DE1951063B - Verfahren zur Herstellung von hochbeanspruchbaren Großkurbelwellen - Google Patents

Description

hergesellt wird, daß zwei halbe Kurbelhübe vorzugsweise mit dem Unterpulver-Schweißverfahren zum Kurbelhub verbunden werden, der dann vergütet und die Gesamtkurbelwelle spannungsfrei geglüht wird.

Im einzelnen ist zu diesen Verfahrensschritten und ihren Kombinationen empfehlend folgendes zu erwähnen:

Der Rohblock soll bei der Verformung zum Rundstab eine mindestens zweifache vorzugsweise eine drei- bis vierfache Verschmiedung erfahren. Dadurch tritt eine gleichmäßige Bündelung der Fasern

Es ist vorteilhaft, die vier TeUe eines Hubes aus dem Rundstab auf dieselbe Gestalt und dieselben Abmessungen warmzuverformen. Dabei kann man mit nur einem Gesenk auskommen. Bei dieser Warmverformung kann man am Übergang vom Zapfenteil zum Wangenteil eine stark ausgerundete, taschenförmige Vertiefung in das Wangenteil eindrücken. Diese Herstellung einer die Beanspruchbarkeit außerordentlich steigernden Gestaltung ist bei den gegebenen Verhältnissen der Teilstücke besonders einfach, so daß eine Herstellung z. B. durch Zerspanen, die an sich nicht ausgeschlossen sein soll, sich vermeiden läßt.

Zweckmäßig werden die Verbindungsflächen der Zapfenteile vor ihrem Verschweißen mit einer Pufferschicht belegt. Das Auftragen solcher Pufferschichten mittels einer oder mehrerer Lagen von Schweißwerkstoff ist an sich bekannt. Die Dicke der Pufferschicht soll im vorliegenden Fall ausreichen, um thermische Auswirkungen auf den Zapfenwerkstoff bei der folgenden zur Verbindung der Zapfenteile miteinander vorgenommenen Schweißung zu verhindern. Das Zusammenschweißen von Einzelteilen ist auf dem Gebiet der Anmeldung bekannt.

Die Qualität der Kurbelwelle wird wesentlich gesteigert, wenn nach dem Zusammenschweißen die Zapfenteile und/oder Übergangsstellen der Zapfenteile zu den Wangen mit geeigneten Auftragsschweißungen versehen werden. Dabei kann es von Vorteil sein, die Auftragsschweißung im Zapfenteil unterschiedlich tief in den Stahl des Zapfenteils hineinreichen zu lassen. Das Auftragsschweißen ist insbesondere für Reparaturzwecke auf dem Gebiet der Anmeldung bekannt.

Die Wärmebehandlung, insbesondere ein Verguten, wird im Falle der vorliegenden Erfindung zweckmäßig auf die Einzelhübe vor dem Zusammenfügen der Welle vorgenommen. Nach der Verbindungsschweißung der Hübe untereinander sollte lediglich eine thermische Nachbehandlung unterhalb der Anlaßtemperatur vorgenommen werden. Das Wärmebehandeln nach dem Schweißen gehört auf dem Gebiet der Anmeldung zum Stand der Technik.

Es empfiehlt sich besonders, für die Schweißverbindung der Wangenteile und/oder Hübe einen Zusatzwerkstoff zu verwenden, der in seinen technologischen Eigenschaften, vorzugsweise in der Streckgrenze, dem Grundwerkstoff überlegen ist. Als ein solcher Zusatzwerkstoff für die Verbindungsschweißung hat sich insbesondere ein solcher mit

0,05 bis O,6O°/o Kohlenstoff, 0,20 bis 1,0°/o Mangan, ■;'■ 0,30 bis 1,0% Silizium,

0.50 bis 2,0"/ο Chrom,

0,30 bis 2,5 %> Molybdän,
0,20 bis 0,70 Vo Vanadium,
0,30 bis 1,0% Wolfram.
Rest Eisen,
erwiesen.

Für die Auftragsschweißung werden bevorzugt solche Werkstoffe verwendet, die plastischer und verfestigungsfähiger sind als der Grundwerkstoff. Insbesondere ist dies ein Stahl mit

o 0,05 bis 0,30·/. Kohlenstoff,

η 70 hi- Λβ/_Β
JgJ Jg $ *

0,30 tos 1.9
eisen.

Zur weiteren Gütesteigerung kann ein an sich bekanntes Prägepolieren angewendet werden, das hier auf den Zapfen und/oder den Übergangsbereich ao vom Zapfen zum Wangenleil angewendet wird. Be< den Übergangsflächen (Taschen) kann das Prägepolieren auch mit Vorteil durch ein punktförmiges Oberfiächenveidichten, insbesondere mit feinen Stahlkugeln, ersetzt werden.

