DE102009037379B4

DE102009037379B4 - Verfahren zur balligen Verformung einer Werkstückoberfläche und zugehöriges Werkstück

Info

Publication number: DE102009037379B4
Application number: DE102009037379.9A
Authority: DE
Inventors: Jürgen HAFNER; Niels Lange; Heribert Imkamp; Hubert Pelzel; Dieter Klottwig; Peter Pröll; Robert Kuda; Robert Stocker
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: Everllence SE
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: DE102009037379A1

Abstract

Verfahren zur balligen Verformung (5) einer ersten Oberfläche (1) eines Werkstücks (3) durch Erzeugen einer Vertiefung (4) in einer an die erste Oberfläche (1) angrenzenden zweiten Oberfläche (2) des Werkstücks (3), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberfläche (2) des Werkstücks (3) im Bereich der Vertiefung (4) verfestigt wird, bevor die Vertiefung (4) erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur balligen Verformung einer Oberfläche eines Werkstücks durch Erzeugen einer Vertiefung in einer an diese Oberfläche angrenzenden Oberfläche sowie ein Werkstück mit einer balligen Verformung einer Oberfläche, die durch ein solches Verfahren erzeugt worden ist.
Insbesondere, um das Tragbild von hochbelasteten Kontaktflächen zu verbessern und Kerbwirkungen und Spannungsspitzen an tragenden Kanten zu reduzieren, ist es bekannt, Oberflächen eines Werkstücks im Bereich von Kanten ballig auszubilden, i. e. mit einer konvexen Krümmung zu versehen.
Neben einer aufwendigen spanabhebenden oder schleifenden Bearbeitung der Oberfläche mit profilierten oder konturgesteuerten Werkzeugen ist aus der US 4,567,695 A eine plane Bearbeitung eines elastisch verformen Werkstückes bekannt, so dass das Werkstück nach elastischer Rückdeformation eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
Weitere Verfahren zur Verformung von Oberflächen, wie beispielsweise zum Innenschleifen von Rohren, sind etwa in der US 4,290,236 A erwähnt.
Auch die DE 578 113 A beschreibt bereits eine Einrichtung zum Ballig- oder Hohlschleifen von Walzen oder ähnlichen Werkstücken.
Aus der DE 198 17 632 C1 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Die Druckschrift schlägt vor, in der Stirnfläche eines rotationssymmetrischen Werkstückes aus Stahl, beispielsweise eines Bolzens, Zahnrades, Lagerblocks oder Gleitlagers, eine konzentrische Vertiefung zu erzeugen, die eine gehärtete Randschicht des einsatzgehärteten Stahl-Werkstückes durchdringt. Durch das Härten der Randschicht entstandene Druckspannungen werden durch Ausweichen von Material in Richtung der Vertiefung abgebaut. In der Folge senkt sich die Manteloberfläche an der Kante zur Stirnseite ab und erhält eine ballige Form.
Obwohl somit durch spanabhebendes Drehen der konzentrischen Vertiefung in rotationssymmetrischen Stahl-Werkstücken kostengünstig und reproduzierbar ballige Mantelflächen erzeugt werden können, ist das bekannte Verfahren verbesserungswürdig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Werkstück mit einer ballig verformten Oberfläche zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnendes Merkmal weitergebildet. Anspruch 9 stellt ein Werkstück mit einer erfindungsgemäß erzeugten balligen Verformung unter Schutz. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im Gegensatz zur Lehre der eingangs erläuterten DE 198 17 632 C1 , die eine einsatzgehärtete Randschicht voraussetzt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine zweite Oberfläche des Werkstücks, die vorzugsweise in einer Kante an eine erste Oberfläche des Werkstücks angrenzt, zunächst zu verfestigen. Hierdurch werden ebenfalls Druckspannungen in der Randschicht der zweiten Oberfläche induziert, die sich in Richtung einer anschließend in der zweiten Oberfläche erzeugten Vertiefung abbauen und dabei eine bereichsweise Absenkung der angrenzenden ersten Oberfläche, insbesondere längs deren Kante zur zweiten Oberfläche, bewirken und so zu der gewünschten balligen Verformung der ersten Oberfläche führen.
Durch die Verfestigung, insbesondere eine mechanische Verfestigung, können somit erfindungsgemäß auch im Bereich der Vertiefung in der zweiten Oberfläche zuvor nicht gehärtete oder nicht härtbare Werkstücke, insbesondere Werkstücke aus Gusseisen oder einem Nichteisenmetall, ballig verformt werden.
Ein weiterer Vorteil kann darin liegen, dass im Gegensatz zu dem bekannten Einsatzhärten durch mechanische Oberflächenverfestigung die Druckspannungen gezielt und bereichsweise vorgegeben werden können, beispielsweise durch Begrenzung des mechanisch bearbeiteten Bereichs.
Zur mechanischen Verfestigung kann die zweite Oberfläche wenigstens im Bereich der Vertiefung insbesondere kaltverformt, beispielsweise kugelgestrahlt, gewalzt und/oder geschmiedet werden, bevor die Vertiefung erzeugt wird. Durch Wahl von Parametern der Kaltverformung, beispielsweise der Kugelgröße und -geschwindigkeit beim Kugelstrahlen, des Walz- oder Schmiededruckes und/oder der Walz- oder Schmiededauer und/oder -richtung, können wiederum vorteilhaft die Druckspannungen gezielt und bereichsweise vorgegeben werden.
Durch die Vorgabe des Abstandes von der ersten Fläche und/oder Vorgabe der Kontur der Vertiefung kann die erreichte balligen Verformung gezielt vorgegeben werden. Je näher beispielsweise die Vertiefung an einer Kante zwischen erster und zweiter Oberfläche angeordnet wird, desto stärker wird die erzeugte Balligkeit bzw. Krümmung. Je tiefer die Vertiefung in das Werkstück hineinreicht, desto weiter erstreckt sich der abgesenkte, ballige Bereich.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Vertiefung nur längs eines Teils einer Kante zwischen der ersten und der zweiten Fläche erzeugt. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, die Kante gezielt in Bereichen ballig zu verformen, in denen Spannungsspitzen durch scharfe Kanten reduziert oder das Tragbild verbessert werden soll, während andere Bereiche der zweiten Oberfläche nicht durch die Vertiefung geschwächt bzw. andere Bereiche der ersten Oberfläche nicht verformt werden. Insbesondere durch Kombination eines vorgegebenen Abstandes zur ersten Oberfläche, einer Kontur und einer Erstreckungslänge der Vertiefung längs der Kante kann so die Balligkeit gezielt eingestellt werden.
Mit Vorteil kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Werkstücken eingesetzt werden, deren erste Oberfläche im Wesentlichen eben ist, beispielsweise bei Druckplatten oder Kontaktflächen von Schwinghebeln.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert,
1: eine Kipphebel nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in seitlicher Teilansicht; und
2: den Kipphebel nach 1 längs deren Schnittlinie II-II.
1, 2 zeigen ausschnittsweise einen Kipp- oder Schwinghebel 3 aus Gusseisen mit einer Bohrung zur Lagerung des Hebels auf einem Bolzen (nicht dargestellt).
Der Hebel stützt sich im Betrieb aufgrund der Hebelverhältnisse der an ihm angreifenden Kräfte hauptsächlich mit dem in 1 rechten Bereich der Innenmantelfäche 1 seiner Bohrung an dem Bolzen ab. Daher soll insbesondere im Bereich der Kante zwischen der Innenmantelfläche 1 der Bohrung, die eine erste Oberfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet, und der Stirnfläche 2 des Hebels 3, die eine zweite Oberfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet, die Innenmantelfläche 1 einen ballig verformten Bereich 5 aufweisen, der in 2 stark überzeichnet dargestellt ist.
Hierzu wird der in 2 rechte Sektor der Stirnfläche 2 im Bereich längs der Kante zwischen ihr und der Innenmantelfläche 1 kugelgestrahlt, dabei kaltverformt und hierdurch oberflächenverfestigt. Anschließend wird in diesem Bereich längs des in 1 rechten Teils der kreisförmigen Kante zwischen Innenmantelfläche 1 und Stirnfläche 2 in vorgegebenem radialen Abstand zu der Kante spanend eine Vertiefung in Form einer Nut 4 erzeugt, deren Kontur im Wesentlichen der Kante folgt.
Dadurch können sich Druckspannungen, die durch das vorhergehende Kugelstrahlen in der Stirnfläche 2 aufgebaut wurden, in Richtung der Nut 4 abbauen und führen so zu der gewünschten balligen Verformung 5 der Innenmantelfläche 1.
Durch die lokal gut begrenzbare Kaltverformung und die Ausbildung der Vertiefung 4 nur längs eines Teils der Kante zwischen Innenmantelfläche 1 und Stirnfläche 2 sowie die Wahl von Kugelgröße und -geschwindigkeit beim Kugelstrahlen kann einerseits die erzielte Balligkeit vorgegeben und andererseits eine Schwächung des Werkstücks 1 in anderen Bereichen, insbesondere dem in 1 linken Sektor der Stirnfläche 2 vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Innenmantelfläche (erste Oberfläche)
2: Stirnfläche (zweite Oberfläche)
3: Kipphebel (Werkstück)
4: Nut (Vertiefung)
5: ballige Verformung

Claims

Verfahren zur balligen Verformung (5) einer ersten Oberfläche (1) eines Werkstücks (3) durch Erzeugen einer Vertiefung (4) in einer an die erste Oberfläche (1) angrenzenden zweiten Oberfläche (2) des Werkstücks (3), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberfläche (2) des Werkstücks (3) im Bereich der Vertiefung (4) verfestigt wird, bevor die Vertiefung (4) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberfläche (2) des Werkstücks (3) im Bereich der Vertiefung (4) mechanisch verfestigt wird, bevor die Vertiefung (4) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberfläche (2) des Werkstücks (3) im Bereich der Vertiefung (4) kaltverformt wird, bevor die Vertiefung (4) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberfläche (2) des Werkstücks (3) im Bereich der Vertiefung (4) kugelgestrahlt, gewalzt und/oder geschmiedet wird, bevor die Vertiefung (4) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (3) im Bereich der Vertiefung (4) nicht gehärtet wird, bevor die Vertiefung (4) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand von der ersten Oberfläche (1) und/oder eine Kontur der Vertiefung (4) auf Basis der zu erzielenden balligen Verformung (5) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (4) nur längs eines Teils einer Kante zwischen der ersten und der zweiten Fläche erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (4) den verfestigten Bereich der zweiten Oberfläche (2) durchdringt.
Werkstück (3) mit einer ersten Oberfläche (1) und einer an diese angrenzenden zweiten Oberfläche (2), wobei die erste Oberfläche (1) eine ballige Verformung (5) aufweist und die zweite Oberfläche (2) verfestigt ist und eine Vertiefung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die ballige Verformung (5) der ersten Oberfläche (1) durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt worden ist.
Werkstück nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens in dem Bereich der Vertiefung (4) aus Gusseisen oder einem Nichteisenmetall hergestellt ist.
Werkstück nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oberfläche im Wesentlichen eben ist.