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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Härten stangenförmiger Werkstücke, die
dazu geeignet sind, ein Verziehen der Werkstücke zu verhindern. Die vorliegende Erfindung
betrifft insbesondere ein Härtungsverfahren
und eine Härtungsvorrichtung,
die für
verformte oder bearbeitete bzw. profilierte Werkstücke geeignet sind,
z. B. für
Zahnstangen für
Automobile, die sich während
des Härtungsprozesses
tendenziell verziehen.
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Das Härten stangenförmiger Maschinenteile ist
weit verbreitet, wobei axialsymmetrische Teile, z. B. ein einfacher
Rotationskörper,
während
des Abschreckvorgangs um seine Achse gedreht wird, um eine gleichmäßige Abkühlung zu
erreichen und ein Verziehen des Werkstücks zu vermeiden. Außerdem wird
das Verziehen durch Ausüben
einer Zwangskraft verhindert, indem beispielsweise eine runde Stange
während
des Abschreckvorgangs durch drei sich entlang der Stange erstreckende
Rollen gedreht wird, wie in der JP-A-54-67504 dargestellt ist.
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Verformte stangenförmige Werkstücke, z.
B. ein stangenförmiges
Werkstück
mit einer entlang seiner Seite ausgebildeten Zahnstangenstruktur,
neigen beim Härten
dazu, sich zu verbiegen, weil die Abkühlgeschwindigkeit um ihre Achsen
ungleichmäßig ist. Für diese
Werkstücke
kann das vorstehend erwähnte Rotationsverfahren
während
des Abschreckvorgangs nicht angewendet werden, so daß normalerweise
ein Druck-Abschreckverfahren
(Press Quenching) verwendet wird, um ein Verziehen des Werkstücks während des
Härtungsprozesses
zu verhindern. Beim Druck-Abschreckverfahren wird das gesamte Werkstück oder
ein Teil des Werkstücks, das/der
auf eine vorgegebene Härtungstemperatur erwärmt worden
ist, in einem Satz von Spannplatten oder -vorrichtungen mit vorgegebenen
Hohlräumen gehalten,
woraufhin das Werkstück
z. B. durch Eintauchen in einen Kühlflüssigkeitsbehälter unter
Druck herabgekühlt
wird.
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Gemäß der JP-A-10-158742 wird ein
Verfahren zum Härten
der Gesamtlänge
eines Werkstücks mit
einem vollständig
runden Abschnitt, einem profilierten oder verformten Abschnitt und
einem mit dem verformten Abschnitt zusammenhängenden, kurzen, vollständig runden
Abschnitt bereitgestellt. In diesem Verfahren wird der Härtungsprozeß in zwei
Schritten ausgeführt.
In einem ersten Schritt werden der verformte Abschnitt und der kurze,
vollständig
runde Abschnitt auf eine Härtungstemperatur
erwärmt
und abgeschreckt, während
die Abschnitte zwischen geteilten Spannplatten gehalten werden.
Dann wird der vollständig
runde Abschnitt in einem zweiten Schritt auf eine Härtungstemperatur
erwärmt
und abgeschreckt, während
er zwischen mehreren rotierenden Rollen gehalten wird. Gleichzeitig
wird der kurze, vollständig
runde Abschnitt zwischen mehreren anderen Rollen oder Verlängerungs-
oder Erweiterungsabschnitten der vorstehend erwähnten Rollen gehalten, um ein
Verziehen des Werkstücks
durch den zweiten Härtungsschritt
effektiv zu verhindern und das Werkstück in seiner gesamten Länge auszurichten
oder geradezubiegen.
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In jüngster Zeit wird tendenziell
gewünscht, stangenförmige Teile
mit einer entlang ihrer Seite ausgebildeten Zahnstangenstruktur
der vorstehend erwähnten
Art in rohrförmige
Teile umzuformen, indem die Teile ausgehöhlt werden, um Gewicht bei Automobilen
einzusparen. Rohrförmige
Teile sind jedoch beim Härten
im Vergleich zu kompakten, stangenförmi gen Teilen hochgradig anfällig für Biegungen,
und außerdem
könnten
die rohrförmigen
Teile durch während
des vorstehend erwähnten
Abschreckvorgangs auftretende Druckkräfte zusammengedrückt werden.
Wenn die Druckkraft begrenzt wird, um das Zusammendrücken zu
verhindern, kann möglicherweise
nicht verhindert werden, daß das Werkstück sich
verzieht, so daß,
wenn die Teile nach dem Abkühlen
in den Spannplatten eingespannt gehalten werden, Spannungen auftreten
können.
