DE19848033C1 - Apparatus for hardening boundary layers of workpieces - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Randstückhärtung von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for edge hardening of Workpieces according to the preamble of claim 1.
Die Randschichthärtung von Stahl wird beispielsweise durch Er wärmung mit anschließender Abkühlung durchgeführt. Bekannte Ver fahren zur Randschichthärtung von Werkstücken bringen die not wendige Prozeßwärme durch elektromagnetische Induktion oder durch Lasereinstrahlung in die zu härtende Randschicht ein. Wäh rend der Erwärmung des Material verzieht sich dieses häufig, so daß anschließend eine Nachbearbeitung am gehärteten Werkstück zur Wiederherstellung der Maßhaltigkeit erforderlich ist.The surface hardening of steel is, for example, by Er heating followed by cooling. Known Ver Driving to the surface layer hardening of workpieces brings the need Agile process heat through electromagnetic induction or by laser radiation into the surface layer to be hardened. Wuh When the material is heated, it often warps, so that then post-processing on the hardened workpiece is necessary to restore dimensional accuracy.
Weiterhin ist bei diesen Herstelllungsverfahren das Umspannen des Werkstücks zwischen der Weichbearbeitung und der Hartbear beitung nach dem Härten notwendig, wodurch sich wiederum Fehler in der Maßhaltigkeit ergeben können.Furthermore, this manufacturing process involves reclamping of the workpiece between the soft machining and the hardbear processing necessary after hardening, which in turn leads to errors can result in dimensional accuracy.
Aus der DE-Patentschrift 8 80 446 ist bereits bekannt, zum Härten der Oberfläche von Werkstücken die beim Schleifen mit Schleif scheiben erzeugte Reibungswärme auszunutzen.From DE patent 8 80 446 is already known for hardening the surface of workpieces when grinding with grinding to use the frictional heat generated.
In dem Aufsatz in HTM 49 (1994) 5, Seite 327 bis 330, wird eben falls ein Verfahren zum Härten von Werkstücken beschrieben, bei dem die durch die Schleifscheibe erzeugte Reibungswärme zum Här ten genutzt wird. Dieses als "Schleifhärten" bezeichnete Här tungsverfahren erfolgt zweistufig, wobei zunächst in einem sog. Schruppvorgang die Phasenumwandlung induziert und in einem nachgeschalteten Schlichtprozeß die erforderliche Form- und Oberflächengüten des Werkstücks eingestellt wird.In the essay in HTM 49 (1994) 5, pages 327 to 330, is just if a method for hardening workpieces is described in which the frictional heat generated by the grinding wheel to harden ten is used. This hardness, known as "grinding hardness" processing takes place in two stages, whereby initially in a so-called Roughing induced the phase transition and in one downstream finishing process the required shape and Surface quality of the workpiece is set.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Schleifhärten zu schaffen, mit der die Fehlerquellen bezüglich der Maßhaltigkeit reduziert werden.The invention has for its object a device for To create grinding hardness with which to identify the sources of error the dimensional accuracy can be reduced.
Diese Aufgabe wird ausgehend von den Verfahren zur Randschich tenhärtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnen den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is based on the procedures for edge layering characterize the hardening of the type mentioned in the introduction solved the features of claim 1.
