine solche Eigenspannungscharakteristik randschichtgehärteter Nocken
ist hinsichtlich der Betriebsbeanspruchung deutlich vorteilhafter
als diejenige durchgehärteter Nocken.
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Das
Anlassen der Nockenrohlinge kann durch induktives Kurzzeitanlassen,
durch konventionelles Anlassen im Ofen (typischerweise etwa 2 Stunden
bei etwa 180° C)
oder durch Anlassen aus der Restwärme des vorhergehenden Prozessschritts erfolgen.
Gegebenenfalls kann das Anlassen bei z.B. Cf53- und C56E2-Nocken
ganz entfallen.
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Alternativ
zu der oben beschriebenen Wärmebehandlung
der Nockenrohlinge in Form einer induktiven Randschichthärtung und
anschließendem Anlassen
sind auch Variationen dieses Wärmebehandlungsprozesses
möglich:
- – So
kann eine vorgeschaltete induktive Kurzzeitvergütung notwendig sein, z.B. falls
eine definierte Kernfestigkeit benötigt wird, die sich von derjenigen
des Ausgangsmaterials unterscheidet.
- – Die
Vorvergütung
vor der induktiven Randschichthärtung
kann auch im Härteofen
mit anschließendem
Abschrecken im Öl-
oder Salzbad erfolgen.
- – Anstelle
der induktiven Randschichthärtung können die
Nockenrohlinge auch durch Austenitisierung in einem Härteofen
unter definierter Atmosphäre
und anschließendem
Abschrecken im Salz- oder Ölbad
gehärtet
bzw. vergütet
werden.
- – Weiterhin
kann auf die Randschichthärtung
verzichtet werden, so dass die Wärmebehandlung der
Nockenrohlinge nur eine induktive Kurzzeitvergütung und ein anschließendes Anlassen
umfasst.
- – Gegebenenfalls
kann der Anlassschritt entfallen, so dass die Wärmebehandlung der Nockenrohlinge
nur eine induktive Härtung
umfasst, im Bedarfsfall ist ein induktiver oder konventioneller Vergütungsschritt
(im Härteofen
mit anschließendem
Abschrecken im Öl-
oder Salzbad) vorgeschaltet.
- – Weiterhin
können
bei geeigneter Werkstoffauswahl die Nockenrohlinge einsatzgehärtet oder carbonitriert
und anschließend
im Ofen angelassen werden.
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Aus
Kostengründen
umfasst der Wärmebehandlungsprozess
nur diejenigen Prozessschritte, die zur Erreichung der an den Nocken
gestellten Anforderungen (Härte,
dauerhaft ertragbare Flächenpressung
etc.) notwendig sind.
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Die
induktive Härtung
kann in Einzelaufspannung erfolgen. Zweckmäßigerweise werden die Nockenrohlinge
allerdings in Paketaufspannung wärmebehandelt;
dies hat den Vorteil, dass dabei die Aufspannung der vorhergehenden
spanenden Bearbeitung übernommen
werden kann.
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Nach
der Wärmebehandlung
kann der gehärtete
Nockenrohling spanend bearbeitet werden. Gegebenenfalls kann hierbei
die Paketinnenspannung der Nockenrohlinge aus dem vorhergehenden Wärmebehandlungsprozess übernommen
werden und kostengünstig
in einer Paketaußenspannung
für die
Bohrungsbearbeitung umgesetzt werden. Da in den weiteren Prozessschritten
bis zum Fügen
der Nocken auf die Welle keine thermisch bedingten Verzüge mehr
stattfinden, kann insbesondere eine endkonturgenaue, kostengünstige Innenbearbeitung
der dann noch weichen Nockenbohrung erfolgen. Dadurch kann eine
Genauigkeitserhöhung
des Einzelnockens erreicht werden, die eine höhere Fügegenauigkeit der Nockenwellenrohlinge
zur Folge hat und somit eine Verringerung des Schleifaufmaßes ermöglicht.
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In
der Summe gestattet somit die erfindungsgemäße Verwendung eines härtbaren
Stahlwerkstoffs mit Kohlenstoffgehalt zwischen 0.3 und 0.8 Gew.-%
eine erhebliche Reduktion des Schleifaufmaßes des Nockens, da
- – der
Werkstoff kaltumformbar und somit der Nocken endkonturnah darstellbar
ist; zusätzlich
ist kein Schleifaufmaß zur
Beseitigung thermisch bedingter Oberflächenschädigungen vorzuhalten;
- – der
Werkstoff induktiv randschichthärtbar
ist, wodurch gegenüber
durchgehärteten
Nocken der Verzug bei der Wärmebehandlung
reduziert wird. Dies kann als Basis einer kostengünstigen
Konturbearbeitung (Zerspanung mehrerer gleichgerichteter Nocken
auf einem Spanndort o.ä.)
vor dem Härten
dienen. Gegebenenfalls kann auch die Bohrung vor dem induktiven
Randschichthärten
bearbeitet werden.
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Sofern
es zur Reinigung der Nockenoberfläche, zur Einstellung definierter
Rauheitsverhältnisse und/oder
zum definierten Einbringen von Druckeigenspannungen notwendig ist,
wird der Nocken nach der Wärmebehandlung
kugel- oder sandgestrahlt. Sofern es zur Herstellung von Passungsverhältnissen
zwischen Innenbohrung des Nockens und Außendurchmesser der Welle erforderlich
ist, werden die Nocken innenrundbearbeitet. Sollen die Nocken beispielsweise
mittels Innenhochdruckumformung auf die Welle gefügt werden,
so ist es vorteilhaft, die Innenbohrungen der Nocken zu strahlen.
Sollen die Nocken hingegen mit Hilfe des thermischen Fügens auf
der Welle befestigt werden, so sollten die Innenbohrungen rundbearbeitet
werden.
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Abschließend werden
die Nocken in geeigneter Prüfschärfe hinsichtlich
Geometrie, Werkstoffeigenschaften und Rissfreiheit geprüft.
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Der
auf diese Weise hergestellte Nocken wird anschließend zur
Darstellung einer Nockenwelle auf eine Hohl- oder Vollwelle gefügt. Soll
der Nocken auf einer Hohlwelle befestigt werden, so erfolgt dieser
Fügeschritt
vorzugsweise unter Verwendung des Innenhochdruckumformens der Hohlwelle.
Alternativ bzw. zusätzlich
kann der Nocken aber auch durch andere Fügeverfahren, beispielsweise
durch thermische oder mechanische Fügeverfahren auf der Welle befestigt
werden.
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In
Summe kann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens die Prozesskette
zur Herstellung von Nocken und von gebauten Nockenwellen erheblich
kürzer
und einfacher gestaltet werden. Die für die Produktion benötigten Mittel können deutlich
reduziert werden, während
gleichzeitig die Prozesskette qualitativ sicherer bzw. robuster
gestaltet werden kann als mit den derzeit eingesetzten Nocken aus
100Cr6.
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Der
Nocken kann die klassische Rohlingsform aufweisen, nahezu ringförmig sein
oder auch mehrere Erhebungen aufweisen. Weiterhin eignet sich das
Verfahren zur Herstellung von Pumpennocken.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus den nachfolgend
anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten
Ausführungsbeispielen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer gebauten
Nockenwelle (1a) und eines Nockens (1b);
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2 eine
schematische Darstellung der Prozessschritte eines Verfahrens zur
Herstellung eines Nockens aus 100Cr6 (Stand der Technik);
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3 eine
schematische Darstellung der Prozessschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Nockens aus Cf53;
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4 eine
schematische Darstellung der Prozessschritte eines alternativen
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Nockens aus Cf53;
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1a zeigt
eine gebaute Nockenwelle 1 mit Nocken 2, die mit
Hilfe eines Fügeverfahrens
(z.B. Innenhochdruckumformung, thermisches Fügen) zusammen mit anderen Anbauteilen
(Anlaufscheibe, Antriebsrad, Impulsräder ...) auf einer Welle 3 befestigt
sind. 1b zeigt eine Detaildarstellung
eines Nockens 2.