Das neue Verfahren hat eine große Anzahl von Vorteilen, von denen einige nachstehend angegeben werden.

Vorteile des Verfahrens bestehen darin, daß für die Herstellung eroßer Kurbelwellenschmiedungen nicht mehr übergroße Blockformate herangezogen werden müssen, ferner hohe, vorzugsweise drei- bis vierfache Verschmiedungsgrade vorliegen, wodurch optimale technologische Eigenschaften gewährleistet sind. Der Vorteil kleinerer Blockformate bringt bekanntlich günstigere Kristallisations- und Seigerungsverhältnisse mit sich und damit bessere dynamische Eigenschaften der ganzen Welle im Endzustand. Ferner ist die Gewähr gegeben, daß durch das Gesenkschmiedeverfahren, welches bevorzugt angewendet wird, eine bessere Lage der Faser im Wangenteil sichergestellt ist.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, zur Verbindung einzelner Hubteile zu Hüben bzw. ganzer Hübe zu Hubgruppen hochwertige Zusatzwerkstoffe einzusetzen, die völlig seigerungsfrei und faserlos den Eigenschaften des Grundwerkstoffes in technologischer Hinsicht erheblich überlegen sind. Falls vor der Wärmebehandlung der einzelnen Hubteile eine Pufferung der Stirnflächen erfolgt bzw. die thermische Beeinflussung der Ubergangsbereiche durch die Wärmebehandlung völlig aufgehoben wird, ist es möglich, über die gesamte Verbindung hinweg die Gütewerte des Grundwerkstoffes immei zu gewährleisten und in der Nahtstelle, beding¹ durch den hochwertigeren Zusatzwerkstoff, gegebenenfalls überlegene Daten zu erzielen.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht in de Tatsache, daß der gesamte Lager- und Hubzapfen bereich einschließlich des Übergangsgebietes zu Wange hin in breiter Fläche eine in sich geschlossen Deckschweißung unter Verwendung eines Sonder Werkstoffes erfährt. Dieser Werkstoff läßt sich her vorragend verdichten, kommt zu hohen Verfesti gungen im Bereich kritischer dynamischer Be lastungszonen und bietet damit eine Gewähi für di weitestgehende Unempfindlichkeit gegen Dauei anrisse. Durch unterschiedlich aufzubringend Schichtstärken in den dynamisch besonders hoc

beanspruchten Gebieten vom Zapfen zur Wange und die Verbindungsschweißungen 8 und dann 7

können entsprechend dieser Notwendigkeit beson- durchgeführt. Alsdann wurden die Stirnflächen 9

ders tiefgehende Verfestigungen durch Prägepolieren und 10 der äußeren Hubteile 3 und 4 mit Puffer-

od. dgl. erzielt werden. zonen versehen, deren Stärke 10 bis 20 mm betrug.

Wesentliche Vorteile liegen auch in der gewähl- 5 Ein derart zusammengebauter Hub wird der vorten Gestaltung der zusammenzuschweißenden Teile geschriebenen Vergütungsbehandlung unterworfen der Hübe, da sich daraus die Möglichkeit einer ein- und dann auf seine Fehlerfreiheit und technologifachen und sicheren Herstellung mit einem opti- sehen Eigenschaften hin überprüft. Der Zusammenmalen Faserverlauf ergibt. bau der so vorgefertigten und vergüteten Hübe zu

Zur Sicherung des technischen Erfolges sind io ganzen Welleneinheiten wird durch die Verbin-Werkstoffe entwickelt, die einmal von sich aus hohe dungsschweißung 11 im Bereich der Zapfenflächen 9 dynamische Eigenschaften besitzen und daher als und 10 vorgenommen. Hieran anschließend erfolgte Grundwerkstoffe für Kurbelwellen eingesetzt wer- die thermisch besonders gesteuerte Entspannungsden. Als Pufferwerkstoff für die späteren Verbin- behandlung unterhalb der Anlaßtemperatur auf indungsschweißungen sind Legierungen vorgesehen, 15 duktivem Wege. Durch Prägepolieren werden in den die eine gute Verträglichkeit zum Grundwerkstoff vorgesehenen Gebieten 12 und 13 der F i g. 2 hohe besitzen, darüber hinaus von sich aus nach einer plastische Verformungen aufgebracht, die einmal die auf den Grundwerkstoff abgestimmten Wärme- gesamte Oberfläche verfestigen, verdichten und behandlung technologische Eigenschaften aufweisen, darüber hinaus ausreichende Druckspannungen in die, komplex betrachtet, denen des Grundwerkstoffes ao den Gebieten erzeugen, in denen beim Vorhandennoch überlegen sind. Eine weitere Eigenschaft dieser sein von Zug- oder Wechselbeanspruchungen AnStähle ist die Fähigkeit, bei ihrer erneuten Auf- risse zu erwarten und Dauerbrüche zu befürchten Schmelzung und der Zufuhr artgleichen Zusatz- sind.