Weiterhin ist es mit Hilfe der Erfindung möglich, die Weichbear beitung sowie die Hart- bzw. Fertigbearbeitung durchzuführen, ohne daß die Einspannung des Werkstücks geändert wird. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, daß die Weichbearbeitung und die Fertigbearbeitung auf der gleichen Maschine vorgenommen oder beispielsweise das Werkstück mitsamt dem Spannfutter zwischen zwei Maschinen gewechselt wird.Furthermore, it is possible with the aid of the invention to use the soft bear processing as well as hard or finish machining, without changing the clamping of the workpiece. This can be accomplished in that the soft machining and Finishing done on the same machine or for example, the workpiece together with the chuck between two machines are changed.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, kein selbst schärfendes Schleifwerkzeug zu verwenden. Hierdurch wird die bei der Bearbeitung entstehende Wärme erhöht, da der Anteil an Rei bungswärme erhöht wird.An advantageous embodiment consists of no self to use sharpening grinding tools. This will make the the heat generated during processing increases because the proportion of Rei exercise heat is increased.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zudem darauf geachtet, das Schleifwerkzeug mit möglichst geringer Wär meleitfähigkeit auszubilden. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit der Schleifscheibe vermindert den Wärmeabfluß über die Schleifschei be und sorgt somit für eine höhere Temperatur am Bearbeitungs ort. In einer besonderen Weiterbildung dieser Maßnahme wird eine kunstharzgebundes Schleifscheibe verwendet. In an advantageous development of the invention made sure that the grinding tool with the lowest possible heat training conductivity. A low thermal conductivity of the Grinding wheel reduces the heat flow through the grinding wheel be and thus ensures a higher processing temperature place. In a special development of this measure, a Resin bonded grinding wheel used.
Vorteilhafterweise wird kein Kühlschmiermittel eingesetzt, wie dies üblicherweise bei der spanenden Metallverarbeitung der Fall ist, wodurch ein Wärmeabfluß durch das Kühlschmiermittel unter bunden wird.No cooling lubricant is advantageously used, such as this is usually the case with metal cutting is, whereby a heat drain through the cooling lubricant under is bound.
Der Härtungsvorgang kann dabei weiter verbessert werden, indem darauf geachtet wird, die entstehende Wärme in einen lokal eng eingeschränkten Bereich einzubringen. Die Wärme wird gewisserma ßen unmittelbar in die härtende Randschichtzone fokussiert. Die se Voraussetzungen können beispielsweise dadurch angestrebt wer den, daß die Bewegung des Werkstücks in Relation zur Schleif scheibe möglichst gering gehalten wird. Bevorzugt wird die Um fangsgeschwindigkeit des Werkstücks kleiner 0,15 m/min gewählt.The hardening process can be further improved by Care is taken to keep the heat generated in a local tight restricted area. The heat becomes, so to speak focused directly into the hardening boundary layer zone. The For example, those who want to do so can strive for this that the movement of the workpiece in relation to the grinding disc is kept as low as possible. The order is preferred initial speed of the workpiece selected less than 0.15 m / min.
Weiterhin läßt sich dieser Effekt durch eine vergleichsweise niedrige Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe erhöhen. Es hat sich gezeigt, daß hierdurch ebenfalls eine erhöhte Wärmemen ge im unmittelbaren Bearbeitungsbereich auftritt. Möglicherweise ist dies auf eine Reduzierung der Wärmeabfuhr durch die Schleif scheibe oder aber auch auf eine Erhöhung der Spantiefe während des Schleifvorgangs zurückzuführen. Bewährt haben sich die Um fangsgeschwindigkeiten der Schleifscheibe, die kleiner als 60 m/s sind.Furthermore, this effect can be compared Increase the low peripheral speed of the grinding wheel. It has been shown that this also increases heat ge occurs in the immediate processing area. Possibly this is due to a reduction in heat dissipation through the grinding disc or also to increase the depth of cut during attributed to the grinding process. The um have proven themselves initial speeds of the grinding wheel that are less than Are 60 m / s.
Die Einhärtungstiefe hängt von der Zustelltiefe der Schleif scheibe ab, die der Tiefe des Materialabtrags entspricht. Um die für die Randschichthärtung gewünschten Ergebnisse zu erzielen, hat sich eine Zustellung von kleiner als 1 mm, beispielsweise 0,5 mm bewährt. Die Zustellgeschwindigkeit, d. h. die Geschwin digkeit, mit der sich die Schleifscheibe auf den zu bearbeiten den Enddurchmesser bewegt, wird hierbei möglichst hoch, bevor zugt größer als 12 mm/min eingestellt. The hardening depth depends on the infeed depth of the grinding disc that corresponds to the depth of material removal. To the achieve desired results for surface hardening, has an infeed of less than 1 mm, for example Proven 0.5 mm. The delivery speed, i. H. the speed with which the grinding wheel can be processed the final diameter is moved as high as possible before trains set greater than 12 mm / min.