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Gemäß der EP-A-0754771 wird ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Abschrecken eines rohrförmigen Werkstücks bereitgestellt,
wobei es aufgrund der Gefahr, daß das Werkstück zusammengedrückt wird,
schwierig ist, das Werkstück
während des
Abschreckvorgangs durch eine Kraft zu halten, die ausreichend ist,
um das Verziehen des Werkstücks
zu verhindern. In diesem Verfahren wird das Verziehen verhindert,
indem eine Zwangskraft ausgeübt
wird, die entsprechend einer Zunahme der Elastizitätsgrenze
gemäß der Temperaturabnahme des
Werkstücks
vom Beginn des Abschreckvorgangs bis zum Ende des Abschreckvorgangs
erhöht
wird. In diesem Verfahren können
geteilte Spannplatten, die hauptsächlich für Werkstücke mit profiliertem oder verformtem
Querschnitt angewendet werden, und auch mehrere Rollen, die für Werkstücke mit
vollständig
rundem Querschnitt verwendet werden, als Zwangskrafteinrichtungen
verwendet werden.
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Außerdem kann sich, auch wenn
die Druckkraft wesentlich erhöht
wird und das Werkstück
in den Spannplatten gerade ausgerichtet wird, das Werkstück sich
aufgrund von Restspannungen verziehen, wenn das Werkstück von den
Spannplatten entnommen wird. Solche Restspannungen werden normalerweise
durch Regeln einer Abkühlgeschwindigkeit
gesteuert, indem eine gegen ein Werkstück gespritzte Kühlflüssigkeitsmenge
in Abhängigkeit von
der Werkstückform
geeignet geändert
wird. Ob und wie sich ein Werkstück
verzieht, ist jedoch nicht so einfach vorherbestimmbar, weil sich
die Bedingungen in Abhängigkeit
von den Stahlbestandteilen in Beziehung zur Transformationstemperatur ändern und
die während
des Härtungsprozesses
auftretende Dehnung eine Summe der Wärmedehnung und der durch die
Transformation verursachten Dehnung ist.
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Wie vorstehend erläutert wurde,
kann in einigen Fällen,
insbesondere bei hohlen, profilierten oder verformten Werkstücken, das
Verziehen des Werkstücks
aufgrund der Begrenzung einer Druckkraft nicht allein durch Einspannen
des Werkstück
zwischen Spannplatten unterdrückt
werden. Außerdem kann,
auch wenn eine Verformung durch die Spannplatten geeignet unterdrückt wird,
das Werkstück
sich durch Restspannungen verziehen, wenn es von den Spannplatten
entnommen wird. Daher ist es gegenwärtig schwierig, das Verziehen
eines Werkstücks vollständig zu
vermeiden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verziehen beim Härten
profilierter oder verformter stangenförmiger Werkstücke zu minimieren, für die es
in herkömmlichen
Härtungsprozessen,
bei denen das Werkstück
durch Spannvorrichtungen zwangsweise eingespannt gehalten wird,
schwierig war, ein Verziehen vollständig zu verhindern. Diese Aufgabe
wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
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1 zeigt
eine Querschnitt-Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
und 2 zeigt eine perspektivische
Ansicht einer Zahnstange als Beispiel eines Werkstücks;
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3 und 4 zeigen Querschnitt-Vorderansichten
der in 1 dargestellten
Vorrichtung im Bereich einer Spannvorrichtung bzw. einer Druckeinrichtung;
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5 zeigt
eine Querschnitt-Vorderansicht im Bereich einer Spannvorrichtung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
als von 3 verschiedenes Beispiel;
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6 zeigt
eine Querschnitt-Vorderansicht im Bereich einer Druckeinrichtung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
als von 4 verschiedenes Beispiel;
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7 zeigt
eine Seitenansicht eines anderen Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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8(a) bis 8(d) zeigen Zeichnungen zum Erläutern der
Wirkung des erfindungsgemäßen Härtungsverfahrens,
bei dem Zwangskräfte
auf ein Werkstück
ausgeübt
werden.
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Erfindungsgemäß wird in einem Härtungsverfahren,
bei dem Zwangskräfte
auf ein Werkstück ausgeübt werden,
durch Erwärmen
eines Längsabschnitts
eines verformten, stangenförmigen
Werkstücks
und Abschrecken des Werkstückabschnitts
in Spannvorrichtung wie Spannplatten nicht nur eine Zwangskraft
durch die Spannplatten, sondern werden auch andere Kräfte zum
Verhindern des Verziehens während
des Härtungsprozesses
ausgeübt.
D. h. erfindungsgemäß soll das
Verziehen minimiert werden, indem als Zwangsmaßnahme zum Steuern der Dehnung
des Werkstücks
Belastungen auf das Werkstück
ausgeübt
werden, um im Abschreckprozeß auftretende
Kräfte
zu unterdrücken.
Um dies zu erreichen, wird der Abschreckvorgang ausgeführt, während das
Werkstück
durch eine Druckeinrichtung, die in der Nähe einer Seite oder beider
Seiten des in den Spannplatten eingespannten Werkstückabschnitts
angeordnet ist, senkrecht zu seiner Längsrichtung gedrückt wird.