stoffes ohne Vergütungsbehandlung optimale Güte- Werkstoffmäßig geben die F i g. 3 bis 6 Auskunft werte zu liefern, die die des vergüteten Zustandes 25 über einen als Beispiel gewählten Stahl, einen dazu hinsichtlich der Streckgrenze und Festigkeit über- passenden Schweißzusatzwerkstoff und die zur Beragen. Auch die Kerbschlagzähigkeit dieses Werk- einflussung beider gewählten Behandlungsmaßstoffes ist der des Grundwerkstoffes überlegen. nahmen.

Unter diesen Gegebenheiten ist mit stark erhöhten Als Grundwerkstoff wird ein Stahl mit 0,45%

Dauerfestigkeitswerten des Verbindungswerkstoffes 30 Kohlenstoff, 0,35% Silizium und 0,70% Mangan

zu rechnen, und damit sind die Gefahren für An- verwendet. Er besitzt nach der Abkühlung aus der

risse und Brüche gebannt Neben völliger Seige- Schweißwärme die in F i g. 3 dargestellte Härtespitze

rungsfreiheit, äußert feinem Primär- und Sekundär- im thermischen Übergang und ein weitgehend mar-

korn ist eine ausreichende Neigung zur Kaltverfesti- tensitisches Gefüge. Die Verschweißung wurde mit

gung vorhanden. 35 einem Stahl nachstehender Zusammensetzung durch-

Nachdem die Verfahrensschritte bekannt sind, geführt: 0.05% Kohlenstoff, 0,60% Silizium, 0,75%

können sie einzeln nicht von selbständiger, patent- Mangan, 2,0% Chrom und 1,0% Molybdän. Nach

fähiger Bedeutung sein. Auch die Wahl des Grund- einer Vergütungsbehandlung von 850° öl und 650°

Werkstoffes und der Schweiß-Zusatzwerkstoffe bleibt Luft lag in der Verbindung der Zustand gemäß

auf Grund des allgemeinen Standes der Technik 40 Fig. 4 vor. In Zahlen ausgedrückt bedeutet dies,

außerhalb dessen, was geschützt sein soll. daß die Härtespitzen von 110 kp/mm² durch die

Zur weiteren Erläuterung wird das erfindungs- Vergütungsbehandlung auf 70 kp/mm² abgebaut

gemäße Verfahren an Hand der Zeichnungen dar- worden sind und die reine Schweiße eine Festigkeit

gestellt, und zwar zeigen die Fig. 1, 2 und 7 je eine von 71 kp/mm² aufweist. Damit ist eine gute Über-

teilweise geschnittene Ansicht eines Kurbelhubes, 45 einstimmung der Festigkeiten zwischen Grundwerk-

während die Fig. 3 bis 6 technologische Eigen- stoff und Schweiße vorhanden. Wird nun die

schäften der Werkstoffe nach den verschiedenen Schweiße getrennt so daß beiderseits der Trennung

durchgeführten Behandlungen erkennen lassen. eine Schicht von 8 mm verbleibt, und werden die

Aus einem entsprechenden Rohblock waren mit Trennflächen im Abstand von 20 mm zueinander genügendem Verschmiedungsgrad Rundstäbe für die 50 ausgerichtet einer erneuten Verschweißung und Ent-Hubteile 1, 2, 3 und 4 bei entsprechender Länge Spannungsbehandlung bei 550° unterworfen, so ist auf Untermaß von 5 bis 30mm gebracht worden. ein Härteverlauf gemäß Fig. 5 vorhanden. Die Alsdann erfolgte das Einsetzen eines Stabendes, aus Festigkeit liegt nun um 12 Wmm² über der des dem ein Zapfenteil 6 werden soll, in ein entspre- Grundwerkstoffes. Ein solcher Zustand ist dann anchendes Gesenk, wobei 30 bis 70% der Stablänge, 55 zustreben, wenn sowohl die Streckgrenze als auch je nach Wangenabmessungen und Form, über das sämtliche Verformungswerte des Zusatzwerkstoffes Gesenk hinausragen können. Alsdann erfolgte das denen des Grundwerkstoffes überlegen sein sollen, Beischmieden des Wangenteiles5 aus diesem über- was auch anzustreben ist Wenn z.B. die höchsten stehenden Stabteil. Nach dem Abkühlen ist eine Kerbschlagzäbigkeitswerte am Grundwerkstoff in sorgfältige Werkstoffkontrolle unter Einsatz aller 60 Längsrichtung 7 kp/mm² betrugen, wurden sie im entsprechenden Verfahren auf Dichte und Fehler- Schweißgut mit 17 kp/m/cm² ermittelt Gemäß freiheit durchzuführen. Danach wird eine Auftrags- Fig. 6 ist die Auftragsschweißschicht unter Ausschweißung unter Verwendung eines Sonderwerk- nutzung ihrer Verfestigungsfähigkeit behandelt worstoffes vorgenommen, und zwar in den Bereichen 5 den, so daß ihre Festigkeit auf 92 kp/mm² gesteigert und 6, die vorher auf Untermaß geschmiedet worden 65 ist, was beispielsweise durch kaltplastische Verforwaren. Nach dem Auftragsschweißen wird das Zu- mung von 10% durch Prägepolieren der Decksammenfügen dieser entsprechend behandelten Hub- schicht erzielt wird. In diesem Zustand befindet sich teile zu einem geschlossenen Hub vorgenommen die gesamte Zapfenoberfläche und der kritische

Wangenteil ia einem günstigen Druckvorspannungszustand. Selbst sehr hohe Belastungen des gesamten Wellenquerschnittes werden in der äußeren Zone hinsichtlich der Dauerbiegebeanspruchungen immer als Schwellbelastung im Druckgebiet und nicht als Wechselbelastung mit einem gefährlichen Übergang in das Zuggebiet verbunden sein. Auch hohe Tor-

sionsbeanspruchungen können sich nicht schädlich auswirken, da der Druckvorspannungszustand auch hier eine günstige Voraussetzung zur Bruchvermeidung darstellt

Mit 14 sind in F i g. 7 die stark ausgerundeten, eingedrückten, taschenförmigen Vertiefungen bezeichnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Bei den höher belastbaren Kurbelwellen hat man Patentansprüche: Einzelhübe geschmiedet, die wie die Stahlgußhübe zu ganzen Wellen zusammengefügt und geschrumpft

1. Verfahren zur Herstellung von hochbean- wurden. Um bessere technologische Werte im Werkspruchbaren Großkurbelwellen von 300 bis 5 stoff und damit eine höhere Belastbarkeit ganzer 1000 mm Zapfendurchmesser und darüber, aus- Wellen erzielen zu können, wurde das Faserflußgehend von geschmiedeten Stahleinzelteilen, die schmieden entwickelt und immer mehr verbessert, zu einem Kurbelhub und die Kurbelhübe zur Nach diesem Verfahren werden bekanntlich die in fertigen Kurbelwelle durch Schweißen verbunden großen Blöcken mehr oder weniger stark vorhande- und die Schweißstellen wärmebehandelt werden, io nen Seigerungslinien mit der beim Schmieden sich dadurch gekennzeichnet, daß aus an bildenden Faser den Hubformen entsprechend umsich bekanntem, durchgeschmiedetem, etwa dem gelegt. Hierdurch wird die bekannte Tatsache ge-Zapfendurchmesser entsprechendem Rundmate- nutzt, daß Längswerte in Schmiedestücken den rial, das auch kleiner als der Zapfendurchmessei' Querwerten allgemein überlegen sind.