Dies hat insbesondere beim sogenannten Tiefschleifen, d. h. bei einem Schleifvorgang, in dem mit einem einmaligen Abtrag über die Zustelltiefe der Schleifscheibe alles gewünschte Material entfernt wird, den Vorteil, daß die hierbei entstehende Überlap pungszone kleiner ist.This has particularly in so-called deep grinding, i.e. H. at a grinding process in which with a single removal over the infeed depth of the grinding wheel all the desired material is removed, the advantage that the resulting overlap zone is smaller.
Die Schleifscheibe wird hierbei in einer bestimmten Winkelposi tion auf das Werkstück aufgebracht und nach einer Drehung des Werkstücks um im wesentlichen 360° wieder abgehoben. Die genann te Überlappungszone bildet sich in dem Bereich, in dem die Schleifscheibe auf das Werkstück aufgebracht bzw. von diesem ab gezogen wird. Es hat sich gezeigt, daß diese Überlappungszonen keine Schwachstelle der gehärteten Schicht darstellen.The grinding wheel is in a certain angular position tion applied to the workpiece and after a rotation of the Workpiece lifted off again essentially by 360 °. The called te overlap zone is formed in the area in which the Grinding wheel applied to or from the workpiece is pulled. It has been shown that these overlap zones do not represent a weak point in the hardened layer.
Das Härtungsverfahren wird hauptsächlich bei kohlenstoffhaltigem Stahl angewandt. Grundsätzlich ist es jedoch bei allen Materia lien verwendbar, die durch Wärmeeintrag eine Aushärtung ermögli chen. Insbesondere gilt dies auch für derzeit noch nicht bekann te, zukünftige Materialien.The hardening process is mainly used for carbonaceous Steel applied. Basically, however, it is with all materia lien usable, the hardening possible by heat input chen. In particular, this also applies to not yet known te, future materials.
Eine Steigerung der härtenden Wirkung des Verfahrens wird vor teilhafterweise dadurch erreicht, daß das Material des Werk stücks eine feine Karbidverteilung aufweist. Dies kann problem los durch eine vorhergehende Vergütung, beispielsweise in einem Ofen, erreicht werden. Diese Vergütung kann im Schüttgut oder bereits im Ausgangsmaterial vor der Weichbearbeitung vorgenommen werden. An increase in the hardening effect of the process is planned partially achieved in that the material of the work piece has a fine carbide distribution. This can be problem get rid of a previous remuneration, for example in a Oven. This remuneration can be in bulk or already made in the starting material before soft machining become.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar gestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläu tert.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail below with the aid of the figures tert.
Im einzelnen zeigen Show in detail
Fig. 1 ein schematisches Diagramm zur Gegenüberstellung eines Herstellungsverfahrens nach dem Stand der Technik gegenüber der Erfindung, Fig. 1 is a schematic diagram for comparison of a manufacturing method according to the prior art to the invention,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Produktionsanlage, Fig. 2 is a schematic representation of a production plant according to the invention,
Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wärmeverteilung in der Randschicht während der Härtung, Fig. 3 is a diagram for illustration of the heat distribution in the surface layer during curing,
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Überlappungszone der Wärmebeeinflussung und Fig. 4 is a schematic representation to illustrate the overlap zone of the heat influence and
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Einhärtung von verschiedenen Parametern. Fig. 5 is a diagram showing the dependence of the hardening on different parameters.
Fig. 1 veranschaulicht die Randschichthärtung an einem Werkstück 1, das in einem bestimmten Umfangsbereich 2 gehärtet werden soll. Fig. 1, the surface hardening illustrates on a workpiece 1 which is to be cured to a certain extent area 2.
Nach herkömmlicher Fertigung geschieht dies zunächst in Form einer Weichbearbeitung 3 und anschließendem Transport 4 zu einer Wärmebehandlungsanlage 5. Dort werden die entsprechenden Randschichten 2, z. B. mit einem Laser oder induktiv erwärmt und anschließend in einem kalten Medium abgeschreckt. Danach werden die Werkstücke in einem weiteren Transport 6 zu einer Fertigbearbeitungsanlage 7 gebracht.According to conventional manufacturing, this is done first in the form of soft machining 3 and subsequent transport 4 to a heat treatment system 5 . There the corresponding boundary layers 2 , z. B. heated with a laser or inductively and then quenched in a cold medium. Then the workpieces are brought to a finishing machine 7 in a further transport 6 .