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1 zeigt
eine Querschnitt-Seitenansicht eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei ein Werkstück
parallel zu seiner Länge dargestellt
ist. 2 zeigt eine perspektivische
Ansicht einer Zahnstange als ein Werkstück 1 in 1, wobei die Zahnstange
entlang seiner Länge
aus einem Vollkreisabschnitt 2, dessen Querschnitt einem Vollkreis
entspricht, einem profilierten oder verformten Abschnitt 3,
in dem der Querschnitt keinem Vollkreis entspricht, und einem kurzen
Vollkreisabschnitt 4 besteht, der sich über den verformten Abschnitt 3 hinaus
erstreckt. 1 zeigt die
Situation in einem Abschreckvorgang, in dem ein Kühlmittel,
wie beispielsweise Wasser, auf das Werkstück gespritzt wird, nachdem
der verformte Abschnitt erwärmt
wurde, wobei dieser Abschnitt durch Spannplatten 11 und 12 in
einer Position gedrückt
wird, bei der die Seite, auf der die Zähne ausgebildet sind, nach
unten weist. Dann wird eine erfindungsgemäße Druckeinrichtung an einer
Position in der Nähe
beider Seiten des in den Spannplatten eingespannten Werkstückabschnitts
mit den Spannplatten 11 und 12 verbunden. Die
Druckeinrichtung weist Anpreßelemente 17, 18, 19 und 20 auf,
die das Werkstück
senkrecht zu seiner Längsrichtung
drücken,
d. h. in diesem Beispiel in die vertikale Richtung.
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Die Druckeinrichtung ist in der Nähe von Halterungsab
schnitten der Spannplatten angeordnet, die als wesentliche Teile
der Spannplatten bezeichnet werden können, so daß zwischen der Druckeinrichtung
und den Spannplatten eine Biegekraft auf das Werkstück ausgeübt werden
kann. D. h., in diesem Beispiel sind die Anpreßelemente 17, 18, 19 und 20 mit
den Spannplatten 11 und 12 selbst verbunden. Jedes
der Anpreßelemente
kann sich entlang eines Vorschub-/Rückzugweges
bewegen und drückt
das Werkstück
nach Erfordernis. Die Abschnitte des Werkstücks, mit denen die Anpreßelemente
in Kontakt stehen, sind ein Vollkreisabschnitt 2 und ein
kurzer Vollkreisabschnitt 4 (2),
die außerhalb
des erwärmten
Bereichs liegen. Daher ist die Temperatur in diesen Abschnitten
niedrig, und ihre Härte
ist ausreichend, so daß durch
den durch die Anpreßelemente
ausgeübten
Druck keine Vertiefungen oder Dellen auf dem Werkstück erzeugt
werden. Außerdem
ist die Druckeinrichtung im vorstehenden Beispiel mit beiden Seiten
der Spannplatten verbunden, auf einer Seite können die Anpreßelemente,
z. B. 19 und 20, je doch in Abhängigkeit von der Form eines
Werkstücks
gegebenenfalls weggelassen werden.
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3 zeigt
eine Querschnitt-Vorderansicht der in 1 dargestellten
Vorrichtung, wobei das Werkstück
senkrecht zu seiner Länge
dargestellt ist. Diese Zeichnung zeigt die wesentlichen Teile der Spannplatten 11 und 12,
die spezifische Konstruktion dieser Teile ist jedoch durch die vorliegende
Erfindung nicht spezifisch eingeschränkt. In diesem Beispiel weisen
die Spannplatten mehrere Vorsprünge 13 auf,
die eine einer Kontur des Werkstücks 1 entsprechende
Kontur definieren, und Vertiefungen 14 zwischen den Vorsprüngen, wie
in den 1 und 3 dargestellt ist. Indem
die Innenfläche
der Spannplatten der Werkstückkontur
angepaßt
ist, wie vorstehend dargestellt wurde, können die Spannplatten jegliche
Richtung, in die sich das Werkstück
verziehen kann, handhaben. Außerdem
wird, wenn ein Werkstück
hohl und dünn
ausgebildet und daher durch eine Druckkraft leicht zusammengedrückt werden
kann, ein im EPC-Patent Nr. EP-A-0754771 dargestelltes Verfahren
empfohlen, bei dem der durch die Spannplatten 11 und 12 ausgeübte Druck
während
des Abkühlvorgangs
im Härtungsprozeß verändert wird.
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An vielen Stellen der vorstehend
erwähnten Vertiefungen 14 der
Spannplatten sind Kühlflüssigkeitsausspritzöffnungen 15 ausgebildet,
denen Kühlflüssigkeit
von Kühlflüssigkeitszufuhrräumen 16 zugeführt wird.
Wenn mehr als eine Kühlflüssigkeitsausspritzöffnung 15 in
den Vertiefungen 14 jeder Spannplatte 11 und 12 ausgebildet
ist, wird die ausgespritzte Kühlflüssigkeit
sich über
die gesamte Oberfläche
des Werkstücks
verteilen. Dann kann eine Abkühlgeschwindigkeit
durch geeignetes Positionieren der Kühlflüssigkeitsausspritzöffnungen
gesteuert werden. D. h., der Abkühlvorgang
erfolgt an den Positionen, die den Kühlflüssigkeitsströmen direkt
ausgesetzt sind, schnell, und der Abkühlvorgang er folgt an den Positionen,
die durch fließende
Flüssigkeit
gekühlt
werden, die sich durch die Vertiefungen ausbreitet, relativ langsam.
Durch Steuern der Abkühlgeschwindigkeit
in Abschnitten des Werkstücks,
wie vorstehend erläutert
wurde, kann die Ursache für
ein Verziehen des Werkstücks
in gewissem Grad auch in einem verformten Werkstück, wie beispielsweise einer
Zahnstange, eliminiert werden, bevor der Schritt zum Verhindern
des Verziehens durch Zwangskräfte
ausgeführt
wird.
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4 zeigt
eine Querschnitt-Vorderansicht der in 1 dargestellten
Vorrichtung senkrecht zur Länge
des Werkstücks,
wobei das Werkstück
im Bereich einer Druckeinrichtung dargestellt ist, die ein charakteristisches
Element der vorliegenden Erfindung ist. In dieser Zeichnung besteht
die Druckeinrichtung aus zwei Anpreßelementen 17 und 18 und anderen
Teilen. Die Anpreßelemente
sind mit der oberen Spannplatte 11 bzw. der unteren Spannplatte 12 verbunden
und bewegen sich zusammen mit den Spannplatten. In diesem Beispiel
wird eine Zahnstange als das Werkstück 1 im Abschreckprozeß so angeordnet,
daß der
Zahnabschnitt nach unten weist. Hierbei wird aufgrund der Symmetrie
des Werkstücks vorausgesetzt,
daß ein
Verziehen lediglich in Form einer Biegung in vertikaler Richtung
auftreten kann. Daher sind für
jede Druckeinrichtungen zwei Anpreßelemente an der oberen und
der unteren Seite des Werkstücks
angeordnet, so daß eine
Biegekraft nur in der vertikalen Richtung ausgeübt werden kann. D. h., in diesem
Beispiel sind insgesamt vier Anpreßelemente vorgesehen, wobei
zwei davon in den 1 und 4 durch die Bezugszeichen 17 und 18 und
die beiden anderen nur in 1 durch
die Bezugszeichen 19 und 20 dargestellt sind.
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Die Steuerung einer Druckkraft erfolgt
durch Ändern
des Anpreßhubs
der vorstehend erwähnten Elemente 17, 18, 19 und 20,
d. h. durch Ändern
ihrer Vorsprunglängen
in dem Zustand, in dem die Spannplatten geschlossen sind und ein
Werkstück
halten. Daher sollte das Anpreßelement
mit einer Vorschub-/Rückzugpositionseinstelleinrichtung
zum Einstellen eines Anpreßhubs
ausgestattet sein. Weil der einstellbare Bereich des Verstellweges
klein ist, z. B. innerhalb von 1 mm liegt, wird empfohlen, daß das Anpreßelement
einen Gewindemechanismus zum Einstellen kleiner Verstellwege aufweist,
wobei das Anpreßelement
durch eine Drehbewegung vorwärts und
rückwärts bewegt
werden kann. Die in den 1 und 4 dargestellte Vorrichtung
weist einen derartigen Mechanismus auf, wobei die Anpreßelemente
selbst Schrauben mit Sechskantkopf sind, die durch eine Drehbewegung
vorwärts-
und rückwärts bewegt
werden können.
Außerdem
bezeichnen die Bezugszeichen 21, 22, 23 und 24 in
der Zeichnung Sicherungsmuttern, die Befestigungen der Anpreßelemente
darstellen und die Anpreßelemente
in ihren geeigneten Drehpositionen sichern.
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Die in den 1, 3 und 4 dargestellte Vorrichtung
ist ein Beispiel der vorliegenden Erfindung, und die Erfindung ist
nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise
können
an Stelle von zwei Spannvorrichtungen, d. h. der oberen Spannvorrichtung 11 und
der unteren Spannvorrichtung 12 in 3, vier in 5 durch
die Bezugszeichen 31, 32, 33 und 34 bezeichnete
Spannplatten verwendet werden, die eine Druckkraft in der vertikalen
und in der horizontalen Richtung ausüben. Weil diese Vorrichtung
eine Druckkraft nicht nur in der vertikalen Richtung, sondern auch
in der horizontalen Richtung steuern kann, kann ein Verziehen effizienter
verhindert werden. Außerdem
ist es in der in 3 dargestellten
Vorrichtung mit zwei Spannplatten möglicherweise schwierig, das
Werkstück
aus den Spannplatten zu entnehmen, dieses Problem tritt jedoch bei
der Vorrichtung von 5 nicht
auf. In der in 5 dargestellten
Vorrichtung ist eine Querschnitt-Seitenansicht praktisch die gleiche
wie in 1, so daß sie nicht
erneut dargestellt wird. Außerdem
bezeichnen in 5 ähnlich wie
in den 1 und 3 Bezugszeichen 35 Vorsprünge, 36 Vertiefungen, 37 Kühlflüssigkeitsausspritzöffnungen
und 38 Kühlflüssigkeitszufuhrräume.
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In einem beliebig geformten Werkstück verzieht
sich das Werkstück
auf Grund seiner Symmetrieeigenschaften, anders als bei der vorstehend
erwähnten
Zahnstange, nicht nur in der vertikalen Richtung. In diesem Fall
sollten die Anpreßelemente
das Werkstück
in eine andere Richtung, z. B. senkrecht zur Werkstücklänge, drücken. Wenn
die Spannplatten aus den vier vertikalen und horizontalen Spannplatten 31, 32, 33 und 34 bestehen,
wie in 5 dargestellt,
kann ein Druck in eine beliebige Richtung ausgeübt werden, indem ähnlich wie
in 4 für jede der
vier Spannplatten ein Anpreßelement
bereitgestellt wird, obwohl sie in der Zeichnung nicht erneut dargestellt
sind. D. h. Druck kann nicht nur in die vertikale und die horizontale
Richtung ausgeübt
werden, d. h. in die Anpreßrichtungen
der einzelnen Anpreßelemente,
sondern durch eine Kombination der durch die vertikalen und horizontalen
Anpreßelemente
erzeugten Druckkräfte
auch in eine schräge
Richtung.
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Wenn die Spannplatten aus oberen
und unteren Spannplatten bestehen, wie in 3 dargestellt, können die Druckeinrichtungen
so konstruiert sein, daß sie
eine Kraft nicht nur in eine vertikale Richtung ausüben, wie
in 4 dargestellt, sondern auch
in andere Richtungen. 6 zeigt
eine Querschnitt-Vorderansicht eines Beispiels einer solchen Druckeinrichtung,
wobei ein Werkstück
senkrecht zu seiner Länge
dargestellt ist. Die Bezugszeichen 41 und 42 bezeichnen
in dieser Zeichnung eine obere bzw. eine untere Spannplatte, und
jeweils zwei Anpreßelemente
von Anpreßelementen 43, 44, 45 und 46 sind
mit einer Spannplatte verbunden. Weil diese Anpreßelemente
das Werkstück 1 in
verschiedene, um 90° beabstandete
Richtungen drücken
können, kann
durch eines oder zwei der Anpreßelemente
eine Kraft in eine beliebige Richtung ausgeübt werden.
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In jeder der vorstehend dargestellten
erfindungsgemäßen Härtungsvorrichtungen
sind die Druckeinrichtungen mit den Spannplatten verbunden, die
Druckeinrichtungen können
jedoch auch getrennt von den Spannplatten bereitgestellt werden. 7 zeigt eine Seitenansicht
eines Beispiels einer solchen Vorrichtung, wobei Druckeinrichtungen
in der Nähe
beider Seiten des in den Spannplatten 61 und 62 eingespannten
Werkstückabschnitts
angeordnet sind, wobei die Druckeinrichtungen Anpreßelemente 63, 64, 65 und 66 und
andere Teile aufweisen, die das Werkstück senkrecht zu seiner Längsrichtung
drücken,
in diesem Beispiel in eine vertikale Richtung. Die an einer unteren
Seite angeordneten Anpreßelemente 64 und 66 sind
in eine Halterungsbasis 67 eingeschraubt, an der die untere
Spannplatte 62 befestigt ist, so daß ihre vertikalen Positionen eingestellt
werden können.
Die Bezugszeichen 68 und 69 in den Zeichnungen
bezeichnen Pendelmuttern. Die an einer oberen Seite angeordneten
Anpreßelemente 63 und 65 sind
mit Hydraulikzylindern 71 und 72 verbunden, so
daß sie
gegen das Werkstück 1 gedrückt werden
können.
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Zum Steuern eines Anpreßhubs unter
Verwendung der vorstehend dargestellten Druckregelungseinrichtung
wird, wenn das Werkstück
nach unten gedrückt
werden soll, das untere Anpreßelement auf
eine Position unterhalb der den Spannplatten entsprechenden Position
abgesenkt, und dann wird das obere Anpreßelement durch den Hydraulikzylinder 71 oder 72 gedrückt. Wenn
das Werkstück
nach oben gedrückt
werden soll, wird das untere Anpreßelement auf eine Position
angehoben, die höher
ist als die den Spannplatten entsprechende Position, und das obere
Anpreßelement
wird zurückgezogen,
so daß es
freikommt. Dadurch wird eine nach oben gerichtete Druckkraft als
eine Reaktionskraft der Druckkraft der oberen Spannplatte 61 erhalten.
Bezugszeichen 70 in 7 bezeichnet
einen Hydraulikzylinder der Spannplatten.
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Die Vorrichtung von 7, bei der die Druckeinrichtungen und
die Spannplatten voneinander getrennt sind, ist aus dem Gesichtspunkt
des Leistungsvermögens
vorteilhafter als die vorstehend erwähnte Vorrichtung, bei der die
Druckeinrichtungen mit den Spannplatten verbunden sind, obwohl die
Vorrichtung kompliziert wird. D. h., in der Vorrichtung, bei der die
Druckeinrichtungen mit den Spannplatten verbunden sind, sollte die
Steifigkeit der Spannplatten ausreichend hoch sein, so daß sie sich
nicht verformen, weil die durch die Druckeinrichtung ausgeübte Druckkraft
manchmal wesentlich höher
ist als die Druckkraft der Spannplatten selbst, d. h. als die gegen
den zu härtenden
Abschnitt ausgeübte
Druckkraft. Bei der Vorrichtung von 7,
bei der die Druckeinrichtungen und die Spannplatten getrennt sind,
tritt dieses Problem nicht auf. Außerdem ist, weil die Druckeinrichtung
und die Spannplatten getrennt sind, der Freiheitsgrad im Betriebszustand
groß,
weil die Druckeinrichtung unabhängig
von den Spannplatten betätigt
werden kann.
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In der vorstehenden Erläuterung
von 7 dient die Druckregelungseinrichtung ähnlich wie
im vorstehenden Beispiel von 1 zum
Steuern des Anpreßhubs
der Anpreßelemente.
Wenn das Werkstück
in 7 nach unten gedrückt wird,
kann die Druckkraft jedoch auch gemäß einem anderen Druckregelungsverfahren
gesteuert werden, wobei das untere Anpreßelement 64 oder 66 zurückgezogen
wird, so daß es
freikommt, und dann das obere Anpreßelement 63 oder 65 durch
den Hydraulikzylinder 71 oder 72 mit einer vorgegebenen
Kraft gedrückt wird.
Außerdem
kann in der Vorrichtung von 7 eine
andere Druckregelungseinrichtung verwendet werden, wo bei Hydraulikzylinder
für alle
Anpreßelemente,
d. h. auch für
die unteren Anpreßelemente 64 und 66,
zum Steuern der Druckkräfte
durch Hydraulikdruck bereitgestellt werden. Daher wird in diesem Fall
der Anpreßhub
und/oder die Druckkraft durch die Druckregelungseinrichtung bei
jedem der Anpreßelemente
gesteuert.
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Im in 7 dargestellten
Beispiel üben
die Anpreßelemente
nur in der vertikalen Richtung Kräfte aus, natürlich können nach
Erfordernis auch Anpreßelemente
hinzugefügt
werden, die Kräfte
in die horizontale Richtung ausüben.
Jedes der in 7 dargestellten
vier Anpreßelemente 63, 64, 65 und 66 kann unter
bestimmten Bedingungen in der Vorrichtung weggelassen werden. Obwohl
die Spannplatten in 7 aus
einer oberen und einer unteren Spannplatte bestehen, kann auch ein
Satz aus vier Spannplatten verwendet werden, wie in 5 dargestellt ist.
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Durch die Funktionsweise der Druckeinrichtung
im erfindungsgemäßen Härtungsverfahren
wird ein Verziehen des Werkstücks
durch Ausüben
von Belastungen zum Kompensieren von im Werkstück auftretenden Verformungen
oder Dehnungen minimiert, wie vorstehend erwähnt wurde. Wenn ein vollständig gerades
Werkstück
durch die Spannplatten gehalten wird und die Köpfe der Anpreßelemente
das Werkstück
gerade berühren,
wird eine Druckkraft nur dann ausgeübt, wenn das Werkstück sich
in eine Richtung biegt, so daß es
durch die Anpreßelemente gedrückt wird.
Dann wird, wenn das Werkstückk
vollständig
gerade ist, keine Druckkraft mehr ausgeübt. Dadurch wird die gleiche
Wirkung erzielt wie in dem Fall, wenn an Stelle der Anpreßelemente
die Innenflächen
der Spannplatten entlang der Werkstücklänge erweitert würden. Dieses
Verfahren wird erfindungsgemäß ebenfalls
in Betracht gezogen, weil dieses Verfahren unter einigen Bedingungen
in Abhängigkeit
von der Werkstückform
effektiv sein kann. Die erfindungsge mäße Wirkung wird durch die Vorschubbewegung
der Anpreßelemente
erhalten, durch die das Werkstück
elastisch gebogen wird, auch wenn ein gerades Werkstück zwischen
den Spannplatten gehalten wird. D. h., obwohl das Werkstück in einem Zustand
gebogen wird, in dem es am Ende eines Abschreckprozesses weiterhin
zwischen den Spannplatten gehalten wird, kann ein gerades Produkt
erhalten werden, wenn die Spannplatten geöffnet werden und die Zwangskraft
freigegeben wird, so daß durch
Restspannungen erzeugte Verformungen kompensiert werden.
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Die 8(a) bis 8(d) dienen zum Erläutern der
Wirkung des erfindungsgemäßen Härtungsverfahrens,
bei dem Zwangskräfte
auf ein Werkstück ausgeübt werden,
wobei ein Werkstück
schematisch von seiner Seite dargestellt ist. Hierbei stellt das Werkstück 51 ein
Bedachtes verformtes Werkstück dar,
das nicht auf das in 2 dargestellte
Werkstück
beschränkt
sein soll, wobei das Werkstück
abgeschreckt wird, während
es durch die Spannplatten 52 und 53 eingespannt
gehalten wird. Wenn beispielsweise durch die Anpreßelemente 55 und 57 auf beiden
Seiten der Spannplatten 52 und 53 nach oben gerichtete
Druckkräfte
ausgeübt
werden, wie in 8(a) dargestellt
ist, wirkt eine durch die Pfeile in 8(b) dargestellte
Biegekraft auf das Werkstück. Wenn
die Druckkräfte
unter Verwendung der Anpreßelemente 54 und 56 in
die entgegengesetzte Richtung wirken, ist die Biegung natürlich entgegengesetzt.
Das Verfahren zum Verwenden von Anpreßelementen gemäß den 8(a) und 8(b) ist für das in 2 dargestellte profilierte oder verformte
Werkstück
geeignet, weil dieses Werkstück
sich tendenziell nur in eine Richtung biegt und krümmt.
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Wenn durch die Anpreßelemente 55 und 56 auf
beiden Seiten der Spannplatten 52 und 53 wechselseitig
entgegengerichtete Druckkräfte
ausgeübt werden,
wie in 8(c) darge stellt
ist, kann eine durch die Pfeile in 8(d) dargestellte
Biegekraft auf das Werkstück
ausgeübt
werden. Natürlich
kann eine Druckkraft auch durch ein nur an einer Seite der Spannplatten
angeordnetes Anpreßelement
ausgeübt
werden. Daher können
durch Kombinieren der Richtungen der durch die Anpreßelemente
ausgeübten
Druckkräfte
gemäß der Form
eines verformten Werkstücks
geeignete Biegekräfte
ausgeübt
werden.
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Wie vorstehend erläutert wurde,
können
die Anpreßbedingung
der Anpreßelemente
in der erfindungsgemäßen Härtungsvorrichtung
gemäß dem Profil,
gemäß dem sich
das Werkstück
während
des Abschreckvorgangs tendenziell verzieht, unterschiedlich gesteuert
werden. In einem realen Abschreckverfahren, in dem Zwangskräfte auf
das Werkstück
ausgeübt
werden, tritt ein Problem dahingehend auf, wie z. B. der Anpreßhub bestimmt
werden soll. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
daß viele Werkstücke mit
der gleichen Form behandelt werden, was dadurch erreicht werden
kann, daß Spannplatten
mit einer der Werkstückkontur
entsprechenden Innenflächenkontur
verwendet werden. Daher können
durch Ausführen
eines Abschreckvorgangs, während
dem Zustände
der Druckeinrichtungen durch ein Trial-and-Error-Verfahren aufeinanderfolgend
verändert
werden, Bedingungen zum Minimieren des Verziehens der Produkte bestimmt
werden. Als rationelleres Verfahren wird jedoch empfohlen, einen
Test-Abschreckvorgang auszuführen,
während alle
Druckeinrichtungen vom Werkstück
zurückgezogen
sind und nur durch die Spannplatten gehalten werden, und dann einen
geeigneten Abschreckvorgang auszuführen, während dem die Druckeinrichtungen
in eine Anpreßrichtung
verstellt und ein Anpreßhub
ausgeführt
oder eine Druckkraft ausgeübt wird,
um die beim Test-Abschreckvorgang auftretende Biegung zu kompensieren.
Obwohl eine Biegung im Werkstück
nach einem Härteprozeß nicht
immer durch nur einen Test-Abschreck vorgang minimiert werden kann,
kann eine optimale Bedingung durch eine einfache zusätzliche
Steuerung bestimmt werden.
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Beispiel
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Der Zahnstangenabschnitt eines Werkstücks mit
einem entlang eines Abschnitts eines Rohrabschnitts ausgebildeten
Zahnprofil (vgl. 2)
wurde gehärtet.
Das Material entsprach der Norm JIS S40C, d. h. Kohlenstoffstahl
für mechanische
Strukturen. Der Außen-
und der Innendurchmesser des Rohrs am kurzen Vollkreisabschnitt 4 betrugen
etwa 23 mm bzw. 19 mm, und der verformte Abschnitt, d. h. der Zahnst-angenabschnitt 3 hatte
die Querschnittsform eines abgeschnittenen Kreises, und die Längen des kurzen
kreisförmigen
Abschnitts und des verformten Abschnitts betrugen etwa 30 mm bzw.
270 mm. Die Länge
eines Abschnitts, in dem das Zahnprofil tatsächlich ausgebildet war, betrug
180 mm. Der Vollkreisabschnitt 2 hatte einen Außendurchmesser
von 25 mm, einen Innendurchmesser von 21 mm und eine Länge von
450 mm.
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Der profilierte oder verformte Abschnitt 3 des vorstehend
erwähnten
Werkstücks
wurde durch eine Induktionsheizspule auf eine Härtungstemperatur von 950°C erwärmt. Ein
Abschnitt in der Nähe
des Endes des kurzen Vollkreisabschnitts 4 befand sich nicht
im Erwärmungsbereich.
Dann wurde der erwärmte
Abschnitt durch eine Kühlwasserstrahl
abgeschreckt, während
zwischen den in den 1 und 3 dargestellten Spannplatten
eine Druckkraft ausgeübt wurde.
Die Druckkraft entsprach einer Elastizitätsgrenze bei einer Werkstücktemperatur
von 950°,
so daß das
Werkstück
nicht zusammengedrückt
wurde. Zu diesem Zeitpunkt waren die an beiden Seiten der Spannplatten
angeordneten Anpreßelemente 17, 18, 19 und 20 zurückgezogen
und vom Werkstück
getrennt.
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Nach dem vorstehend erwähnten Härtungsprozeß wurde
eine Biegung von 2,3 mm gemessen, wobei das Werkstück, während beide
Enden durch Klingenkanten gehalten wurden, gedreht wurde und eine
Ablenkung durch eine Meßuhr
oder ein Anzeigegerät
an einem Punkt in der Mitte zwischen beiden Enden gemessen wurde.
Der Grund für
die Biegung besteht darin, daß eine
Dehnung aufgrund einer Begrenzung der Druckkraft innerhalb einer
Elastizitätsgrenze
bei 950° nicht
unterdrückt
werden konnte und durch eine asymmetrische Abkühlgeschwindigkeit aufgrund
des profilierten oder verformten Werkstücks Restspannungen auftraten.
Das Erscheinungsbild der Biegung zu diesem Zeitpunkt war derart,
daß sich der
gezahnte Abschnitt an der Innenseite der Biegung befand.
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Dann wurde ein Härtungsprozeß unter Verwendung der in den 1 und 4 dargestellten Druckeinrichtungen ausgeführt, wobei
untere Anpreßelemente 18 und 20 an
der längeren
Vollkreisseite 18 und an der kürzeren Vollkreisseite 20 0,2
bzw. 0,3 mm hervorstanden. Die anderen Bedingungen, wie beispielsweise
die Heiztemperatur und die Druckkraft der Spannplatten, waren die
gleichen wie im vorstehend erwähnten
Fall. Dadurch wurde eine geringe Biegung von lediglich 0,04 mm erhalten,
wodurch die Wirkung der vorliegenden Erfindung deutlich wird.
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Wie vorstehend erläutert wurde,
kann durch das erfindungsgemäße Härtungsverfahren,
bei dem Zwangskräfte
auf ein Werkstück
ausgeübt
werden, das Verziehen eines verformten stangenförmigen Werkstücks beim
Abschreckvorgang verhindert werden, was in herkömmlichen Abschreckprozessen,
bei dem durch Spannplatten Zwangskräfte auf ein Werkstück ausgeübt wurden,
aufgrund von Restspannungen, der Begrenzung einer auf ein hohles
Werkstück ausübbaren Druckkraft
usw. nur schwer vollständig verhindert
werden kann. Daher kann das Verziehen beim Abschrecken in einer
Mengenfertigung profilierter oder verformter Elemente, wie beispielsweise
von Zahnstangen für
Automobile, im wesentlichen verhindert wer den. Die vorliegende Erfindung
ist nicht auf die vorstehend unter Bezug auf die Zeichnungen beschriebenen
Ausführungsformen
beschränkt.
Innerhalb des durch die beigefügten
Patentansprüche
definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung können Modifikationen
vorgenommen werden, ohne daß die
erfindungsgemäßen Vorteile
eingeschränkt werden.