DE19848034C1 - Vorrichtung und Verfahren zum Härten von rotationssymmetrischen, nicht achsenparallelen Randschichten von Werkstücken - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Härten rotationssymmetrischer, nicht achsenparalleler Randschichten (2) von Werkstücken (1) mit Hilfe von Wärme vorgeschlagen, bei der der Fertigungsaufwand erheblich reduziert und eine Verbesserung der Präzision der Endbearbeitung der Härtungszonen möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein rotierendes, axial verschiebbares Schleifwerkzeug (3) zur mechanischen Erzeugung der erforderlichen Prozeßwärme vorgesehen ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Härten von rotationssymmetrischen, nicht achsenparallelen Randschichten von Werkstücken nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 11.

Die Randschichthärtung von Stahl wird üblicherweise durch Erwärmung mit anschließender Abkühlung durchgeführt.

Die bekannten Verfahren zur Randschichthärtung von Werkstücken bringen die notwendige Prozeßwärme durch elektromagnetische Induktion oder durch Lasereinstrahlung in die zu härtende Randschicht ein. Während der Erwärmung des Materials verzieht sich dieses häufig, so daß anschließend eine Nachbearbeitung am gehärteten Werkstück zur Wiederherstellung der Maßhaltigkeit erforderlich ist.

Weiterhin ist bei diesen Herstellungsverfahren das Umspannen des Werkstücks zwischen der Weichbearbeitung und der Hartbearbeitung nach dem Härten notwendig, wodurch sich wiederum Fehler in der Maßgenauigkeit ergeben können.

Aus der DE-PS 880 446 ist ferner bereits bekannt, daß die zum Härten der Oberfläche von Werkstücken erforderliche Wärmeenergie durch Reibung mittels Schleifscheiben erzeugt wird.

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, mittels dem insbesondere rotationssymmetrische, nicht achsenparallele Randflächen von Werkstücken, wie beispielsweise Ventilsitze von Einspritzventilen mit großer Präzision und reduziertem Aufwand gefertigt werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Randschichthärtung rotationssymmetrischer, nicht achsenparalleler Randflächen von Werkstücken dadurch aus, daß ein rotierendes, axial verschiebbares Schleifwerkzeug zur mechanischen Erzeugung der zur Randschichthärtung erforderlichen Prozeßwärme vorgesehen ist.

Hierdurch wird die Komplettbearbeitung des Werkstücks, beispielsweise eines Ventilsitzes, in einer Aufspannung möglich. Hieraus resultiert eine Verbesserung der Güte der Form- und Lagetoleranzen sowie durch Vermeidung zeitaufwendiger Umspannvorgänge und Transporte eine erhebliche Reduzierung der Fertigungszeit.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Schleiffläche des Schleifwerkzeugs so ausgebildet, daß sie formschlüssig an die zu härtende Randfläche des Werkstücks anfügbar ist. Mit dieser Ausbildung der Schleiffläche ist von der oben angeführten axialen Verschiebbarkeit des Schleifwerkzeugs sowie dessen Rotation zur Durchführung des Schleifvorgangs abgesehen keine weitere Relativbewegung zwischen Werkstück und Schleifwerkzeug erforderlich. Durch einfaches axiales Andrücken so ausgebildeten, rotierenden Schleifwerkzeugs an die zu härtende Randfläche des Werkstücks wird die komplette Randschichtzone gehärtet und mit hoher Präzision geschliffen. Eine Fertigbearbeitung ist anschließend in derselben Aufspannung möglich, so daß keine weitere nachfolgende Fertigbearbeitung mehr notwendig ist.

Durch eine Vorrichtung der beschriebenen Art lassen sich beliebige rotationssymmetrische, nicht achsenparallele Randfläche von Werkstücken in einer Aufspannung härten und schleifen. In Frage kommen hierbei beispielsweise ringförmige, quer zur Achse liegende Randflächen, konusförmige Randflächen, usw.. Die erfindungsgemäß zu bearbeitenden Randflächen können an einer Außenfläche des Werkstücks angeordnet sein oder aber aufgrund der Besonderheit der axialen Verschiebbarkeit des Schleifwerkzeugs auch in einer Ausnehmung des Werkstücks angeordnet werden. Somit eignet sich die Vorrichtung gemäß der Erfindung vor allem auch zum Innenschleifen, beispielsweise von Ventilsitzen oder sonstigen Härtungszonen im Innern von Bohrungen oder dergleichen.

Die Ausbildung einer konusförmigen Schleiffläche am Schleifwerkzeug dient hierbei beispielsweise der Härtung und dem Schleifen einer entsprechend konusförmigen Randfläche, z. B. eines Ventilsitzes. Die Schleiffläche könnte auch in axialer Richtung gekrümmt ausgeführt sein, wodurch z. B. auch Ventilsitze mit einer Krümmung geschliffen und gehärtet werden können.

Insbesondere für das Innenschleifen wird das Werkzeug mit einem Schleifbelag versehen, der eine zylindrische Grundform mit der anschließenden gewünschten Form der Schleiffläche aufweist. Die zylindrische Grundform ermöglicht zum einen das Einführen des kompletten Schleifbelags in eine entsprechende Bohrung, zum anderen steht hierdurch ausreichend Material für ein mehrfaches Abrichten des Schleifwerkzeugs mit Hilfe eines entsprechenden Abrichtwerkzeugs zur Verfügung, sobald die Schleiffläche des Schleifbelags verschlissen ist und Unregelmäßigkeiten in der Struktur aufweist.

Vorteilhafterweise wird ein Spalt zwischen dem Schleifbelag und den nicht zu härtenden Wandflächen der Ausnehmung eines Werk­ stücks beim Innenschleifen vorgesehen. Hierdurch läßt sich das Schleifwerkzeug ohne Reibung in axialer Richtung der Ausnehmung verschieben. Zum anderen wird hierdurch sichergestellt, daß die mechanische Wärmeerzeugung zur Härtung in der Tat nur an der zu härtenden Randschicht des Werkstücks erzeugt wird.

In einer besonderen Ausführungsform wird der Schleifbelag des Schleifwerkzeugs austauschbar am Schleifwerkzeug angebracht. Insbesondere kann der Schleifbelag auf das Werkzeug aufgeklebt werden, so daß eine Überarbeitung des Werkzeugs bei restlos verschlissenem Schleifbelag möglich ist.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.

Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung beim Schleifen und Härten und

Fig. 2 eine Vorrichtung zum Abrichten des Schleifwerkzeugs.

Ein Werkstück 1 gemäß Fig. 1 weist einen konusförmigen Ventilsitz 2 für die Aufnahme einer Dichtkugel auf, wie dies beispielsweise bei einem Einspritzventil in Einspritzanlagen von Kraftfahrzeugen vorgesehen wird. Ein Schleifwerkzeug 3 umfaßt einen Schleifbelag 4, der an einem Schaft 5 befestigt, beispielsweise aufgeklebt ist. Der Schleifbelag 4 wiederum weist einen Sockel 6 sowie eine Schleiffläche 7 auf. Der Sockel 6 ist von zylindrischer Form, so daß der gesamte Schleifbelag 4 in die Ausnehmung 8 des Werkstücks 1, in der sich der Ventilsitz 2 befindet, eingeführt werden kann.

Die Schleiffläche 7 hingegen ist konusförmig geformt, so daß sie formschlüssig an den Ventilsitz 2 anzupressen ist.

Im Maßstab der Fig. 1 nicht erkennbar ist ein kleiner Spalt 9 zwischen dem Sockel 6 und der Wandung 10 der Ausnehmung 8 vorgesehen, so daß der Sockel 6 nicht an der Wandung 9 reibt. Hierdurch ist die axiale Verschiebbarkeit in Richtung des Pfeils P des Schleifwerkzeugs 3 reibungslos möglich. Da das Schleifwerkzeug im Bereich des Sockels 6 reibungsfrei rotiert, kann die Antriebskraft für den Antrieb des Schleifwerkzeugs kleiner gewählt werden. Weiterhin wird verhindert, daß außerhalb der zu härtenden Randschicht, d. h. vorliegend des Ventilsitzes 2, eine entsprechender Wärmeeintrag in das Werkstück 2 stattfindet.