Im Unterschied hierzu wird bei einer erfindungsgemäßen Produktionsfolge nach der Weichbearbeitung auf einer Weichbearbeitungsanlage 3 gegebenenfalls nach einem Transport 4 der Werkstücke 1 zu einer von der Weichbearbeitungsanlage 3 verschiedenen Fertigbearbeitungsanlage 7 die Fertigbearbeitung vorgenommen, wobei während der Fertigbearbeitung zugleich die Randschichthärtung durchgeführt wird.In contrast to this, in a production sequence according to the invention, after the soft machining on a soft machining system 3, optionally after a transport 4 of the workpieces 1 to a finishing machine 7 different from the soft machining system 3, the finishing is carried out, the surface layer hardening being carried out at the same time during the finishing.
Die Weichbearbeitung und Fertigbearbeitung kann auch an ein und derselben Anlage vorgenommen werden, wodurch zusätzlich der Transport 4 entfällt. Insbesondere kann das Werkstück 1 hierbei in derselben Anlage eingespannt verbleiben, wie während der Weichbearbeitung 3.The soft machining and finish machining can also be carried out on one and the same system, which means that the transport 4 is also eliminated. In particular, the workpiece 1 can remain clamped in the same system as during the soft machining 3 .
Fig. 2 zeigt ein Werkstück 1 eingespannt in einem Spannfutter 8 einer Fertigbearbeitungsanlage 7, in der zugleich die Randschichthärtung durchgeführt wird. Fig. 2 shows a workpiece 1 clamped in a chuck 8 of a finishing system 7, in the same time, the surface hardening is performed.
Eine Schleifscheibe 9, die um ihre Achse 10 rotiert, ist in Richtung des Pfeils Z zu dem Werkstück 1 hin verfahrbar. Mit der Schleifscheibe 9 wird durch die beim Schleifen entstehende Wärme neben der Fertigbearbeitung zugleich die Randschichtenhärtung vorgenommen.A grinding wheel 9 , which rotates about its axis 10 , can be moved in the direction of the arrow Z toward the workpiece 1 . With the grinding wheel 9 , the surface layer hardening is carried out by the heat generated during grinding in addition to the finishing.
Eine Abrichteinheit 11 mit einer Diamantrolle 12 dient dazu, die Schleifscheibe 9 bei entsprechenden Verschleißerscheinungen nachzuarbeiten, und eine für den Schleif-Härt-Vorgang günstige, feine Oberflächenstruktur der Schleifscheibe herzustellen.A dressing unit 11 with a diamond roller 12 serves to rework the grinding wheel 9 if there are corresponding signs of wear and to produce a fine surface structure of the grinding wheel that is favorable for the grinding-hardening process.
In Fig. 3 ist in vergrößerter Darstellung erkennbar, wie die Schleifscheibe 9 mit einer Zustelltiefe 13 auf das Werkstück 1 aufgebracht wird. Durch den Materialabtrag sowie die dabei vorhandene Reibung entsteht eine Wärme entsprechend der als Diagramm in Fig. 3 eingezeichneten Wärmeverteilung 14. Durch die Wärmeleitung des Werkstücks 1 ergibt sich ein Wärmestrom ausgehend von der unmittelbaren Bearbeitungszone 15, der durch Isothermen 16 dargestellt ist. Durch geeignete Einstellung der Prozeßparameter läßt sich in der Bearbeitungszone 15 eine ausreichende Wärmemenge erzeugen, um eine Randschichthärtung mit gewünschter Qualität zu erhalten.In Fig. 3 it can be seen in an enlarged view how the grinding wheel 9 is applied to the workpiece 1 with a feed depth 13 . Due to the material removal and the friction present, heat is generated corresponding to the heat distribution 14 shown as a diagram in FIG. 3. The heat conduction of the workpiece 1 results in a heat flow from the immediate processing zone 15 , which is represented by isotherms 16 . By suitably setting the process parameters, a sufficient amount of heat can be generated in the processing zone 15 in order to obtain an edge layer hardening with the desired quality.
