DE3820685C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umschmelzhärten von Oberflächenbereichen von um eine Längsachse drehbaren Werkstücken, insbesondere von Nocken von Nockenwellen, mittels eines Brenners, bestehend aus einer den Brenner tragenden Positioniervorrichtung, durch die der am Brennerkopf austretende Brennerstrahl in einer festen Orientierung gegenüber der Werkstückachse angeordnet und der Abstand des Brennerkopfes vom Umschmelzbereich während der Drehung des Werkstücks veränderbar ist, aus einer ersten Meßvorrichtung für die Winkellage ϕ des Umschmelzbereichs, aus einer zweiten Meßvorrichtung für den Abstand des Brennerkopfes vom Umschmelzbereich und aus einer mit der ersten und der zweiten Meßvorrichtung verbundenen Steuereinheit zur Ansteuerung der Positioniervorrichtung entsprechend der Oberflächenkontur des Umschmelzbereichs. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von hochbeanspruchten Oberflächen von Werkstücken, beispielsweise der Nocken von Nockenwellen, ist es bekannt, diese Bereiche durch Umschmelzen zu härten, indem beispielsweise mittels eines Lichtbogenbrenners der zu härtende Oberflächenbereich in einer bestimmten Schichtdicke nach dem Gießen wieder aufgeschmolzen und selbst abkühlen gelassen wird. Zur Steuerung dieses Wiederaufschmelzvorgangs ist es dabei von besonderer Wichtigkeit, die Positionierung des Brenner­ strahls in bezug auf das sich drehende Werkstück, welches im allgemeinen einen verschieden gekrümmten Verlauf seiner Oberflächenkontur aufweist, geeignet anzupassen.

Hierzu ist es beim Härten von Nockenwellen bekannt, sogenannte Meisternocken als Führungsmittel vorzusehen, durch die der Abstand des Brenners vom Werkstück auf rein mechanische Art eingestellt wird (DE 28 39 990 B1).

Zum anderen ist es bekannt, die Positionierung des Brennerstrahls mit Hilfe elektronisch abgespeicherter Meßwerte vorzunehmen (DE 36 26 808 A1). Diese Meßwerte können, wie z. B. bei CNC-Fräsmaschinen, als fest vorgegebene Werte abgespeichert sein. Bei einer solchen Vorrichtung müssen jedoch für unterschiedliche Oberflächenkonturen stets neue Steuerprogramme mit geänderten Meßwerten erstellt werden.

Universeller an die Oberflächenkontur des Werkstücks anpaßbar ist hingegen die bekannte gattungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art. Hierbei werden zunächst in einem ersten Schritt mittels der ersten bzw. zweiten Meßvorrichtung, die die Winkellage bzw. den zur jeweiligen Winkellage gehörigen Radialabstand der Werkstückoberfläche von der Werkstückachse erfassen, Meßwerte für die Oberflächenkontur abgetastet und in einem Speicher hinterlegt. Im sich daran anschließenden Umschmelzvorgang werden die hinterlegten Speicherwerte abgerufen und der Brennerstrahl entsprechend den Speicherwerten positioniert. Dieses Verfahren weist jedoch insofern Nachteile auf, als es aufgrund des vor jedem Umschmelzen erforderlichen Meßvorgangs zeitaufwendig ist.

Darüber hinaus ist aufgrund der teilweise starken Krümmung der Oberfläche ein kontinuierliches Abtasten der Meßwerte somit nicht möglich. Vielmehr muß der als zweite Meßvorrichtung verwendete Taststift nach Aufnahme des Meßwertes kurzzeitig abgehoben, das Werkstück um einen bestimmten Winkel gedreht werden und der Taststift anschließend für die Erfassung des neuen Meßwertes wieder aufgesetzt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß der Umschmelzhärtevorgang schneller und genauer und damit wirtschaftlicher erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zweite Meßvorrichtung gegenüber dem Brennkopf winkelversetzt ist, und daß die Steuereinheit eine Korrekturschaltung aufweist, die die Meßwerte der Positioniervorrichtung winkelgerecht zuführt.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß das Erfassen der Meßwerte bei der Bearbeitung durch Umschmelzhärten des Werkstücks erfolgt, indem zunächst die Meßwerte der Oberflächenkontur erfaßt und zu einem späteren, dem Winkelversatz zwischen Meßvorrichtung und Brennerkopf entsprechenden Zeitpunkt, die Steuereinrichtung den Brennerkopf winkelgerecht ansteuert, da der Winkelversatz zwischen der zweiten Meßeinrichtung und dem Brennerkopf genau festliegt. Auf diese Weise läßt sich die erfindungsgemäße Lösung auf beliebige Oberflächenkonturen ohne Zeitverlust anwenden.

Bevorzugt findet die erfindungsgemäße Lösung Anwendung, wenn der Strahl des Brenners in der Achsnormalebene des Werkstücks richtungsfest positioniert ist, insbesondere wenn der Brennerstrahl die Werkstückachse schneidet. Auch bei dieser Positionierung wird die zur Verfügung stehende Energie des Brennerstrahls optimal ausgenutzt. Hierbei wird der Brennerkopf in Richtung des Brennerstrahls zum Erreichen der Abstandsänderung bewegt. Diese Bewegung wird bevorzugt mittels eines inkrementalen Weggebers erfaßt. Die hierdurch erreichbare Positioniergenauigkeit ist sehr hoch und der technische Aufwand vergleichsweise gering.

Falls die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Umschmelzhärten von Nockenwellen eingesetzt wird, wobei die Nocken sich dadurch auszeichnen, daß sie Bereiche mit geringer Krümmung und Bereiche mit starker Krümmung aufweisen, ist es bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform von Vorteil, wenn die Positionierung des Brennerstrahls nicht nur in einer Achse in Richtung des Brennerstrahls sondern auch senkrecht dazu und senkrecht zur Werkstückachse bewegbar ist. Dann kann in den schwach gekrümmten Bereichen der Nocken der Brennerkopf stets so verfahren werden, daß der Abstand zwischen Brennerkopf und Umschmelzbereich möglichst gering ist. Der Umschmelzbereich befindet sich dabei an der Berührungsstelle einer senkrecht zum Brennerstrahl verlaufenden Linie mit der Nockenkontur. Für die Erfassung der Bewegung senkrecht zum Brennerstrahl eignet sich vorzugsweise wieder ein inkrementaler Weggeber.

Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung besteht auch darin, daß die Erfassung der Meßwerte durch die zweite Meßvorrichtung mittels eines Lasermeßkopfes berührungsfrei erfolgt. Hierdurch entfallen die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile bei der Verwendung eines die Oberflächenkontur abtastenden Stiftes. Darüber hinaus läßt sich durch Verwendung eines Lasermeßkopfes die Genauigkeit für die Meßwerterfassung weiter erhöhen.

Die erfindungsgemäße Lösung kann vorzugsweise auch zum Umschmelzhärten von Werkstücken eingesetzt werden, bei denen nur Teile ihrer Oberflächenkontur gehärtet werden sollen. Dies können beispielsweise die Nockenbuckel von Nockenwellen sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung muß dann nach der Erfassung der Meßwerte in der ersten Winkellage der Umschmelzhärtevorgang erst dann begonnen werden, wenn der Anfangspunkt der umzuschmelzenden Oberflächenkontur die zweite Winkellage erreicht. Somit kann also auch nur ein Teilbereich unter gleichzeitiger Vornahme der Messung umgeschmolzen werden. Lediglich das dem Winkelversatz entsprechende Teilstück der Oberflächenkontur muß vorab gemessen werden. Da dieser Winkelversatz jedoch in Anlehnung an die Erfindung nur etwa 40-60°, vorzugsweise 50°, beträgt, ist der hierfür anzusetzende Zeitaufwand,vor Beginn des Umschmelzprozesses im Vergleich zu dem Zeitaufwand der für separate Messung und Bearbeitung erforderlich wäre, wesentlich geringer.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer drei Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 einen Modifikation zu dem in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel.

Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel zeigt als zu bearbeitendes Werkstück 3 den Nocken einer Nockenwelle. Dieses ist drehbar gelagert. Der aus Gründen der besseren Veranschaulichung perspektivisch dargestellte Antrieb 2 für die Drehbewegung ist mit einem inkrementalen Drehgeber als Meßvorrichtung 1 gekoppelt, der die jeweilige Winkellage ϕ des Werkstücks 3 in bezug auf eine Referenzlage feststellt. Der Drehantrieb 2 ist mit einer zentralen Steuereinheit 8 verbunden, dem auch das Ausgangssignal der ersten Meßvorrichtung 1 für den Drehwinkel zugeleitet wird.

Eine zweite Meßvorrichtung 4, die als Lasermeßkopf ausgeführt ist, wobei der Laserstrahl von einer Schutzummantelung 5 umgeben ist, bestimmt für die jeweilige Winkellage den Abstand der Oberflächenkontur des Werkstücks 3 vom Zentrum seines Grundkreises. Das Ausgangssignal der zweiten Meßvorrichtung 4 wird ebenfalls der Steuereinheit 8 zugeleitet. In einer bestimmten Winkellage versetzt zur zweiten Meßvorrichtung 4 ist eine Positioniervorrichtung 10 angeordnet, die einen Brenner 11 trägt, der z. B. als Lichtbogenbrenner ausgeführt ist. Alternativ kann der Brenner auch durch einen Laser geeigneter Energie gebildet werden. Der Brenner 11 mündet werkstückseitig in einen Brennerkopf, aus dem der Brennerstrahl in Richtung auf die Werkstückoberfläche austritt. Die Positioniervorrichtung 10 ist so eingestellt, daß der Brennerstrahl in der Achsnormalebene der Achse des Werkstücks 3 verläuft und derart auf dessen Oberfläche gerichtet ist, daß sich Brennerstrahl und Werkstückachse schneiden. Der Abstand des Brennerkopfes von der Oberfläche des Werkstücks 3 ist in Richtung des Brennerstrahls mittels eines Antriebs 6 veränderbar (Z-Richtung). Die Änderung des Abstandes des Brennerkopfes von der Werkstückoberfläche wird mittels eines inkrementalen Weggebers 7 hochgenau erfaßt, der mit dem Antrieb 6 für die Linearbewegung der Positioniervorrichtung 10 in Z-Richtung gekoppelt ist. Der Linearantrieb 6 und der inkrementale Weggeber 7 sind wiederum mit der Steuereinheit 8 verbunden.

Die Funktionsweise der dargestellten Anordnung ist wie folgt:

Bei der eingezeichneten Drehrichtung des Nockens erfolgt zunächst in der Winkellage d ₁ die Messung des Abstandes mittels der zweiten Meßvorrichtung 4 (Lasermeßkopf). Bei kontinuierlicher Drehung des Nockens wird somit eine Meßwertfolge, bestehend aus dem Meßwertpaaren Drehwinkel, Abstand, der Steuereinheit 8 zugeleitet, die dort der Reihe nach in einem Speicher abgelegt werden. Mittels einer in der Steuereinheit integrierten Korrektureinheit 9 wird nun, da der Winkelversatz zwischen der Meßvorrichtung 4 und dem Brennerstrahl in der Winkellage ϕ ₂ bekannt ist, beispielsweise 50°C beträgt, die Zuordnung der Meßwerte derart gewählt, daß die um den Winkelversatz versetzten Meßwerte als Sollwerte für die Positionierung des Brennerkopfes verwendet werden. Somit erhält die Positioniervorrichtung 10 stets die der Winkellage ϕ ₂, an der sich der Brennerkopf befindet, zugeordneten Werte für die jeweilige Oberflächenkontur des Nockens. So kann die Bearbeitung des Werkstücks ohne Zeitverlust durchgeführt werden, da ein separater Meßvorgang wie beim Stand der Technik erfindungsgemäß nicht mehr erforderlich ist.

Wenn, wie Fig. 2 zeigt, nur ein bestimmter Teil der Oberflächenkontur des Nockens umschmelzgehärtet werden soll, so wird wie folgt verfahren:

Bei der gewählten Drehrichtung (Pfeil) des Werkstücks 3 ist in Fig. 2 der Anfangszustand der zu härtenden Kontur dargestellt, der sich bei der Winkellage ϕ ₁ in Höhe der zweiten Meßvorrichtung 4 befindet. Zunächst beginnt die Erfassung der Meßwerte, ohne daß der Brenner 11 eingeschaltet ist. Erst, wenn die zu härtende Oberflächenkontur die Winkellage ϕ ₂ am Brennerkopf erreicht, wird der Brenner 11 eingeschaltet, wobei die Positioniervorrichtung 10 für den Brenner 11 die von der zweiten Meßvorrichtung 4 in der Winkellage ϕ ₁ ermittelten Meßwerte winkelgerecht zugeführt werden. Nach Durchlaufen des Endes der zu härtenden Oberflächenkontur in der Winkellage ϕ ₂ wird der Brenner 11 wieder abgeschaltet. Somit läßt sich das Verfahren wirtschaftlich auch für solche Bearbeitungsvorgänge einsetzen, wo nur ein Teil der Oberfläche, beispielsweise die Nockenbuckel, gehärtet werden sollen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 beschrieben. Hier befindet sich eine solche Oberflächenkontur des Werkstücks 3 in der Winkellage ϕ ₂ des Brennerkopfes, die im Umschmelzbereich nahezu horizontal ist. Während zunächst der Brennerkopf die gestrichelte Position hat, bei der der Brennerstrahl sich mit der Werkstückachse schneidet, ist es für die Bearbeitung der nahezu horizontalen Oberflächenkontur erforderlich, den Brennerkopf entlang der Kontur um die Strecke X entlang des Umfangs des Werkstücks 3 zu bewegen, um stets einen minimalen Abstand zwischen Brennerkopf und Oberflächenkontur zu erreichen. Dazu wird der Brennerkopf beispielsweise in die dargestellte ausgezogene Lage verfahren. Dabei befindt sich der umzuschmelzende Bereich an dem Berührungspunkt der zur Brennerstrahlachse senkrechten Linie mit der Nockenkontur. Bei weiterer Drehung des Werkstücks über seinen höchsten Buckelpunkt hinaus, wird der Brennerkopf entsprechend wieder nach links verfahren, bis er am Ende der Buckelkontur wieder in der Position X = 0 angekommen ist.

Eine Möglichkeit zur Vorbestimmung der genauen Brennerführung im Bereich der Nockenkontur ist in Fig. 4 dargestellt. Zur Bestimmung der für die jeweilige Winkellage der Nockenkontur optimalen Ausfahrstrecke X aus der ursprünglichen Lage (X = 0) heraus, wird der Lasermeßkopf 4 anstelle des Brenners 11 eingesetzt und mittels einer in X-Richtung verschiebbaren Wegmeßstrecke (Fig. 4) der optimale Bearbeitungsverlauf ermittelt. Die hierbei für unterschiedliche Winkellagen erfaßten Meßwerte werden als Sollwerte für die Positionierung des Lichtbogenbrenners abgespeichert. Auf diese Weise lassen sich auch an kritischen Stellen der Nockenkontur die Bearbeitungsbedingungen optimal und reproduzierbar erfassen und für die Bearbeitung abspeichern. Dabei ist stets gewährleistet, daß der Abstand zwischen zu bearbeitender Nockenoberfläche und Brennerkopf reproduzierbar ist.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Umschmelzhärten von Oberflächenbereichen von um eine Längsachse drehbaren Werkstücken (3), insbesondere von Nocken von Nockenwellen, mittels eines Brenners (11), bestehend aus einer den Brenner (11) tragenden Positioniervorrichtung (10), durch die der am Brennerkopf austretende Brennstrahl in einer festen Orientierung gegenüber der Werkstückachse angeordnet und der Abstand des Brennerkopfes vom Umschmelzbereich während der Drehung des Werkstücks (3) veränderbar ist, aus einer ersten Meßvorrichtung (1) für die Winkellage (ϕ) des Umschmelzbereichs, aus einer zweiten Meßvorrichtung (4) für den Abstand des Brennerkopfes vom Umschmelzbereich und aus einer mit der ersten (1) und der zweiten Meßvorrichtung (4) verbundenen Steuereinheit (8) zur Ansteuerung der Positioniervorrichtung (10) entsprechend der Oberflächenkontur des Umschmelzbereichs, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßvorrichtung (4) gegenüber dem Brennerkopf winkelversetzt ist, und daß die Steuereinheit (8) eine Korrekturschaltung (9) aufweist, die die Meßwerte der Positioniervorrichtung (10) winkelgerecht zuführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl des Brenners (11) in der Achsnormalebene des Werkstücks (3) richtungsfest positioniert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerstrahl die Werkstückachse schneidet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf des Brenners (11) zur Abstandsänderung in eine Richtung (Z) entlang der Brennerstrahlachse bewegbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf des Brenners (11) auch in eine senkrecht zur Brennerstrahlachse und senkrecht zur Werkstückachse verlaufende Richtung (X) bewegbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßvorrichtung (4) ein Lasermeßkopf ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßvorrichtung (4) gegenüber dem Kopf des Brenners (11) entgegen der Drehrichtung des Werkstücks (3) um einen spitzen Winkel versetzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel 40-60°, insbesondere 50°, beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (10) einen ersten inkrementalen Weggeber (7) für die Erfassung der Brennerbewegung aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (10) einen zweiten inkrementalen Weggeber zur Erfassung der Bewegung des Brennerkopfes senkrecht zum ersten Weggeber (7) in Umfangsrichtung (X) zur Oberflächenkontur aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (11) ein Laser ist.

12. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Umschmelzhärten nur entlang eines Teiles der Oberflächenkontur erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Erfassung der Meßwerte in der ersten Winkellage (ϕ 1) der Umschmelzhärtevorgang erst begonnen wird, wenn der Anfangspunkt der umzuschmelzenden Oberflächenkontur die zweite Winkellage (ϕ 2) erreicht.