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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bruchtrennen von Bauteilen. Die Erfindung wird dabei insbesondere
auf Bauteile wie Pleuel oder Kurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren
beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Verfahren
auch für andere Bauteile, insbesondere Lagerbauteile, verwendet
werden kann. Gebaute Lager von Bauteilen wie Pleuel- oder Kurbelgehäuse
werden aus Kostengründen zunehmend mittels der sogenannten „Crack-Technologie” hergestellt.
Bei diesem Verfahren wird zunächst ein einteiliges Lager
gefertigt, und nach Einbringung einer Kerbe bzw. Rissausgangsstelle
erfolgt mittels eines geeigneten Verfahrens ein gezieltes Aufbrechen
des Lagers, um die gewünschte gebaute Bauform darzustellen.
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Die
DE 43 03 592 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit wenigstens einem
geteilten Lagersitz. Dabei wird ein Lagerdeckel von dem Formteil
abgetrennt, wobei eine Lagerschicht aus einem anderen Material als
dem des Formteils auf eine Lagersitzfläche des Formteils
aufgebracht wird, und die Lagerschicht durch Bruchtrennung geteilt
wird. Dabei wird ebenfalls beschrieben, dass im Bereich der Trennstellte
das Formteil durch gezielte Wärmebehandlung versprödet
wird. Durch diese Vorgehensweise kann jedoch nicht unter allen Umständen
eine präzise Bruchstelle erreicht werden.
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Die
DE 43 06 280 A1 beschreibt
ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer
geteilten Lauffläche für Wälzkörper.
Auch hierbei wird zur Herstellung des Bauteils ein Verfahren der Bruchtrennung
verwendet, wobei hier vor der Bruchtrennung ein Randschichthärten
erfolgt. Eine entsprechende Anrisskerbe wird bei diesem Verfahren
insbesondere durch mechanische Bearbeitung oder durch eine entsprechende
Ausbildung eines Presswerkzeuges angebracht.
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Die
DE 690 03 362 T2 beschreibt
ein Spaltverfahren für Lagerungsteile durch Wasserstoffeintrag.
Dabei wird mindestens ein Bereich einer Wand, die an einen Riss
anstößt, einer Wasserstoffquelle ausgesetzt, um
eine Auflösung des besagten Wasserstoffs in das Metall
zu bewirken, und auf diese Weise die Rissbildung an dieser Stelle
zu fördern. Damit werden bei diesem Verfahren Chemikalien
im weiteren Sinne eingesetzt, um die Bruchtrennung zu bewirken,
was relativ kostenaufwendig ist.
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Die
EP 1 225 348 A2 beschreibt
ein Verfahren zur Vorbereitung einer Bruchtrennstelle. Dabei wird
in einem für eine Rissinitiierung vorgesehenen Bereich
lokal eine spröde Zone gebildet, in dem mittels eines auf
den genannten Bereich gerichteten energiereichen Strahls durch den
Werkstoff einer ersten Werkstoffzone und den Werkstoff einer benachbarten
zweiten Zone lokal eine Werkstoffdiffusion veranlasst wird. Dabei
werden nahe der Bruchtrennstelle vergleichsweise große
elastische Verformungen zugelassen. Für diesen Prozess
ist es erforderlich, vergleichsweise hohe Energiemengen einzutragen.
Daneben eignet sich dieses Verfahren lediglich für Werkstoffverbundbauteile.
Daneben werden hierbei im Bereich der Rissinitierungszone sacklochartige Vertiefungen
gebildet.
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Aus
der
US 5,208,979 ist
ein Verfahren zum Herstellen einer mehrteiligen Metallkomponente
bekannt, bei dem ein Laser eingesetzt wird, um eine Rissausgangsstelle
zu erzeugen. Dabei dient jedoch der Laser lediglich dem Zweck der
Abtragung von Material.
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Die
DE 100 22 884 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Bruchtrennung in Bauteilen, wobei hier im Bereich
der Bruchtrennung durch eine örtlich begrenzte Wärmebehandlung
eine Versprödung gegenüber dem unbehandelten Bauteil
herbeigeführt wird. Dabei erfolgt insbesondere die Wärmebehandlung durch
Aufschmelzen, in dem der Werkstoff ganz oder teilweise aufgeschmolzen
wird, und hierbei versprödende Elemente oder Verbindungen
in fester, flüssiger oder gasförmiger Form in
die Schmelze eingeschmolzen werden. Auf diese Weise ergeben sich
in dem Bereich der besagten Kerbe Aufhärtungen und damit
Druckeigenspannungen, welchen auch Zugspannungen im restlichen Bauteil
gegenüberstehen.
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Die
DE 197 52 753 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Bruchtrennen eines Lagerdeckels bei einem Pleuel.
Dabei werden abschnittsweise entlang einer Seite der Bruchtrennebene
von der Bauteiloberfläche aus durch querschnittsschwache
Stege voneinander getrennte sacklochartige Vertiefungen durch Schmelzen,
Verdampfen und/oder Ausblasen erzeugt. In die sem Verfahren wird
daher in sehr gezielter Weise Material abgetragen, wodurch dieses
Verfahren sich relativ aufwendig gestaltet.
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Die
DE 42 04 948 C2 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Bauteile. Dabei wird das
Bauteil aus Pulver gepresst, gesintert, abgekühlt und anschließend
das Bauteil an der Trennstelle zwischen zwei Einzelteilen beim Pressen
mit zumindest einer Trennkerbe versehen. Bei dem Einfügen
der Trennkerbe selbst ist jedoch kein weiterer Erwärmungsprozess
beabsichtigt oder vorgesehen.
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Aus
der
DE 196 17 402
A1 ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Anrissstelle
zum Bruchtrennen eines Bauteils bekannt. Bei diesem Verfahren wird Strahlungsenergie
mittels eines Lasers eingebracht, wobei die Erzeugung der besagten
Kerbe und die Einbringung von Strahlungsenergie in unterschiedlichen
Verfahrensschritten erfolgt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im Vergleich
zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vereinfachtes
Verfahren zur Bruchtrennung von Bauteilen zur Verfügung zu
stellen. Weiterhin soll ein „Crack-Prozess” dahin gehend
unterstützt werden, dass insbesondere im Bereich einer
Anrissstelle bzw. Kerbe Zugeigenspannung gezielt erzeugt werden,
um auf diese Weise den Rissausgang zu unterstützen. Dies
wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach
Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 11 erreicht. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren von Bruchtrennen
von Werkstücken in Bauteile dieser Werkstücke
wird mittels einer Materialbearbeitungseinrichtung in einem vorgegebenen
Bereich der Bauteile eine Ausnehmung durch Abtragung von Material
der Bauteile erzeugt, wobei diese Ausnehmung als Rissausgangsstelle
zum Trennen der Bauteile dient. Erfindungsgemäß wird
das Werkstück in einem Bereich der Ausnehmung durch die
Materialbearbeitungseinrichtung erwärmt und die Erwärmung
erfolgt mittels eines vorbestimmten Wärmeeintrags (gezielt) derart,
dass eine Temperatur des Bauteils eine vorgegebene Temperatur nicht übersteigt.
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Damit
wird vorgeschlagen, dass die gleiche Materialbearbeitungseinrichtung
sowohl das Material abträgt als auch die Erwärmung
des Bauteils bewirkt. Weiterhin wird im Vergleich zu aus dem Stand
der Technik bekannten Verfahren nicht relativ willkürlich Wärmeenergie
ein getragen, sondern der Energieeintrag wird genau gesteuert, wobei
erreicht wird, dass durch die Erwärmung eine gezielte Aufhärtung
des Materials auftritt.
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Dabei
ist es möglich, eine punktuelle und stark fokussierte Einbringung
hoher Energiemengen durchzuführen, um einen Materialabtrag
zu ermöglichen. Die hiermit verbundene Temperaturerhöhung an
der entstandenen Kontur kann als Nebenwirkung zu dem Aufhärten
der Kerboberfläche führen, was erfindungsgemäß ausgenutzt
wird. Dieses Aufhärten äußert sich teilweise
in mikroskopischen Härterissen und beruht auf einer Gefügeumwandlung
des metallischen Werkstoffes. Prinzipiell wäre es auch
möglich, durch zwei verschiedene Bearbeitungseinheiten wie
zwei verschiedene Laser den entsprechenden Wärmeeintrag
vorzunehmen. Insbesondere wird jedoch in jedem Falle der Energieeintrag
dahingehend gesteuert, bzw. die Bauteiltemperatur begrenzt, dass es
lediglich zu einem lokalen Anlassen des Werkstoffes kommt. Dieses
Anlassen bewirkt einen Abbau von Druckeigenspannung. Bevorzugt findet
das Anlassen des Werkstoffes lediglich im Bereich der besagten Rissausgangsstelle
statt. Es soll damit erreicht werden, dass der Crackprozess dahingehend unterstützt
wird, dass im Bereich der Ausnehmung Zugeigenspannungen gezielt
erzeugt werden, um den Rissausgang zu unterstützen.
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Vorteilhaft
wird als Materialbearbeitungseinrichtung eine Lasereinrichtung eingesetzt.
Es wäre auch möglich, die erwähnte Rissausgangsstelle durch
spanende Bearbeitung zu erzeugen, der Einsatz einer Lasereinrichtung
bringt jedoch den Vorteil mit sich, dass gleichzeitig ein lokal
genau begrenzbarer Wärmeeintrag vorgenommen wird. Der Laser dient
daneben zum gezielten Abtragen von Material, um die gewünschte
Geometrie, in diesem Fall eine Ausnehmung, darzustellen.
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Die
beschriebene Technologie bzw. Einrichtung zur punktuellen Energieeinbringung
mittels Laser wird in diesem Falle primär zur gezielten
Materialumwandlung im Bereich der Rissausgangsstelle bzw. Kerbe
genutzt. Durch einen dosierten Energieeintrag und der damit beabsichtigten
Aufhärtung können in diesem Bereich gezielt weitere
Druckeigenspannungen dargestellt bzw. vorliegende erhöht
werden. Diesen Bereichen mit Druckspannungen müssen aus
Gleichgewichtsbedingungen Zugspannungen im restlichen Bauteil gegenüberstehen.
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Vorzugsweise
erfolgt eine Erwärmung derart, dass eine Erwärmung
der Bauteile nur in einer Umgebung der Ausnehmung bzw. Rissausgangsstelle
auftritt. Auf diese Weise kann insbesondere im nachfolgenden Trennprozess
eine präzise Trennung erreicht werden.
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Bevorzugt
erfolgt die Erwärmung derart, dass nur in einem vorgegebenen
Bereich der Ausnehmung ein Anlassen des Werkstoffes auftritt. Auf diese
Weise werden Druckeigenspannungen in der Kerbe abgebaut, bzw. Zugspannungen
aufgebaut, um die Indizierung des Bruches positiv zu beeinflussen.
In den übrigen Bereichen des Werkstoffes tritt entsprechend
kein Anlassen des Materials ein. Bevorzugt tritt ein Anlassen des
Werkstoffes auf der Oberfläche des Werkstoffes im Bereich
der Ausnehmung, sowie bis in eine vorgegebene Bauteiltiefe auf.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Werkstück um eine Lagereinrichtung
wie insbesondere, aber nicht ausschließlich, einen Pleuel.
Die beiden nach der Bruchtrennung entstandenen Bauteile bilden damit
gemeinsam diese Lagereinrichtung.
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In
einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird mindestens eine charakteristische
Eigenschaft der Materialbearbeitungseinrichtung derart gesteuert,
dass die Temperatur der Bauteile die vorgegebene Temperatur nicht übersteigt.
Damit wird bevorzugt die Bauteiltemperatur derart begrenzt, dass
es – wie oben gesagt – lediglich zu einem lokalen
Anlassen des Werkstoffes kommt, so dass es sich bevorzugt bei der
vorgegebenen Temperatur um eine Anlasstemperatur des Werkstoffes
handelt. Vorzugsweise handelt es sich bei der charakteristischen
Eigenschaft der Materialbearbeitungseinrichtung um eine Eigenschaft,
die aus einer Gruppe von Eigenschaften ausgewählt ist,
welche eine Laserleistung, eine Laserintensität, eine Pulsdauer,
eine Bestrahlungsdauer, eine Wellenlänge, eine Fokussierung,
einen Bündelquerschnitt, Kombinationen hieraus und dergleichen
enthält. Durch diese Eigenschaften bzw. Kombinationen hieraus
lässt sich in besonders vorteilhafter Weise der Energieeintrag
in das betreffende Bauteil steuern.
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Vorzugsweise
wird die besagte charakteristische Eigenschaft der Materialbearbeitungseinrichtung
auch in Abhängigkeit von einer geometrischen Gestalt der
Bauteile (bzw. des Werkstücks) gesteuert. So kann es beispielsweise
möglich sein, bei entsprechend kleiner dimensionierten
Bauteilen auch die besagte Energieleistung anzupassen.
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Durch
eine günstige und insbesondere auch von der Bauteilgeometrie
abhängige Wahl der besagten Eigenschaften bzw. Parameter
können in der Ausnehmung Eigenspannungen erzeigt werden,
die sich dahingehend günstig auf den Crackprozess auswirken,
dass Crack-Kräfte verringert werden und sich eine geringe
Streuung der Crack-Flächengeometrie ergibt.
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Vorteilhaft
wird in dem Werkstück bzw. Bauteil eine durchgehende Ausnehmung
erzeugt, also nicht etwa eine Vielzahl von Sacklöchern,
wie teilweise im Stand der Technik bekannt. Besonders bevorzugt
wird genau eine derartige Ausnehmung erzeugt. Auf diese Weise kann
der Wärmeeintrag besser beeinflusst werden als mit einer
Vielzahl von voneinander getrennten Ausnehmungen.
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Vorteilhaft
erstreckt sich diese Ausnehmung über die gesamte Dicke
der Bauteile, wodurch der folgende Prozess des Bruchtrennens verbessert wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zum Bruchtrennen
von Werkstücken in Bauteile gerichtet wobei die Vorrichtung
eine Materialbearbeitungseinrichtung aufweist, welche auf die Bauteile
einwirkt, um Material der Bauteile bzw. des Werkstücks
abzutragen, um im Bereich dieses abgetragenen Materials eine als
Rissausgangsstelle dienende Ausnehmung zu erzeugen, wobei die Materialbearbeitungseinrichtung
Strahlung ausgibt, welche die Bauteile während der Bearbeitung
in einem Bereich dieser Ausnehmung erwärmt.
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Erfindungsgemäß weist
die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche die Bauteile
in dem Bereich der Ausnehmung derart erwärmt, dass eine Temperatur
der Bauteile eine vorgegebene Temperatur nicht übersteigt.
Bei der Materialbearbeitungseinrichtung handelt es sich bevorzugt
um einen Laser, wobei die durch diesen Laser auf das Werkstück
aufzubringende Strahlungsintensität steuerbar ist und insbesondere
auch eine Obergrenze für die Strahlungsintensität
festgelegt ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen, darin zeigen:
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1a eine
Veranschaulichung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens;
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1b ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Druckverhältnisse im
Stand der Technik;
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2a eine
Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2b ein
Druckverlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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3 ein
weiteres erfindungsgemäßes Verfahren.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines
Ausschnitts eines Bauteils bzw. Werkstücks 1, wie
beispielsweise eines Pleuels. Dieses Werkstück 1 weist
dabei zwei zu trennende Bauteile 2 und 4 auf. Genauer
gesagt wird das Werkstück durch ein Bruchtrennungsverfahren
in die beiden Bauteile 2, 4 getrennt.
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Das
Bezugszeichen 6 bezieht sich auf eine Ausnehmung, welche
als Rissausgangsstelle für die nachfolgende Trennung der
Bauteile dient. Dabei weist diese Ausnehmung einen Ausnehmungs-
bzw. Nutgrund 8 auf sowie einen Bereich 12, der
während des Ausbildungsprozesses der Ausnehmung 6 entsteht.
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Damit
zeigt 1 einen Querschnitt einer Bohrung
mit der besagten Ausnehmung bzw. Crack-Kerbe, wobei in dem markierten
Bereich 12 durch den Wärmeeintrag ein gehärteter
Bereich mit Druckeigenspannung, insbesondere im Bereich 8 entsteht.
Diese Aufhärtung beruht dabei auf einer Gefügeumwandlung,
wobei die Gefügestruktur des aufgehärteten Bereichs 2 tetragonal
verzerrt ist (Struktur des Matensit), und auf diese Weise einen höheren
Raumbedarf hat als der übrige Bereich 14, der
nicht gehärtet ist und ein kubisch raumzentriertes Gefüge
aufweist. Durch diese unterschiedlichen räumlichen Ausdehnungen
werden Verspannungen in dem Bauteil bewirkt, welche wiederum an
der Oberfläche der lokalen Aufhärtung zu Druckeigenspannungen
führen.
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1b zeigt
schematisch eine Druckkurve K aufgetragen über der Bauteiltiefe
t. Man erkennt, dass an der Oberfläche eine vergleichsweise
starke Druckeigenspannung σ vorliegt. Wie gesagt, stehen dieser
Druckeigenspannung entsprechende Zugeingenspannungen in höherer
Bauteiltiefe gegenüber.
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2a zeigt
eine Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Hier ist ein Bereich einer Laserkerbe nach einer erfindungsgemäßen
Behandlung zum Spannungsabbau dargestellt. Der hier mit 18 beschriebene
Bereich weist im Kerbgrund den im 2b beschriebenen
Eigenspannungsverlauf auf. In der Nähe der Oberfläche
wurde hier die durch die Laserkerbe induzierte Druckeigenspannung
nahezu abgebaut.
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Anders
als bei dem Aufhärten in 1 erfolgt
hier in dem gezeigten Bereich 18 eine Erwärmung
auf die Anlasstemperatur des Werkstoffes und bevorzugt auch eine
geregelte langsa me Abkühlung. Damit erfolgt an der Oberfläche
(der Kerbe) ein Anlassprozess. Bei diesem Anlassprozess wird Kohlenstoff
(C) ausgeschieden und dadurch verringert sich die tetragonale Verzerrung
des entstehenden Matensitgefüges. Auf diese Weise werden
die Versetzungen abgebaut und in der Folge wird eine Verringerung
der vorliegenden Druckeigenspannung erreicht, im Idealfall sogar
der Aufbau von Zugeigenspannungen. Damit wird durch das erfindungsgemäße
Verfahren ein gezieltes Anlassen des Grundwerkstoffes erreicht,
und damit werden die Druckeigenspannungen in den Ausnehmungen 6 reduziert.
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Bevorzugt
wird die Bearbeitung derart durchgeführt, dass der Querschnitt
der Ausnehmung 6 über die Bauteildicke (welche
sich hier senkrecht zu der Figurenebene erstreckt) im Wesentlichen
konstant bleibt. Auf diese Weise kann auch der Wärmeeintrag
gezielter beeinflusst werden.
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3 zeigt
eine weitere Darstellung für ein erfindungsgemäßes
Verfahren. Hier wurde eine nur teilweise wirkende Wärmebehandlung
zum Eigenspannungsabbau durchgeführt. Dabei entstehen zwei
Bereiche 12a und 12b an dem Kerbrand, welche jedoch
noch die durch die Laserkerbung induzierte Druckeigenspannung aufweisen.
Lediglich im Nut- bzw. Kerbgrund 8 wurde die Druckeigenspannung durch
das beschriebene Verfahren abgebaut, Auch bei diesem Verfahren können
die angestrebten Vorteile erreicht werden, da insbesondere der Kerbgrund 8 bzw.
das Materialgefüge im Kerbgrund entscheidend für
den nachfolgenden Trennungsprozess ist. Dies bedeutet, dass es möglich
ist, lediglich einen Bereich der Ausnehmung in der hier dargestellten Weise
zu behandeln.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarte Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht,
sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand
der Technik neu sind.
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- 1
- Werkstück
- 2,
4
- Bauteile
des Werkstücks
- 6
- Ausnehmung
- 8
- Nutgrund
der Ausnehmung 6
- 12
- Bereich
- 12a,
12b
- Bereiche
am Rand der Ausnehmung 6
- 14
- weiterer
Bereich des Werkstücks
- 18
- Bereich
der Ausnehmung
- K
- Druckkurve
- t
- Bauteiltiefe
- σ
- Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4303592
A1 [0002]
- - DE 4306280 A1 [0003]
- - DE 69003362 T2 [0004]
- - EP 1225348 A2 [0005]
- - US 5208979 [0006]
- - DE 10022884 A1 [0007]
- - DE 19752753 A1 [0008]
- - DE 4204948 C2 [0009]
- - DE 19617402 A1 [0010]