Das Diagramm gemäß Fig. 4 dient zur Veranschaulichung der Wärmeeinflußzone 17, wie sie durch die vorbeschriebenen Bearbeitungsschritte erzeugt wird.The diagram according to FIG. 4 serves to illustrate the heat affected zone 17 as it is generated by the above-described processing steps.
Die Schleifscheibe 9 wurde hierbei zu Beginn der Bearbeitung in der Überlappungszone 18 der Wärmebeeinflussung an das Werkstück 1 gebracht. Das Werkstück 1 hat sich mit der Werkstückumfangsgeschwindigkeit Vw um ca. 360° gedreht, während die Bearbeitung in Richtung der Pfeile P entlang dem Umfang des Werkstücks 1 vorgenommen wurde. Nachdem die Wärmeeinflußzone 17 wieder im Bereich der Schleifscheibe 9 angekommen war, wobei sich die Überlappungszone 18 ergab, wurde die Schleifscheibe 9 vom Werkstück 1 abgehoben.The grinding wheel 9 was brought to the workpiece 1 at the beginning of the processing in the overlap zone 18 of the influence of heat. The workpiece 1 has rotated at the workpiece circumferential speed Vw by approximately 360 °, while the machining in the direction of the arrows P has been carried out along the circumference of the workpiece 1 . After the heat-affected zone 17 had returned to the area of the grinding wheel 9 , resulting in the overlap zone 18 , the grinding wheel 9 was lifted off the workpiece 1 .
Der äußere Rand der schraffierten Ringfläche stellt somit die erzeugte, gehärtete Oberfläche 19 dar. Der schraffierte markierte Ring zeigt die Wärmeeinflußzone 17. Die Überlappungszone 18 hat nach bisherigen Erkenntnissen keinen negativen Einfluß auf die Güte der Werkstücke 1.The outer edge of the hatched ring surface thus represents the hardened surface 19 produced . The hatched marked ring shows the heat affected zone 17 . According to previous knowledge, the overlap zone 18 has no negative influence on the quality of the workpieces 1 .
In Fig. 5 ist die Abhängigkeit der Einhärtungstiefe Rht von der Umfangsgeschwindigkeit Vw des Werkstücks und dem Maß der Zustellung, d. h. der Zustellungstiefe, erkennbar.In Fig. 5 is the dependence of the effective hardening depth of the Rht peripheral speed Vw of the workpiece and the amount of delivery, that is, the delivery depth recognizable.
Die Zustellungstiefe der Schleifscheibe beeinflußt unmittelbar das Maß des Materialabtrags und somit auch der beim Schleifen entstehenden Wärmeentwicklung. Die Umfangsgeschwindigkeit Vw des Werkstücks spiegelt gewissermaßen die Einwirkdauer der Schleifscheibe am jeweiligen Bearbeitungsort wider.The infeed depth of the grinding wheel influences directly the amount of material removal and thus also the heat generated during grinding. The Circumferential speed Vw of the workpiece reflects the exposure time of the grinding wheel to a certain extent respective processing location.
Anhand des Diagramms gemäß Fig. 5 ist erkennbar, daß die Einhärtungstiefe sowohl mit wachsender Zustellungstiefe als auch mit geringeren Umfangsgeschwindigkeiten anwächst.The diagram according to FIG. 5 shows that the hardening depth increases both with increasing depth of infeed and with lower peripheral speeds.
Die dargestellten Ergebnisse wurden mit einer konstanten Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe 9 vorgenommen. Diese sogenannte Schnittgeschwindigkeit stellt einen weiteren Parameter zur Beeinflussung der Güte der Randschichtenhärtung dar.The results shown were carried out with a constant peripheral speed of the grinding wheel 9 . This so-called cutting speed represents a further parameter for influencing the quality of the surface layer hardening.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |