Verfahren und Einrichtung zum thermischen Oberflächenhärten von metallenen Werkstücken

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Oberflächenhärten von metallenen Werkstücken, insbeson­dere von Wellenenden, mittels einer Laserquelle, bei dem ggf. unter Relativbewegung von Werkstück und Laser­quelle, die zu härtende Werkstückoberfläche bereichs­weise durch Laserstrahlung erwärmt wird. Erfindungsge­mäß wird die Laserstrahlung im wesentlichen gleichmä­ßig in einer Härtezone eingestrahlt, die sich in einer Hauptrichtung wenigstens annähernd über die gesamte zu härtende Werkstückoberfläche erstreckt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum thermischen Oberflächenhärten von metallenen Werk­stücken, insbesondere von Wellenenden, mit einer Laser­quelle zur Abgabe von Laserstrahlung auf die zu härten­de Werkstückoberfläche und ggf. mit Einrichtungen zur Relativbewegung von Laserquelle und Werkstück; erfin­dungsgemäß vorgesehene Spiegeleinrichtungen formen die von Laserquelle abgegebene Laserstrahlung zu einem flä­chigen Strahl um und richten diesen auf eine Härtezo­ne, die sich in einer Hauptrichtung wenigstens annä­hernd über die gesamte zu härtende Werkstückoberfläche erstreckt.
So wird eine wesentlich homogenere Erwärmung der Werks­tückoberfläche erreicht, die Härteschwankungen auf­grund übermäßiger oder mangelnder Aufhärtung aus­schließt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrich­tung zum thermischen Oberflächenhärten von metallenen Werkstücken der in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche angegebenen Art.

[0002] Das thermische Oberflächenhärten von metallenen Werk­stücken, insbesondere Wellenenden wird meist dann ein­gesetzt, wenn die Werkstücke für eine wirtschaftliche Härtung im Ofen zu groß sind oder ein Durchhärten zu lange dauert. Insbesondere für die Härtung von Wel­lenenden sind daher Anlagen entwickelt worden, mittels derer die Oberfläche durch einen fokussierten Laser­strahl erhitzt und gehärtet wird.

[0003] Bei solchen Anlagen wird das Werkstück (Wellenende) ge­dreht und gleichzeitig senkrecht zur Drehrichtung vor­geschoben; der punktförmige Laserstrahl beschreibt da­bei auf dem Umfang des Wellenendes eine spiralige oder streifenförmige Bahn und erzeugt eine entsprechende Aufhärtungszone. In Überlappungsbereichen kommt es da­bei zu einer weiteren Aufhärtung; zwischen den Bahn­windungen kann andererseits die Erwärmung unzureichend sein. Insgesamt wird ein oberflächig gehärtetes Wel­lenende erhalten, das periodische Inhomogenitäten der Oberflächenhärte aufweist.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine homogenere Oberflächenhärtung ermöglichen.

[0005] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.

[0006] Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß statt einer punktförmigen Erwärmung der Oberfläche ei­ne gleichmäßige Erwärmung in einer Härtezone erreicht wird, wobei sich die Härtezone in einer Hauptrichtung wenigstens annähernd über die gesamte zu härtende Werkstückoberfläche erstreckt. Wenn diese Härtezone nicht schon den gesamten zu härtenden Bereich abdecken kann, kann durch eine Relativbewegung von Werkstück und Laserquelle erreicht werden, daß die Härtezone ohne irgendwelche ungleichmäßigen Erwärmungen über die gesamte zu härtende Werkstückoberfläche wandert, bis die gesamte Oberfläche gleichmäßig gehärtet ist. Über­mäßige Aufhärtungen werden genauso vermieden wie zu ge­ringe Aufhärtungen.

[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Einrichtung sind in den Unteransprüchen definiert.

[0008] Insbesondere für zylindrische Wellenenden wird man vor­teilhaft vorsehen, daß die Härtezone ringartig über den Umfang verläuft, so daß ein einfacher Axialvor­schub der Welle die gleichmäßige Oberflächenhärtung des gesamten Wellenendes ermöglicht.

[0009] Dabei kann vorteilhaft vorgesehen werden, die zur Ein­strahlung der Laserstrahlung in die Härtezone dienen­den Spiegeleinrichtungen dauern unter Schutzgas zu hal­ten, was Verschmutzungen verhindert.

[0010] Für viele Härtereianwendungen muß der Laserstrahl nicht unbedingt fokussiert sein; die erfindungsgemäßen Maßnahme lassen sich so ohne weiteres für einen großen Bereich von Werkstückdurchmessern einsetzen. Die ge­wünschte Härte kann dadurch eingestellt werden, daß Werkstückdimensionen, Rotation und Translation des Werkstücks und Leistung des Lasers, üblicherweise ei­nes CO₂-Lasers, aufeinander abgestimmt werden. Da sich bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Ringspiegel, der die Laserstrahlung auf die Härtezone reflektiert, leicht auswechseln läßt, lassen sich zusätzliche Durch­messerbereiche abdecken.

[0011] Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläu­tert. Diese zeigt eine schematische Schnittansicht ei­nes Härtekopfs beim Härten eines Wellenendes.

[0012] Der Härtekopf 1 hat ein, beispielsweise im wesentli­chen zylindrisches, Außengehäuse 7, in dem Spiegelein­richtungen 2, 3, 5 angeordnet sind.

[0013] Das Außengehäuse 7 hat eine Öffnung, durch die ein oberflächig zu härtendes Wellenende 11 in das Innere des Härtekopfes 1 eingeführt werden kann.

[0014] Dieser Öffnung gegenüberliegend hat das Außengehäuse 7 eine weitere Öffnung 7′, durch die ein Laserstrahl 6 von einer nicht gezeigten Laserquelle außerhalb des Härtekopfes 1 in Pfeilrichtung eintritt. Wie die Zeich­nung veranschaulicht, fällt der Laserstrahl 6 entlang der Hauptachse des Wellenendes 11 ein.

[0015] Innerhalb des Außengehäuses 7 befindet sich ein Innen­gehäuse 8, das mittels Haltestangen 9 am Außengehäuse 7 befestigt ist.

[0016] Zwischen dem Innengehäuse 8 und dem Außengehäuse 7 ver­bleibt ein Raum, in dem die noch näher zu beschreiben­ den Spiegeleinrichtungen 2, 3, 5 angeordnet sind. In diesen Zwischenraum kann ein Schutzgas eingeführt wer­den, das Verschmutzungen der Spiegeleinrichtungen ver­hindert.

[0017] Die Spiegeleinrichtungen umfassen zunächst einen Kegel­spiegel 5, der so am Innengehäuse 8 befestigt ist, daß er mit seiner Kegelspitze auf der Hauptachse des Wellenendes 11 und damit auch des Laserstrahls 6 liegt. Der Kegelspiegel 5 wendet seine Kegelspitze der (nicht gezeigten) Laserquelle zu, die als handelsübli­che CO₂-Laserquelle ausgebildet ist und an der Öffnung 7′ des Außengehäuses angeflanscht werden kann.

[0018] Der Laserstrahl 6 trifft auf den Kegelspiegel 5 und wird auf dessen kegeligem Umfang auswärts abgelenkt. Im Ausführungsbeispiel ist der Kegelwinkel des Kegel­spiegels 5 so gewählt, daß diese Ablenkung unter einem rechten Winkel erfolgt. Der Laserstrahl bildet nach der Ablenkung durch den Kegelspiegel 5 eine ebene scheibenförmige Fläche senkrecht zur genannten Haupt­achse.

[0019] Radial weiter auswärts von der Hauptachse befindet sich im Außengehäuse 7 ein ringförmiger Umlenkspiegel 3 mit einer ebenen Spiegelfläche, die zur Hauptachse unter einem 45°-Winkel geneigt ist. Der vom Kegelspie­gel 5 kommende Strahl wird durch den ringförmigen Um­lenkspiegel 3 umgelenkt, so daß ein zylinderförmiger Hohlstrahl entsteht. Dieser läuft durch den Zwischen­raum zwischen Außengehäuse 7 und Innengehäuse 8 in Richtung auf das Wellenende 11 zu. Der Hohlstrahl trifft auf einen asphärischen Ringspiegel 2, der eben­falls im Außengehäuse 7 angeordnet ist und den Strahl einwärts auf das Wellenende 11 umlenkt. Dabei konver­giert der Strahl, so daß er den ringförmigen Umfangsbe­reich des Wellenendes 11, in den er fällt, stark erwär­men kann. Dadurch wird auf diesem Umfangsbereich eine Härtezone 10 gebildet, die sich ringartig geschlossen über den gesamten Umfang des Wellenendes erstreckt. An jedem Ort der Härtezone ist die einfallende Strahlungs­intensität und damit die Erwärmung gleich, da die Spie­geleinrichtungen 2, 3, 5 den einfallenden Laserstrahl 6 völlig gleichmäßig aufteilen und umlenken.

[0020] Nahe der den Eintritt des Wellenendes 11 in den Härte­kopf 1 gestattenden Öffnung treten Außengehäuse 7 und Innengehäuse 8 nahe zusammen, so daß ein Ringspalt 4 gebildet wird. Durch diesen Ringspalt 4 fällt der kon­vergierende Strahl vom asphärischen Ring- spiegel 2 auf die Härtezone. Die Ausbildung dieses relativ engen Ringspaltes 4 hat den Effekt, ein Durchströmen des Zwi­schenraumes zwischen Außengehäuse 7 und Innengehäuse 8 mit einem Schutzgas zu ermöglichen, um die Spiegelein­richtungen 2, 3, 5 vor Verschmutzungen zu schützen, ohne andererseits allzu viel Schutzgas zu verbrauchen. Gasverluste können weiter eingeschränkt werden, indem der Ringspalt 4 in nicht gezeigter Weise mit einem Ver­schluß, beispielsweise einem Lamellenverschluß verse­hen wird, der sich bei Einschalten der Einrichtung und damit Durchströmung mit Schutzgas öffnet und ansonsten geschlossen bleibt.

[0021] Im Betrieb wird das Wellenende 11 in Richtung seiner Hauptachse gleichmäßig in den Härtekopf 1 hineingescho­ben, so daß die Härtezone 10 ausgehend vom freien Ende der Welle über den gesamten zu härtenden Oberflächenbe­reich des Wellenendes 11 wandert. Die Vorschubgeschwin­ digkeit des Wellenendes 11 wird man so wählen, daß un­ter Berücksichtigung der Leistung der Laserquelle die gewünschte Aufhärtung erzielt wird.

[0022] Die Haltestangen 9, die Innengehäuse 8 und Außengehäu­se 7 verbinden, können aus Material bestehen, das für die Infrarotstrahlung des CO₂-Lasers nicht durchlässig ist. Das könnte zu Inhomogenitäten führen, indem ein Teil des Strahlengangs abgeschattet wird. Dies läßt sich jedoch leicht dadurch ausgleichen, daß das Wellenende 11 zusätzlich zu seiner Vorschubbewegung langsam gedreht wird.

[0023] Alternativ dazu läßt sich eine schattenfreie Härtezone dadurch erhalten, daß der ringförmige Umlenkspiegel 3 und asphärische Ringspiegel 2 mit periodischen Verzer­rungen bzw. Formabweichungen ausgebildet werden, die in Zahl, Position und Form auf die Haltestangen 9 abge­stimmt sind und die Schattenbildung vermeiden. In die­sem Fall müßte das Wellenende 11 nicht gedreht werden.

[0024] Eine weitere Alternative zur Vermeidung von Inhomogeni­täten in der Härtezone besteht darin, die Verbindungs­elemente zwischen Außengehäuse 7 und Innengehäuse 8 aus infrarotdurchlässigem Material auszubilden; bei­spielsweise läßt sich ein zylindrischer Abstands- und Haltering aus IR-durchlässigem Material (beispielswei­se Silizium) statt der Haltestangen 9 einsetzen.

[0025] Es versteht sich, daß sich die erfindungsgemäße Ein­richtung in vielen Punkten ohne weiteres abwandeln läßt. Die Ringspiegel lassen sich auswechselbar ausbil­den; insbesondere durch Auswechslung des asphärischen Ringspiegels gegen einen anderen mit anderer Spiegel­ flächenkrümmung läßt sich so leicht der Konvergenzgrad des Laserstrahls für andere Werkstückdurchmesser ein­richten. Außerdem muß der Strahlengang nicht notwendi­gerweise an Kegelspiegel 5 und Umlenkspiegel 3 recht­winklige Richtungsänderungen aufweisen.

Ansprüche

1. Verfahren zum thermischen Oberflächenhärten von metallenen Werkstücken, insbesondere von Wellenen­den, mittels einer Laserquelle, bei dem, ggf. unter Relativbewegung von Werkstück und Laserquelle, die zu härtende Werkstückoberfläche bereichsweise durch Laserstrahlung erwärmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung im we­sentlichen gleichmäßig in einer Härtezone einge­strahlt wird, die sich in einer Hauptrichtung wenig­stens annähernd über die gesamte zu härtende Werk­stückoberfläche erstreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Härtezone sich ringar­tig geschlossen über den Werkstückumfang erstreckt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Relativbewegung von Werkstück und Laserquelle erzeugt wird, deren Richtung normal zur Hauptrichtung der Härtezone ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Härtezone unter einem Schutzgas gehalten wird.

5. Einrichtung zum thermischen Oberflächenhärten von metallenen Werkstücken, insbesondere von Wellenenden, mit einer Laserquelle zur Abgabe von Laserstrahlung auf die zu härtende Werkstückoberfläche und ggf. mit Einrichtungen zur Relativbewegung von Laserquelle und Werkstück,
gekennzeichnet durch Spiegeleinrichtungen (2, 3, 5), die die von der Laserquelle abgegebene Laserstrahlung (6) zu einem flächig verbreiterten Strahl umformen und auf eine Härtezone (10) richten, die sich in einer Hauptrichtung wenigstens annähernd über die gesamte zu härtende Werkstückoberfläche erstreckt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle bezüglich des Werkstückes (11) so angeordnet ist, daß sie ihre Laserstrahlung (6) entlang einer gedachten Werkstück­achse abstrahlt, und daß die Spiegeleinrichtungen ei­nen in dieser Werkstückachse angeordneten Kegelspiegel (5) mit der Laserquelle zugewandter Kegelspitze umfas­sen, der die Laserstrahlung (6) auswärts in einer Scheibenfläche um die Werkstückachse ausbreitet, sowie einen in der Scheibenflächenebene angeordneten, zu die­ser geneigten, ringförmigen ebenen Umlenkspiegel (3), der die Laserstrahlung zu einem Hohlstrahl umformt, und einen weiteren ringförmigen, asphärischen Spiegel (2) umfaßt, der den Hohlstrahl konvergierend einwärts auf die Härtezone (10) reflektiert.

7. Einrichtung nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Relativbewegung von Werkstück (11) und Spiegeleinrichtungen (2, 3, 5) entlang der gedachten Werkstückachse sowie ggf. Ein­richtungen zur Relativverdrehung von Werkstück (11) und Spiegeleinrichtungen (2, 3, 5) um diese Werkstück­achse.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeleinrichtungen (2, 3, 5) in einem Außengehäuse (7) angeordnet sind, das eine Öffnung zum wenigstens teilweisen Eintritt des Werkstücks (11) aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (7) außer­dem eine Öffnung (7′) zum Eintritt der Laserstrahlung von der außerhalb des Außengehäuses (7) angeordneten Laserquelle aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung eines Schutzgases in das Außengehäuse (7).

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
gekennzeichnet durch ein im Außengehäuse (7) einwärts vom Strahlengang vorgesehenes Innengehäuse (8), das mit dem Außengehäuse (7) nahe der Härtezone (10) einen Ringspalt (4) bildet.

12. Einrichtung nach Anspruch 11,
gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung eines Schutzgases in den Raum zwischen Außengehäuse (7) und Innengehäuse (8).

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (4) mit ei­nem Verschluß, insbesondere einem Lamellenverschluß, versehen ist, der den Ringspalt (4) bei Nichtbetrieb der Härteeinrichtung absperrt und ihn bei Betrieb der Härteeinrichtung freigibt.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelspiegel (5) am In­nengehäuse (8) befestigt ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse (8) durch den Strahlengang querende Elemente (9) am Außengehäuse befestigt ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus einem für die Laserstrahlung durchlässigen Material bestehen und insbesondere einen Abstands- und Haltering aus IR-­durchlässigem Material umfassen.

17. Einrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Elemen­te (9) aus für die Laserstrahlung wenig oder nicht durchlässigem Material die Spiegeleinrichtungen, insbe­sondere die ebenen Umlenkspiegel (2, 3) in Strahlungs­richtung hinter den Elementen (9), periodische Verzer­rungen aufweisen, deren Anzahl und Position der der Elemente (9) entspricht und die die Schattenbildung durch die Elemente (9) ausgleichen.

Zeichnung