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Herkömmlicherweise
werden die Nocken 2 aus dem Wälzlagerwerkstoff 100Cr6 hergestellt; 2 zeigt
einen typischen Verfahrensablauf 100 zur Herstellung von
Nockenscheiben aus 100Cr6 gemäß dem Stand
der Technik: Ausgehend von einem Nockenbutzen aus 100Cr6 wird zunächst durch
Warmumformung, insbesondere durch Schmieden, ein Nockenrohling hergestellt
(Schritt 102), der im Wesentlichen bereits die in 1b gezeigte
Form hat. Anschließend
wird der Nocken zur Oberflächenreinigung
gestrahlt und entzundert (Schritt 104). Zur Gefügeverbesserung
bzw. Erreichung einer besseren Zerspanbarkeit wird der Nockenrohling
anschließend isotherm
geglüht
(Schritt 106). Anschließend wird der Nockenrohling
im weichen Zustand spanend bearbeitet (Schritt 108). Zur
Erhöhung
der Verschleißbeständigkeit
wird der Nockenrohling dann gehärtet und
angelassen (Schritt 110). Soll der Nocken 2 später mittels
Innenhochdruckumformung (IHU) mit der Welle 3 gefügt werden,
so wird der Nocken 2 im Bereich der Innenbohrungen gestrahlt
(Schritt 112). Zum Schluss wird eine Qualitätssicherung
des Nockens 2 durchgeführt
(Schritt 114). Zur Herstellung der Nockenwelle wird der
Nocken 2 schließlich
mit Hilfe des Innenhochdruckumformens (IHU) auf die Welle 3 gefügt (Schritt 116).
Zum Schluss erfolgt eine Feinbearbeitung (Schleifen) der Nockenwelle 1,
um den Nocken die geforderte Form zu verleihen (Schritt 118).
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Der
in 2 dargestellte Prozessablauf hat den Nachteil,
dass aufgrund thermischer Schädigungen
des Nockenrohlings während
der Warmumformung 102 (Randabkohlung, Rissbildung, ...),
der isothermen Wärmebehandlung 106 und
aufgrund der thermischen Verzüge
während
der Ofenhärtung 110 auf
dem Nockenrohling ein großes
(Schleif-)Aufmaß vorgehalten
werden muss, das in den Schritten 108 und 118 aufwendig
abgetragen wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Nocken aus dem
kaltumformbaren Werkstoff Cf53 hergestellt; 3 zeigt
einen Verfahrensablauf 200 zur Herstellung von Nockenscheiben
aus Cf53 unter Verwendung der Warmumformung:
Von einem Stangenmaterial
aus Cf53 im geschälten oder
ungeschälten
Zustand wird nach Erwärmung der
Stange zunächst
ein Butzen abgelängt,
aus dem durch einen Warmumformschritt, insbesondere durch Schmieden
oder durch Warmfließpressen
bei etwa 1100° C,
ein Nockenrohling hergestellt wird (Schritt 202), der im
wesentlichen bereits die in 1b gezeigte
Form hat. Der Nockenrohling wird vorteilhafterweise direkt nach
der Warmumformung in gezielter Weise abgekühlt, um ein geeignetes Gefüge als Grundlage
für nachfolgenden
Schritte d.h. für
ein Ausspindeln und gegebenenfalls Plandrehen (Schritt 206),
eine Konturbearbeitung im weichen Zustand (Schritt 208)
und ein induktives Härten
(Schritt 210) einzustellen.
