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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle von bruchgetrennten
Bauteilen hinsichtlich der Qualität der Bruchflächen.
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Die
Erfindung betrifft alle diejenigen Bauteile, welche durch Bruchtrennen
(auch bezeichnet als "Cracken" oder "Gewaltbruch") in mindestens zwei Teile
getrennt werden, die anschließend
wieder miteinander verbunden werden sollen: Derartige Bauteile sind
beispielsweise Pleuel von Verbrennungsmotoren, gegossene Gehäuseteile
oder Ähnliches.
Die in der Regel mittels Gießverfahren
hergestellten Bauteile werden hierbei einem Gewaltbruch ausgesetzt, der
durch Sollbruchstellen an vorbestimmten Stellen zu einer Trennung
der Bauteile führt.
Dabei entstehen zerklüftete
Bruchflächen
an den Trennstellen, welche den Vorteil aufweisen, dass ein passgenaues Wiederzusammenfügen der
Teile ermöglicht
wird, ohne aufwendige Bearbeitung an der Trennstelle. Charakteristisch
für bruchgetrennte
Bauteile ist außerdem,
dass lediglich die jeweils zueinander gehörenden Teile wieder zusammengefügt werden
können
aufgrund der spezifisch geformten Zerklüftungen an den Bruchflächen.
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Eine
Schwierigkeit bei dem Verfahren mittels Bruchtrennen besteht jedoch
darin, dass die Qualität der
Trennung und der entstandenen Bruchflächen schwierig zu überprüfen ist
und beispielsweise aufgrund von beim Trennen herausfallenden Ma terialpartikeln
die Flächen
beschädigt
werden können,
sodass kein genaues Ineinandergreifen der Bruchflächen möglich ist.
Wenn die ineinandergreifenden Bruchflächen nicht flächig aneinander
anliegen aufgrund solcher Materialpartikel oder aufgrund von geometrischen
Fehlern, entstehen einzelne Punktberührungen beim anschließenden Fügen der
Teile aufgrund erhöhter
Stellen. Diese Erhöhungen
werden dann beim Fügen
durch beispielsweise Verschraubungen oder dergleichen durch plastische
Verformung abgebaut, sodass die für die Verschraubung erforderlichen
Spannkräfte
nicht ausreichend gegeben sind. Insbesondere beim Pleuel eines Verbrennungsmotors,
welcher zwischen den Kolben und der Kurbelwelle zum Umwandeln der
hin- und hergehenden Bewegung in eine Drehbewegung eingesetzt werden,
ist es erforderlich, dass die Pleuel eine hohe Belastung hinsichtlich
Zug-, Druck- und Biegebeanspruchung aushalten können. Die Pleuel weisen dabei
mindestens kurbelwellenseitig geteilte Lagerschalen auf, die regelmäßig durch
Bruchtrennen hergestellt werden. Das Deckelteil wird nach dem Einsetzen
der Lager durch Verschraubungen anschließend wieder mit dem Restteil
des Pleuels bzw. dem Schaft verbunden. Die Fügestelle und die Verschraubung
müssen
hohen Beanspruchungen standhalten.
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Zur
Verbesserung und Optimierung der Fügeverbindung von solchen bruchgetrennten
Bauteilen sind aufwendige Vorrichtungen und Verfahren entwickelt
worden: Aus der deutschen Patentschrift
DE 199 50 140 C2 sind ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Bauteilen nach
Bruchtrennen bekannt, wobei mindestens ein Teil des bruchgetrennten
Körpers
einer Vibrationsbehandlung ausgesetzt wird. Die verbleibenden Materialpartikel
an den Bruchflächen
werden durch die anschließende
Vibrationsbehandlung herausgelöst,
um die Fügequalität zu gewährleisten.
Auch aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 61 817 A1 ist eine Vorrichtung
zum Fügen
von bruchgetrennten Bauteilen mit einer Vibrations- bzw. Schwingungsbehandlung
bekannt, wobei hier nicht beim Trennen, sondern beim Verschrauben
das Bauteil mit einer Schwingung beaufschlagt wird, wobei hierdurch
das Setzverhalten der Flächen
ineinander verbessert werden soll. Die Kontrolle der Fügequalität kann auch bei
diesem Verfahren nur über
eine herkömmliche
Inaugenscheinnahme des geometrischen Versatzes von miteinander gefügten Teilen
erfolgen. Das Optische Überprüfen des
Versatzes zwischen den Teilen ist ungenau und kann nicht automatisiert
werden.
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Ferner
ist aus der
DE 100
02 614 A1 ein Verfahren bekannt zum Überprüfen einer Fügeverbindung, bei der die zusammengefügten Teile
mit einer Prüfkraft
beaufschlagt werden, die geringfügig
kleiner ist als die zum Zusammenfügen der Teile benötigte Kraft.
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Die
vorliegende Erfindung hat demgegenüber zur Aufgabe, ein Verfahren
zur Kontrolle und Überprüfung von
bruchgetrennten Bauteilen hinsichtlich ihrer Fügequalität bzw. der Qualität der Bruchflächen bereitzustellen,
welches eine wirksame und auch in der Serienfertigung maschinell
umsetzbare Qualitätskontrolle
von bruchgetrennten Trennstellen erlaubt. Das Verfahren soll zudem
einen erhöhten Ausschuss
und frühzeitigen
Ausfall von gefügten
und bruchgetrennten Bauteilen sicher verhindern.
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Diese
Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Schritten
gemäß Anspruch 1
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand
der abhängigen
Ansprüche.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zur Qualitätskontrolle
von bruchgetrennten Bauteilen hinsichtlich ihrer Bruchflächen zwischen
mindestens einem abgetrennten Deckelteil und einem Restteil des
Bauteils vorgeschlagen, wobei nach dem Bruchtrennen das Deckelteil
auf sein entsprechendes Restteil wieder aufgesetzt wird, und vor
dem endgültigen Fügen bzw.
Verbinden mit dem Restteil mittels Schrauben oder ähnlichen
Verbindungsmitteln wird die Bruchfläche auf ihre Fügequalität hin mittels
eines Überprüfens einer
Selbsthaftung der ineinandergreifenden Bruchflächen der getrennten Teile überprüft. Die
Qualitätskontrolle
der Trennstelle des Bauteils mittels Überprüfung einer Selbsthaftung zwischen den
zerklüfteten
Bruchflächen
der einzelnen Teile hat sich überraschenderweise
als ein sehr zuverlässiges Kriterium
für die
Qualität
der Fü gestelle
bei bruchgetrennten Bauteilen herausgestellt. Während die bisherigen Verfahren
zur Überprüfung auf
eine optische Kontrolle eines Versatzes zwischen den wieder zusammengesetzten
Teilen beruhten und damit schlecht quantifizierbar und noch schlechter
automatisierbar war, ergaben Untersuchungen, dass die Selbsthaftung
ein sehr genaues Kriterium für
die Qualität
von Bruchstellen liefert. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass
bei gut getrennten Teilen die zerklüfteten Bruchflächen sehr
genau und flächig
derart aneinander anliegen, dass ein Auseinanderziehen der lediglich
zusammengesetzten Teile sehr viel leichter und mit geringeren Kräften möglich ist
bei fehlerhaften oder beschädigten
Bruchflächen.
Wenn die Qualität
und damit die Genauigkeit der auseinandergebrochenen Flächen der
Teile jedoch sehr gut ist, sind erstaunlicherweise die erforderlichen
Kräfte zum
Auseinanderbringen der nur zusammengesetzten Teile demgegenüber stark
erhöht.
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Die
Stärke
einer Selbsthaftung und der daraus resultierenden Kräfte ist
somit ein sehr genaues Kriterium für die Qualität eines
Gewaltbruchs. Außerdem
ist eine Überprüfung einer
Selbsthaftung von aneinandergefügten
Teilen leicht durch entsprechende Einrichtungen und Werkstückhalterungen
automatisierbar und daher gut geeignet, auch in einer Serienfertigung
bei größeren Stückzahlen
eingesetzt zu werden. Das erfindungsgemäße Kontrollverfahren ermöglicht ein
leichtes und schnelles Feststellen nicht nur von geometrischen Fehlern
in den Bruchflächen,
die zu einer Beschädigung
und einem Ausfall der Bauteile führen
können,
sondern es ist auch möglich,
Fehler aufgrund von Verschmutzungen oder herausgebrochenen Teilchen
hiermit festzustellen. In beiden Fällen sind die Selbsthaftung
und damit die aus ihr resultierenden Adhäsionskräfte stark verringert gegenüber den
Adhäsionskräften bei
korrekt und ohne Fehler getrennten Bruchflächen.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Überprüfung der
Selbsthaftung von ineinandergreifenden Bruch flächen durch Messen von Adhäsionskräften zwischen
den zueinander gehörenden
Bruchflächen
der getrennten Teile ermittelt im Hinblick auf einen vorgegebenen
Grenzwert für
eine ausreichende Qualität
der Bruchtrennung und ein versatzloses Ineinandergreifen der zerklüfteten Bruchflächen. Jeweils
zueinander gehörende
Teile werden wieder aufeinandergesetzt, und es wird die Kraft gemessen,
welche erforderlich ist, um die aneinanderliegenden Teile wieder
auseinanderzubringen. Die Kraftmessung erfolgt dabei entweder nach
einem einfachen Wiederaufsetzen der Teile oder nach einem erstmaligen
festen Zusammenfügen
durch Schrauben oder Ähnlichem
und deren anschließendem
Lösen.
Die Kraftmessung von Adhäsionskräften zwischen
bruchgetrennten Bauteilen ist ein sehr gutes Maß für die Qualität der Bruchflächen und
damit für
die Qualität
der Fügestelle
insgesamt. Ein anschließendes
Zusammenfügen
und festes Verbinden der Teile miteinander wird somit nicht durch
mangelhafte Oberflächenstrukturen
oder herausgelöste
Teilchen beeinträchtigt,
und das Bauteil kann ohne Beschädigung
hohen Belastungen ausgesetzt werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein
Deckelteil des bruchgetrennten Bauteils mit einer Zug- oder Druckkraft
radial bezüglich
eines kreisförmigen
Lagerteils beaufschlagt. Die Überprüfung der
Qualität
der Bruchstelle kann hierdurch mit relativ geringem Kraftaufwand
erfolgen. Das kreisförmige
Lagerteil ist in ein Restteil und ein Deckelteil an diametral gegenüberliegenden Stellen
quer durchtrennt. Die Kraftbeaufschlagung des Deckelteils erfolgt
in einer rechtwinkligen Richtung zu einer Ebene, die die Bruchstellen
an dem Lagerteil enthält.
Beispielsweise kann ein Zugmittel von außen an dem Deckelteil befestigt
werden und unter Zwischenschaltung einer Kraftmesseinrichtung die tatsächlich vorliegende
Adhäsionskraft
und damit die Stärke
der Selbsthaftung gemessen werden. Alternativ hierzu wird gemäß der vorliegenden
Erfindung das Deckelteil axial mit einer Zug- oder Druckkraft beaufschlagt
bezüglich
des kreisförmigen
Lagerteils. Das heißt,
dass eine Zug- oder Druckkraft in ei ner Querrichtung in der Ebene
der Bruchstellen aufgebracht wird. Bei der axialen Beaufschlagung
mit einer Zug- oder Druckkraft ist es möglich, eine Kontrolle von fehlerhaften
Werkstücken
bei größeren Kräften durchzuführen und
effektiv festzustellen, in welchem Bereich und damit in welcher
Größenordnung
ein Fehler tatsächlich
gegeben ist oder nicht. Die Qualität der Bruchflächen kann
so für
jedes Werkstück
quantifiziert werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Überprüfen der
Selbsthaftung zwischen den bruchgetrennten Flächen der Teile des Bauteils
eine Zug- oder Druckeinrichtung mit einem darin integrierten Kraftaufnehmer
verwendet. Das Verfahren kann so mit einer möglichst kompakten Einrichtung
und ohne größere Störung im Prozessablauf
durchgeführt
werden. Die Qualitätsüberprüfung erfordert
keine aufwendigen, großen
Maschinen und Anlagenteile. Die integrierte Ausbildung des Kraftaufnehmers
einerseits und der Zug- oder Druckeinrichtung kann beispielsweise
auch so kompakt ausgebildet sein, dass sie ins Innere eines kreisförmigen Lagers
eines Pleuels oder eines anderen bruchgetrennten Bauteils einsetzbar
ist und mit entsprechenden Steuerleitungen und Anzeigevorrichtungen
zum Aufbringen der Kraft und zum Messen und Anzeigen der jeweiligen
Adhäsionskräfte verbunden
sein kann.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
die Zug- oder Druckkräfte, die
an das abgetrennte Deckelteil und/oder das Restteil des bruchgetrennten
Bauteils angelegt und gemessen werden, kontinuierlich erhöht bis auf
einen voreingestellten Grenzwert der Adhäsionskräfte, welcher einem korrekt
getrennten Bauteil ohne geometrischen Versatz oder eine Beschädigung zwischen den
Bruchflächen
entspricht. Mit kontinuierlichem Erhöhen ist ein nicht abruptes,
langsames Ansteigen der angelegten Kräfte vorliegend gemeint, im
Gegensatz zu einem abrupten und schnellen Auseinanderpressen, wie
es bei herkömmlichen,
heutigen Trennverfahren – ohne
Qua litätsüberprüfung – der Fall
ist. Durch den kontinuierlichen Anstieg der angelegten Kräfte bis
auf einen voreingestellten Grenzwert wird vermieden, dass andere
Einflüsse
als die der angelegten Kräfte
beim Trennen der Teile eine Rolle spielen. Somit kann die "reine" Adhäsionskraft
und -wirkung quantitativ erfasst und überprüft werden. Der voreingestellte
Grenzwert kann je nach Bedarf und Einsatzgebiet des bruchgetrennten
Bauteils höher oder
niedriger gewählt
werden. Vorzugsweise wird der voreingestellte Grenzwert über eine
Reihe von Versuchen mit beschädigten
und mit korrekt getrennten Bauteilen statistisch ermittelt werden.
Nach Messungen und Untersuchungen konnte überraschenderweise festgestellt
werden, dass sich die Adhäsionskräfte von
korrekten und nicht korrekten, bruchgetrennten Teilen in einer Größenordnung
von mehr als 100% unterscheiden, sodass eine klare Trennung und
ein ausreichender Variationsbereich für den Grenzwert vorhanden ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine
hydraulisch betätigte Druckeinrichtung
verwendet, welche zwischen das Deckelteil und das Restteil des bruchgetrennten
Bauteils einsetzbar ist und einen Kraftsensor aufweist. Die Erfassungsrichtung
des Sensors und die Druckbeaufschlagung mittels eines Hydraulikdrucks
erfolgt in einer Richtung quer zu der Ebene, die die Bruchflächen und
Trennungsstellen enthält.
