-
Verfahren und Vorrichtung zum Härten der Oberfläche von Bohrungen
in Zylinderblöcken Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine zu dessen
Durchführung geeignete Vorrichtung zum Härten der Oberfläche einer maschinell hergestellten
und nicht mehr spanabhebend zu bearbeitenden Bohrung, auch kleinen Durchmessers,
in einem spannungsfreien gußeisemen Zylinderblock.
-
Zylinderblöcke für Verbrennungsmotoren werden üblicherweise aus einer
Eisensorte hergestellt, die eine leichte Bearbeitung ermöglicht, obgleich es wesentlich
ist, daß die Flächen der Zylinderbohrung genügend verschleiß- und korrosionsfest
sind. Um diesen Anforderungen Rechnung zu tragen, ist man für stark beanspruchte
Motoren dazu übergegangen, die Zylinderblöcke aus weichem Material, d. h. leicht
zu bearbeitendem Eisen zu gießen und in diese Zylinderbuchsen aus hartem, besonders
verschleiß-und korrosionsfestem Eisen naß einzusetzen. Dies stellt zwar eine durchaus
befriedigende Lösung dar, hat aber eine wesentliche Verteuerung des Motors zur Folge.
-
Das normalerweise für Zylinderblöcke von Kraftfahrzeugen zur Verwendung
kommende Eisen hat etwa folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten:
| C (insgesamt) ........... 3,15 |
| C (gebunden) ........... 0,55 |
| Mn .................... 0,98 |
| Ni ..................... 0,09 |
| Cr ..................... 0,25 |
| S ...................... 0,10 |
| P ...................... 0,25 |
| Si ..................... 2,20 |
| Fe ..................... 92,43 |
Ein Eisen solcher Zusammensetzung läßt eine Durchschnittshärte von 200 Brinneleinheiten
erreichen, die eine leichte Bearbeitung ermöglicht. Ein Zylinderblock aus diesem
Eisen ergibt bei Feinbearbeitung der Bohrungen ohne Härtung der Bohrungsoberflächen
eine durchschnittliche Betriebszeit im Fahrzeug von etwa 65 000 km. Bei starker
Beanspruchung ist diese Zeit jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit wesentlich kürzer.
-
Es sind daher bereits Verfahren und Vorrichtungen bekanntgeworden,
um die Bohrungsoberflächen nach der spanabhebenden Bearbeitung zu härten. Eine solche
bekannte Vorrichtung sieht beispielsweise einen Hochfrequenzinduktor mit einer einzigen
Windung ohne Magnetkern vor. Der mit einer solchen Vorrichtung erzeugten Erhitzung
in der Bohrungsoberfläche folgt aber kein unmittelbar anschließendes Abschrecken
der Oberfläche, so daß die auf diese Weise ausgeführte Härtung mit größeren, unregelmäßigen
Formänderungen begleitet ist, die eine wesentliche Nachbearbeitung der derart behandelten
Zylinderbohrungen erforderlich machen.
-
Es sind weiterhin Verfahren und Vorrichtungen zum Härten von Bohrungsoberflächen
bekannt, bei welchen die Induktionsspule mit einem Magnetkern versehen ist und deshalb
mit Niederfrequenzströmen arbeiten. Wenngleich solche Vorrichtungen zum Teil mit
unmittelbar auf die Induktionsspule folgenden Kühleinrichtungen versehen sind, können
auch diese Verfahren und Vorrichtungen nicht mit Erfolg zur Lösung der gestellten
Aufgabe herangezogen werden, weil der in dem Material des Zylinderblockes induzierte
Strom niedriger Frequenz eine große Eindringtiefe in das Eisen hat und deshalb die
Erhitzung des Materials bis in verhältnismäßig große Tiefe erfolgt, so daß auch
bei diesen Verfahren und Vorrichtungen zum Härten der Bohrungsoberflächen erhebliche,
unregelmäßige Verformungen der Oberfläche eintreten, die eine Nachbearbeitung der
Zylinderbohrungen erforderlich machen.
-
Demgegenüber soll durch die Erfindung eine fortschreitende Erhitzung
und unmittelbar folgende Abschreckung
der Bohrungsoberflächen erfolgen,
bei der die für die Härtung erforderlichen Temperaturen auf eine dünne, die Bohrung
unmittelbar umgebende Eisenschicht beschränkt sind. Hierdurch treten während des
Härtungsvorganges keine nennenswerte Verformungen der Zylinderoberflächen auf, so
daß der Zylinderblock nach dem Härten der Bohrungsoberflächen keiner spanabhebenden
Bearbeitung mehr bedarf.
-
Dies wird durch die Erfindung dadurch erreicht, daß die Zylinderbohrung
mindestens im Bereich der größten Beanspruchung mittels eines bewegbaren Induktors,
der, wie an sich bekannt, eine einzige Hochfrequenzwindung mit überkreuzten Enden
aufweist und keinen Eisenkern besitzt, in an sich bekannter Weise örtlich auf Härtungstemperatur
gebracht wird, worauf die erhitzte Oberfläche mittels eines von der Heizeinheit
ausgehenden Kühlmittels fortschreitend abgeschreckt wird.