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Der
Nockenrohling wird oberflächengereinigt (gestrahlt)
und entzundert (Schritt 204). In Abhängigkeit von der durch den
Fügeprozess
geforderten Genauigkeit kann die Bohrungsbearbeitung (Schritt 206)
entweder vor oder nach dem induktiven Randschichthärten (Schritt 210)
erfolgen. Bevor der Nocken gehärtet
wird (Schritt 210), erfolgt als Option zur weiteren Optimierung
der Gesamtprozesskette eine Bearbeitung der Außenkontur im ungehärteten Zustand
am Einzelnocken oder in Paketspannung (Schritt 208).
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Anschließend wird
die Laufbahn des Nockens induktiv gehärtet und angelassen (Schritt 210). Soll
der aus dem Nockenrohling gefertigte Nocken 2 später mittels
Innenhochdruckumformung (IHU) auf die Welle 3 gefügt werden,
so wird der Nocken 2 im Bereich der Innenbohrungen gestrahlt
(Schritt 212). Zum Schluss erfolgt eine Qualitätssicherung
des Nockens 2 in geeigneter Prüfschärfe (Prozessschritt 214).
Zur Herstellung der Nockenwelle wird der Nocken 2 z.B.
mit Hilfe des Innenhochdruckumformens (IHU) auf die Welle 3 gefügt (Schritt 216);
anschließend
werden die Nocken durch Schleifen auf die Endkontur gebracht (Schritt 218).
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Verglichen
mit dem Prozessablauf 100 zur Herstellung von Nocken aus
100Cr6 (siehe 2) bietet der Prozessablauf 200 zur
Herstellung von Nocken aus Cf53 unter Verwendung eines Warmumformverfahrens
(siehe 3) folgende Vorteile:
- – Geringerer
Materialpreis von Cf53 gegenüber 100Cr6;
- – Auf
Grund der wegfallenden isothermen Glühung nach dem Schmieden reduziert
sich die thermische Vorschädigung
an der Nockenoberfläche;
es muss daher ein geringeres Schleifaufmaß vorgehalten werden.
- – Auf
Grund der wegfallenden isothermen Glühung nach dem Schmieden verringern
sich Anlageninvest und Betriebskosten.
- – Eine
vor dem Induktionshärten
durchführbare Konturbearbeitung
am weichen Nocken bringt folgende Zusatzeffekte mit sich:
1.
Verbesserung der Härtequalität, da das
Härten auf
homogenem Kerngefüge
erfolgt;
2. Einsatz von kostengünstigem/ungeschältem Ausgangsmaterial
ohne Qualitätseinbußen möglich;
3.
Erhöhung
der Genauigkeiten im Fügeprozess; daraus
folgt wiederum eine Verringerung des Schleifaufmaßes in der
Fertigbearbeitung;
4. Verringerte Investitionsbedarfe in der
Fertigbearbeitung der Nockenwellen, da je nach Fertigteiltolerierungen
maximal ein Finish-Schleifen mit geringem Restaufmaß verbleibt.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in 4 dargestellt.
Auch hier wird der Nocken aus dem kaltumformbaren Werkstoff Cf53
hergestellt, die Formgebung erfolgt bei diesem Verfahrensablauf 300 jedoch
mit Hilfe eines Kaltumformverfahrens, insbesondere mit Hilfe des
Kaltfließpressens.
Auch hier wird zunächst
von einem Stangenmaterial aus Cf53 im geschälten oder ungeschälten Zustand
ein Butzen abgelängt,
aus dem durch Kaltumformung (Schritt 302) ein Nockenrohling
geformt wird, der im Wesentlichen bereits die in 1b gezeigte
Form hat. Um die Umformbarkeit zu erhöhen, kann der Butzen vor der
Kaltumformung auf bis zu 500°C
erwärmt
werden, was weit unter der Gefügeumwandlungstemperatur
von Cf53 liegt, jedoch ein verbessertes Verformungsvermögen bewirkt.