Die hydraulisch kontrollierte Qualität kann auch bei sehr hohen Druckkräften durchgeführt werden,
wobei keine raumeinnehmenden und komplizierten Werkstückhalterungen
für die
automatisierte und quantifizierte Qualitätskontrolle der Bruchstellen
hier erforderlich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit äußerst genau
und ermöglicht
auch eine prozessgesteuerte und -begleitende Qualitätsüberwachung
von bruchgetrennten Teilen innerhalb einer Fertigungsstraße.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung zu entnehmen, in welcher die Erfindung mehr im Detail in
Bezug auf das in der beige fügten
Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel
beschrieben wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Kontrolle der Qualität
von bruchgetrennten Bauteilen hinsichtlich ihrer Bruchflächen findet
auf alle Bauteile Anwendung, die über einen Gewaltbruch getrennt und
anschließend
wieder miteinander gefügt
werden. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren
für die
Herstellung von Pleueln 10 von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge
oder Schiffe oder dergleichen. Die durch Gießverfahren hergestellten Pleuel
weisen herkömmlich
ein Schaftteil 9 und an ihren Enden Lager 6 auf,
die für
eine Montage und ein Einsetzen von Lagerschalen an vorbestimmten
Stellen über
einen Gewaltbruch getrennt werden und anschließend über Verschraubungen 7, 8 nach Einsetzen
der Kurbelwelle zum Beispiel wieder verbunden werden. Die Bruchtrennung
des Deckelteils 1 von dem Restteil 2 des Pleuels 10 erfolgt
dabei über jedes,
dem Fachmann hierzu bekannte Verfahren und kann beispielsweise auch
das Vorsehen von durch Kerben veranlasste Sollbruchstellen beinhalten.
Nach dem Trennen des Deckelteils 1 von dem Restteil 2 entstehen
an den Trennstellen jeweils gebirgeartige oder reliefartige, undefinierte
Bruchflächen 3, 4,
die bei jedem Werkstück
und Bauteil spezifisch sind, sodass nur die entsprechenden Teile
ein und desselben Bauteils wieder ineinanderpassen.
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Zur Überprüfung der
Qualität
der Bruchstellen 7, 8 von solchen bruchgetrennten
Werkstücken wurde
herkömmlicherweise
eine optische Überprüfung eines
geometrischen Versatzes durchgeführt, das
heißt,
die Teile 1, 2 wurden wieder zusammengesetzt,
und es wurde optisch überprüft, ob sich
ein Spalt oder ein seitlicher Versatz zwischen den Teilen ergibt
oder nicht. In letzterem Fall wurde eine hinreichend gute Qualität der Bruchstelle
festgestellt und das Bauteil als in Ordnung bewertet. Diese optische Kontrolle
der Qualität
ist jedoch zeitaufwendig und unzuverlässig, da in bestimmten Fällen, beispielsweise
bei zurückbleibenden
Partikeln oder leichten Verformungen an den Bruchflächen, diese
mit dem Auge nicht erkennbar sind und ein Teil für in Ordnung erachtet wird,
welches tatsächlich
keine hinreichende Bruchqualität
aufweist. Bei solchen Fällen
liegen die zerklüfteten
Bruchflächen
nicht vollständig
flächig
aneinander an, und es kommt beim anschließenden Fügen beispielsweise über Spannschrauben
zu Verformungen und einem Abbau von Spannkräften, die für die eigentliche Montage des
Deckelteils 1 erforderlich sind. Letztendlich führt eine
nicht erkannte, mangelhafte Bruchstelle über kurz oder lang zu einem Beschädigen oder
Lösen der
hochbeanspruchten Verbindung zwischen den Teilen 1, 2 und
bei einem Verbrennungsmotor zu dem vollständigen Ausfall des kompletten
Aggregats.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht das Überprüfen der
Qualität
der Bruchstelle zwischen dem Deckelteil 1 und dem Restteil 2 des
Pleuels 10 nicht mehr in der bisher verwendeten optischen Überprüfung eines
geometrischen Versatzes, sondern indirekt in einer quantitativen
Messung der Selbsthaftung zwischen den Teilen 1, 2 nach
dem Bruchtrennen und vor ihrem letztendlichen Fügen. Mit Selbsthaftung ist
vorliegend der Effekt einer erhöhten
Adhäsion
zwischen den Teilen zu verstehen, der aufgrund der zerklüfteten und
flächig über eine größere Fläche aneinanderliegenden
Oberflächen der
Bruchflächen
entsteht. Nach dem erstmaligen Bruchtrennen des Deckelteils 1 von
dem Restteil 2 kann dieses zunächst einmal wieder zusammengesetzt
und über
Schrauben 7, 8 verbunden werden. Anschließend werden
die Schrauben 7, 8 wieder gelöst, und die erfindungsgemäße Überprüfung der Selbsthaftung
zwischen den Bruchflächen 3, 4 wird durchgeführt: Eine
Druckeinrichtung 15, welche außen eine kreisförmige und
auf eine Lageröffnung 6 angepasste
Form aufweist, wird in die Lageröffnung 6 zwischen
das Deckelteil 1 und das Restteil 2 eingesetzt
mit der axialen Ausrichtung rechtwinklig zu der Ebene, welche die
Bruchflächen 3, 4 enthält. Anstatt einer
Druckeinrichtung 15 kann auch eine von außen angreifende
Zugeinrichtung zur Beanspruchung des Deckelteils 1 im Verhältnis zum Restteil 2 zum
Auseinanderziehen in einer Richtung quer zu den Bruchflächen 3, 4 angewendet
werden. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Druckeinrichtung 15 ein
hydraulisch betätigter
Kolben 11, der in einem Zylinder 12 dicht und
mittels einer Druckspiralfeder 13 vorbelastet eingesetzt
ist. Mittels eines Hydraulikfluids 14 von der Unterseite
des Kolbens 11 kann eine Kraft dem Kolben auferlegt werden,
die vorzugsweise kontinuierlich ansteigend geregelt ist. Der Kolben 11 weist
an seiner Oberseite einen Kraftsensor 5 in Form einer Kraftmessdose
auf. Der Kraftsensor 5 kommt in Anlage an der Innenfläche des
Deckelteils 1, und bei zunehmender Kraft, die kontinuierlich
und fortlaufend durch den Sensor 5 gemessen wird, wird
die für
das Auseinanderdrücken der
Teile 1, 2 erforderliche Kraft gemessen. Bei richtig bruchgetrennten
Teilen ohne eine Beschädigung
der Bruchflächen 3, 4 ist
die erforderliche Trennkraft wesentlich höher und beispielsweise im Bereich
von mehr als 1.000 N bei für
Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren verwendete Pleuel 10,
wohingegen bei einer beschädigten
Bruchfläche 3, 4 oder
einer schlechten Bruchstelle die hierfür erforderliche Kraft im Bereich
von lediglich 200 N bis 300 N liegt. Die voreingestellte Schwelle
bzw. der Grenzwert für
Produkte, die mit "in
Ordnung" bewertet
werden, kann in diesem Fall beispielsweise auf 1.000 N gesetzt werden.
Pleuel, die bis zu 1.000 N beim Überprüfen der Selbsthaftung
aufweisen, können
mit großer
Zuverlässigkeit
und Sicherheit als gute Werkstücke
beurteilt werden, bei denen ein geometrischer Versatz zwischen den
Bruchflächen 3, 4 der
Trennstelle nicht gegeben ist.
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Die
so als gut befundenen Pleuel 10 können sicher und langfristig
ihre Funktion auch bei hohen Zug-, Druck- und Torsionsbeanspruchungen
in einem Verbrennungsmotor erfüllen.
Die Stärke
der Selbsthaftungskräfte
zwischen den Bruchflächen 3, 4 ist
ein sehr gutes und leicht überprüfbares und
auch quantifizierbares Kriterium zur Kontrolle der Qualität von bruchgetrennten
Teilen. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Pleuel 10 im
Innern mit einer radialen Druckkraft beaufschlagt. Alternativ kann
das Deckelteil 1 oder das Restteil 2 jedoch auch
von außen
mit einer axialen oder radialen Kraft beaufschlagt werden oder seitlich,
das heißt quer
zur Lageröffnung
und in einer Ebene, in welcher die Bruchflächen 3, 4 liegen,
mit einer Druck- oder Zugbeanspruchung und entsprechenden Kraftsensoren 5 überprüft werden.
Die erfindungsgemäße Kontrolle
von bruchgetrennten Bauteilen beschränkt sich nicht auf die Überprüfung von
Pleueln 10 für
Kraftfahrzeug-Motoren, sondern wendet sich auf alle möglichen
Arten von bruchgetrennten Bauteilen gleichermaßen an.