-
Die Wärmebehandlung und Kühlung kann auf den oberen Teil der Zylinderbohrung,
also auf das Gebiet der stärksten Beanspruchung, das vom Kolben durchfahren wird,
beschränkt werden, oder es kann die gesamte Oberfläche der Bohrung gehärtet werden,
obgleich die wärmetechnischen Erfordernisse im allgemeinen nur auf eine Härtung
des erstgenannten Teiles gerichtet sind.
-
Bei dem Verfahren nach der Erfindung tritt selbst bei empfindlichen
Zylinderblöcken praktisch keine Beschädigung auf. Die Härtung der Bohrungsoberflächen
kann für sämtliche Bohrungen eines Zylinderblockes in einem Arbeitsgang ausgeführt
werden, wenn eine entsprechende Anzahl von Induktoreinheiten verwendet wird.
-
Im Rahmen der Erfindung eignet sich zur Durchführung des Verfahrens
insbesondere eine Vorrichtung mit einem bewegbaren Induktor, bei der dieser einen
zylindrischen - nichtmagnetischen - Körper mit einer einzigen, auf dessen Außenseite
angeordneten Induktionswindung mit gekreuzten Enden aufweist und unterhalb der Windung
ein Kranz von Auslaßöffnungen vorgesehen ist, die über einen inneren Kanal mit Zufuhrleitungen
für ein Kühlmittel in Verbindung stehen.
-
Die Erfindung ist im folgenden durch ein Ausführungsbeispiel an Hand
der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 schematisch von der Seite einen
Aufriß einer Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt durch
die einen Teil der Vorrichtung bildende Induktoreinheit.
-
Für die Durchführung der Erfindung ist es wesentlich, daß der Zylinderblock
zunächst spannungsfrei gemacht wird, damit innere Spannungen, die zu einer Beschädigung
der Bohrung während der anschließenden Härtung führen könnten, ausgeschaltet werden.
-
Ein geeignetes Verfahren, einen Zylinderblock der oben angegebenen
Zusammensetzung spannungsfrei zu machen, besteht, zum Unterschied von dem Ausglühen,
im langsamen Erhitzen des Blockes während einer Zeit von 1 Stunde auf etwa eine
Temperatur von etwa 100° C und langsamen Abkühlen über die etwa gleiche Zeitdauer.
Die genauen Zeiten hängen dabei von dem Gewicht und der geometrischen Form des Zylinderblockes
ab.
-
Dieses Beseitigen der Spannungen erfolgt vorzugsweise, nachdem die
Oberflächen des Blockes durch Schruppen aufgebrochen sind, kann jedoch auf Wunsch
auch vor irgendeiner Bearbeitung vorgenommen werden.
-
Das Erwärmen zum Beseitigen der Spannungen kann in beliebiger Weise
erfolgen, vorzugsweise jedoch im Hinblick auf die geringe erforderliche Temperatur
durch elektrische Heizung.
-
Der Block wird dann in jeder Hinsicht fertigbearbeitet, und auch die
Bohrungen erhalten ihre endgültigen Ausmaße und Oberflächenbearbeitung, ehe das
Härteverfahren angewendet wird.
-
Gemäß Fig. 1 wird ein spannungsfreier Zylinderblock 10 mit einer bei
11 angedeuteten Bohrung neben die Vorrichtung zur Durchführung des Härteverfahrens
gestellt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 12 gezeigt ist.
-
Die Vorrichtung enthält eine Induktionsheizeinheit 13, die zum Durchgang
durch die Zylinderbohrung 11 gehoben und gesenkt werden kann, weshalb'nach dem Ausführungsbeispiel
in der Zeichnung die Einheit an einem Tragarm 24 gelagert ist, der von einem in
Führungen 26 vertikal verschiebbaren Wagen 25 herabhängt. Zum Heben und Senken des
Wagens 25 ist nach der Zeichnung an diesem eine Zahnstange 27 befestigt, die im
Eingriff mit einem Ritzel28 steht, das von einem weiteren Ritzel29 angetrieben ist.
Eine Richtungsumkehr des Ritzels 29 bewirkt daher eine entgegengesetzte Gleitbewegung
des Wagens 25. An Stelle der beschriebenen können die verschiedenartigsten anderen
Vorrichtungen für die erforderlichen senkrechten Bewegungen der Induktoreinheit
13 verwendet werden, wobei es wünschenswert ist, daß die Induktoreinheit 13 schnell
zum untersten Punkt der zu härtenden Zone der Zylinderbohrung 11 geführt werden
kann und die Bewegungsrichtung der Induktoreinheit dann umgekehrt wird, worauf die
Aufwärtsbewegung mit vorbestimmter Geschwindigkeit erfolgt. Diese Bewegungsänderungen
können dabei selbsttätig durch allgemein bekannte Vorrichtungen, z. B. unter Verwendung
nockengesteuerter Umkehrschalter für einen elektrischen Antriebsmotor oder mehrere
Motoren, erfolgen.
-
Gemäß Fig. 2 umfaßt die Induktoreinheit 13 einen zylindrischen Körper
14 mit einem um ihn herumgeführten Induktorring 15, dessen verlängerte Enden 16,
17 an Stromzuführleitungen 18, 19 angeschlossen sind, die durch eine dünne Schicht
von Isoliermaterial, wie Glimmer, voneinander getrennt sind. Der Induktorring 15
und die Verlängerungen 16, 17 seiner Enden sind röhrenförmig und werden während
des Arbeitsvorganges von Kühlwasser durchflossen.
-
Unmittelbar unterhalb des Induktorringes 15 ist in dem zylindrischen
Körper 1.4 ein ringförmiger Kühlkanal 20 vorgesehen, der von Zuflußröhren 21 für
das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, gespeist wird. Ein Kranz von Auslaßöffnungen
22 verbindet den Kanal 20 mit der Außenseite des Körpers 14 der Induktoreinheit,
wobei diese Öffnungen unmittelbar unterhalb des Induktorringes 15 liegen.
-
Das Härten nach der Erfindung wird in der Weise vorgenommen, daß zunächst
die Induktoreinheit 13 schnell bis zum tiefsten Punkt der zu härtenden Zone der
Bohrung 11 heruntergeführt wird, daß dann eine Bewegungsumkehr erfolgt und die Induktoreinheit
13 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit sich nach oben bewegt. Gleichzeitig wird
die Stromzufuhr zum Hochfrequenzring 15 eingeschaltet, und die Kühlmittelzufuhr
zu dem Kanal 20 und den Auslaßöffnungen 22 beginnt.
Während der
Aufwärtsbewegung der Induktoreinheit 13 wird die Bohrungsfläche fortschreitend durch
die örtliche Wärmewirkung des sich bewegenden Induktorringes 15 auf die Härtungstemperatur
erwärmt und die erwärmte Oberfläche fortschreitend mittels des aus den Öffnungen
22 radial austretenden Kühlmittels wieder gekühlt.
-
Dies geht so lange vor sich, bis das obere Ende der zu härtenden Zone
der Bohrung 11 erreicht ist, worauf die Bewegungsgeschwindigkeit der Einheit 13
gesteigert und der elektrische Strom sowie die Kühlmittelzufuhr abgeschaltet werden.
Die Induktoreinheit 13 kehrt dann in ihre Ausgangslage zurück und ist für eine neue
Härtung einsatzbereit.
-
Während des oben beschriebenen Vorganges wird der Block 10 dadurch
gekühlt, daß gekühltes Wasser durch den üblichen Kühlmantel fließt, wobei einige
Öffnungen des Mantels im Block verstopft und andere an Wasserleitungen 23 angeschlossen
sind. Wie sich gezeigt hat, ergibt die Verwendung eines Induktorringes mit überkreuzten
Endteilen nach der britischen Patentschrift 618 207 für die Induktoreinheit 13 eine
befriedigend gleichmäßige Härtung bei minimaler Beschädigung und bei geringstem
Aufwand an Zeit und elektrischem Strom.
-
Es hat sich gezeigt, daß nach Beendigung der Härtung die gehärtete
Oberfläche der Bohrung 11 um 0,0058 bis 0,0076 cm dünner geworden ist, so daß dieser
Teil der Bohrung einen etwas geringeren Durchmesser hat. Die Bohrung wird daher
einem nachträglichen Hohnen unterworfen, wodurch die gehärtete Zone auf den mittleren
Durchmesser der Bohrung gebracht wird.
-
Natürlich wäre es auch möglich, die Bohrung zunächst mit einem um
0,0058 bis 0,0076 cm größeren Durchmesser auszubilden, so daß die Bohrung dann durch
den Härtungsvorgang die endgültigen Ausmaße erhält.
-
Die Verwendung einer fortschreitenden Erhitzung ermöglicht es, die
für die Härtung erforderlichen Temperaturen auf eine dünne, die Bohrung unmittelbar
umgebende Eisenschicht zu beschränken, wobei die radiale Ausdehnung der starken
Erhitzung oder das Eindringen von der verwendeten Frequenz abhängt und bestimmt
ist.
-
Die Wärmebehandlung und Kühlung kann auf den oberen Teil der Zylinderbohrung,
also das Gebiet der stärksten Beanspruchung, das vom Kolben durchfahren wird, beschränkt
werden, oder es kann die gesamte Oberfläche der Bohrung gehärtet werden, obgleich
die wärmetechnischen Erfordernisse im allgemeinen nur auf eine Härtung des erstgenannten
Teiles gerichtet sind.
-
Bei dem oben beschriebenen Verfahren tritt selbst bei empfindlichen
Zylinderblöcken praktisch keine Beschädigung auf.
-
Selbstverständlich kann für denselben Zylinderblock gleichzeitig eine
größere Anzahl von Induktoreinheiten verwendet und dadurch die Dauer des Härteverfahrens
entsprechend verkürzt werden.