Die Kaltumformung (bzw. Halbwarmumformung) ermöglicht eine endkonturnahe Herstellung
des Nockenrohlings, da der Nocken dabei keinen starken thermischen
Einflüssen
unterliegt und keine nachteiligen Gefügeveränderungen auftreten. Vor dem
Härten des
Nockens können
je nach Genauigkeitsanforderungen des späteren Fügeverfahrens optional folgende
Prozessschritte erfolgen:
- – Kalibrieren von Außenkontur,
Nockenbreite und Bohrung im kalten bzw. halbwarmen Zustand (Schritt 304),
- – Ausspindeln
und Plandrehen (Schritt 306), sowie
- – Konturbearbeitung
(Schritt 308).
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Anschließend wird
der Nocken induktiv gehärtet
und angelassen (Schritt 310). Optional kann die Bohrung
auch erst nach dem Härten
bearbeitet werden.
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Nach
dem Strahlen (Schritt 312) erfolgt eine Qualitätssicherung
(Schritt 314) in geeigneter Prüfschärfe. Zur Herstellung der Nockenwelle
wird der Nocken 2 mit Hilfe des Innenhochdruckumformens (IHU)
auf die Welle 3 gefügt
(Schritt 316); anschließend werden die Nocken durch
Schleifen auf die Endkontur gebracht (Schritt 318).
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Verglichen
mit dem Prozessablauf 100 zur Herstellung von Nocken aus
100Cr6 (siehe 2) bietet der Prozessablauf 300 zur
Herstellung von Nocken aus Cf53 unter Verwendung eines Kalt-/Halbwarumformverfahrens
(siehe 4) folgende Vorteile:
- – Zunächst fällt unmittelbar
auf, dass der Prozessablauf 300 bei Entfall der optionalen
Schritte 304, 306 und 308 weniger Einzelschritte
umfasst als der Prozessablauf 100 und somit prinzipiell einfacher
ist als das herkömmliche
Nockenherstellungsverfahren 100.
- – Da
der Nockenrohling im Prozessablauf 300 kalt/halbwarm geformt
wird (Schritt 302) und während der induktiven Wärmebehandlung
nur in einem Randschichtbereich gehärtet wird (Schritt 310),
sind die thermischen Schädigungen
und Verzüge
des Nockenrohlings sehr viel geringer als beim Prozessablauf 100.
Das hat zur Folge, dass die Nocken mit einer wesentlich höheren dimensionalen
Genauigkeit hergestellt werden können. Daher
kann das Schleifaufmaß stark
verringert werden, was eine erheblich einfachere und kostengünstigere
spanende Endbearbeitung der Nockenwelle (Schritt 318) zur
Folge hat.
- – Da
der Werkstoff Cf53 unempfindlicher ist als 100Cr6, insbesondere
eine geringere Rissempfindlichkeit hat, und da die thermischen Belastungen
des Nockenrohlings während
der Herstellung im Prozessablauf 300 wesentlich geringer
sind als im Prozessablauf 100, ist der im Schritt 314 zu leistende
Messumfang erheblich geringer und somit kostengünstiger als beim herkömmlichen
Verfahren (Schritt 114). Weiterhin führt dies zu einem geringeren
Ausschuss.
- – Weiterhin
ist der Materialpreis von Cf53 geringer als der von 100Cr6.
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Die
Induktionshärtung
(Schritte 210, 310) und die spanende Bearbeitung
der Nocken (Schritte 206 und 208 bzw. 306 und 308)
erfolgen vorteilhafterweise in einer Paketaufspannung, bei der mehrere Nocken
mit Hilfe einer Spannvorrichtung, z.B. unter Verwendung eines Spanndorns
oder eine Außenspannvorrichtung,
miteinander verbunden werden und in diesem Zustand gemeinsam gehärtet bzw.
bearbeitet werden.
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Neben
den in 3 und 4 gezeigten Prozessabläufen 200, 300 sind
auch Kombinationen dieser Prozessabläufe möglich.