Durch Anpressen der Schleiffläche 7 auf den Ventilsitz 2 ist es möglich, in einem Arbeitsgang den Ventilsitz 2 mit hoher Präzision zu schleifen und zugleich in der Randschicht zu härten. Die Härtung erfolgt hierbei durch die beim Schleifvorgang entstehende Prozeßwärme. Die Präzision des Ventilsitzes ist beispielsweise bei Einspritzanlagen von maßgeblicher Bedeutung, in denen die Dichtung durch eine auf dem Ventilsitz 2 liegende Kugel gewissermaßen kreislinienförmig bewerkstelligt werden muß. Geringste Maßungenauigkeiten können hier zu Leckagen führen.

Ebenso ist jedoch das Aushärten der Randschicht von maßgeblicher Bedeutung, da die Dichtkugel eine sehr große Anzahl von Öffnungs- bzw. Schließvorgängen bei zugleich sehr kurzen Reaktionszeiten durchführen muß. Hierdurch sind hohe Beschleunigungen notwendig, wodurch die Dichtkugel dementsprechend hart beim Schließvorgang auf den Ventilsitz 2 aufprallt. Für eine dauerhafte Funktion eines solchen Ventils ist eine gut gehärtete Randschicht des Ventilsitzes 2 daher unumgänglich.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 zeigt das Schleifwerkzeug 3 entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 1, wobei nunmehr ein Abrichtwerkzeug 11 vorhanden ist, dessen Bearbeitungsfläche 12 in der Form dem Konus des Ventilsitzes 2 entspricht. Die Bearbeitungsfläche 12 besteht hierbei aus einem gegenüber dem Schleifwerkzeug 3 härteren Material, es können beispielsweise Diamantbelegungen an der Bearbeitungsfläche 12 vorgesehen sein. Durch Eindrücken wiederum in axialer Richtung P des Bearbeitungswerkzeugs 3 des Abrichtwerkzeugs 11 kann daher der Schleifbelag 4 bei etwaigem Verschleiß und Unregelmäßigkeiten nachgearbeitet werden. Durch die zylindrische Form des Sockels 6 steht genügend Material am Schleifbelag 4 für die mehrfache Nachbearbeitung des Schleifbelags 4 zur Verfügung. Mit zunehmender Lebensdauer des Schleifbelags 4 nimmt die axiale Länge des Sockels 6 ab, da mit jeder Nachbearbeitung der Schleiffläche 7 eine gewisse Materialmenge vom Schleifwerkzeug 3 abgetragen wird.

Die Erfindung stellt eine wirkungsvolle Möglichkeit zum Schleifen und Härten von Ventilsitzen 2 dar. Zum einen wird der Fertigungsaufwand reduziert und zum anderen kann die Fertigung mit erhöhter Präzision vorgenommen werden, da ein Umspannen des Werkstücks 1 nicht mehr notwendig ist. Die Komplettbearbeitung in einer Aufspannung wird möglich.

Das Verfahren ist jedoch nicht nur bei Ventilsitzen der dargestellten Art anwendbar, es können grundsätzlich sämtliche rotationssymmetrische, nicht achsenparallele Randschichten entsprechend bearbeitet werden, die durch ein axial verschiebbares Schleifwerkzeug 3 erreichbar sind. In Frage kommen hierbei Schleif- und Härtungsflächen sowohl an Außenwandungen als auch im Innern von Ausnehmungen entsprechender Werkstücke.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Härten von rotationssymmetrischen, nicht achsenparallelen Randschichten von Werkstücken mit Hilfe von Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß ein rotierendes, axial verschiebbares Schleifwerkzeug (3) zur mechanischen Erzeugung der erforderlichen Prozeßwärme vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Schleiffläche (7) des Schleifwerkzeugs (3) formschlüssig an die zu härtende Fläche (2) des Werkstücks (1) anfügbar ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Schleiffläche ringförmig und/oder konusförmig ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Schleiffläche (7) in axialer Richtung gekrümmt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug (3) zum Innenschleifen in einer Ausnehmung (8) des Werkstücks (1) einführbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug (3) einen Schleifbelag (4) mit einem zylinderförmigen Sockel (6) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sockel (6) und der Wandung der Ausnehmung (8) des Werkstücks (1) ein Spalt (9) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifbelag (4) austauschbar an einem Schaft (5) des Schleifwerkzeugs befestigt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifbelag (4) auf den Schaft (5) aufgeklebt ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) einen innenliegenden Ventilsitz (2) aufweist.

11. Verfahren zum Härten von rotationssymmetrischen, nicht achsenparallelen Randschichten von Werkstücken mit Hilfe von Wärme dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.