sein kann, pro Kurbelhub vier bevorzugt gleich 15 Bei zusammengebauten und geschrumpften Kurbelgroße Einzelteile geschmiedet werden, die je ein wellen stellen die Schrumpfspannungen in den Zapfenteil und ein gestauchtes Wangenteil um- Wangen eine Belastung des Werkstoffes in Querfassen und wobei die Stoßflächen der Wangen- richtung dar, da beim Ausbohren der Wangen die teile schräg liegen, daß ein halber Kurbelhub Faser in Querrichtung angeschnitten werden muß. vorzugsweise mit dem Elektroschlacke-Schweiß- 20 Man trägt diesem Punkt dadurch Rechnung, daß verfahren hergestellt wird, daß zwei halbe man die "Querschnitte in den Wangen entsprechend Kurbelhübe vorzugsweise mit dem Unterpulver- groß und damit die spezifischen Beanspruchungen Schweißverfahren zum Kurbelhub verbunden für den Werkstoff klein hält. Diese aus technowerden, der dann vergütet und die Gesamt- logischer Sicht erforderlichen Notwendigkeiten bekurbelwelle spannungsfrei geglüht wird. a₅ dingen jedoch unerwünscht höhere Kurbelwellen-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- gewichte und damit größere Blockeinsatzgewichte, kennzeichnet, daß am Übergang vom Zapfenteil Außerdem können nur Kurbelwellen mit relativ zum Wangenteil eine stark ausgerundete, taschen- langen Hüben geschrumpft werden, da zwischen förmige Vertiefung (14) in das Wangenteil ein- dem Hub- und Lagerzapfen ein ausreichend breiter gearbeitet, bevorzugt warm eingedrückt, wird. 30 und tragender Werkstoffsteg verbleiben muß.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Ein entscheidender Faktor für die Dauerhaltbargekennzeichnet, daß die Verbindungsflächen der keit ganzer Kurbelwellen und damit für ihre Gestalt-Zapfenteile vor ihrem Verschweißen mit einer festigkeit ist der Ausrundungsradius vom Kurbelan sich bekannten Pufferschicht belegt werden. zapfen zur Wange. Hinsichtlich der Zapfendurch-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 35 messer sina die Grenzen bei einteilig geschmiedeten bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nacn dem Kurbelwellen allgemein und beim Faserfluß-Zusammenschweißen die Zapfenteile und/oder schmieden im besonderen auch nicht beliebig zu erÜbergangsstellen der Zapfenteile zu den Wangen weitern. Einmal sind es die Blockgewichte und zum mit Auftragsschweißungen versehen werden. anderen die Schmiedeeinrichtungen, die eine Steige-

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 40 rung in der Größe ganzer Kurbelwellen oder auch bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen Hübe nicht mehr zulassen. Was die Dauerhaltbar- und/oder der Übergangsbereich vom Zapfen keit anbetrifft, ist der Ubergangsbereich vom Zapfen zum Wangenteil, wie an sich bekannt, präge- zur Wange wegen der hier auftretenden Spannungspoliert werden. spitzen immer als kritisch zu betrachten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge- 45 Aufgabe der Erfindung ist es, Großkurbelwellen kennzeichnet, daß das Prägepolieren der Über- zu schaffen, bei denen unter Beibehaltung oder Vergangsbereiche (Taschen) durch ein an sich be- besserung der durch günstigen Faserverlauf gegebekanntes, punktförmiges Oberflächenverdichten nen Vorteile eine gesteigerte Haltbarkeit, höhere ersetzt wird. Beanspruchbarkeit, gedrungenere Bauweise und ein

50 im Verhältnis zu den bisherigen »gebauten« Kurbel-

wellen geringeres Gewicht oder einige dieser Eigenschaften gegeben sind.

Bei der Herstellung von hochbeanspruchbaren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Großkurbelwellen von 300 bis 1000 mm Zapfen-Herstellung von hochbeanspruchbaren Großkurbel- 55 durchmesser und darüber, ausgehend von geschmie· wellen von 300 bis 1000 mm Zapfendurchmesser deten Stahleinzelteilen, die zu einem Kurbelhub unc und darüber, ausgehend von geschmiedeten Stahl- die Kurbelhübe zur fertigen Kurbelwelle durcl einzelteilen, die zu einem Kurbelhub und die Kurbel- Schweißen verbunden und die Schweißstellen wärme hübe zur fertigen Kurbelwelle durch Schweißen ver- behandelt werden, wird erfindungsgemäß so verfah bunden und die Schweißstellen wärmebehandelt 60 ren, daß aus an sich bekanntem, durchgeschmiedetem werden. etwa dem Zapfendurchmesser entsprechendem Rund Insbesondere im Schiffbau sind die Einheiten material, das auch kleiner als der Zapfendurch immer größer geworden, womit zwangläufig der Be- messer sein kann, pro Kurbelhub vier bevorzug darf an entsprechenden Kurbelwellen anstieg. Von gleich große Einzelteile geschmiedet werden, die j Seiten der Kurbelwellenhersteller ist man der Ent- 65 ein Zapfenteil und ein gestauchtes Wangente: wicklung gefolgt durch die Fertigung von einzelnen umfassen und wobei die Stoßflächen der Wangenteil Stahlgußhüben, die durch Einschrumpfen von Zapfen schräg liegen, daß ein halber Kurbelhub Vorzugs zu Kurbelwellen zusammengebaut wurden. weise mit dem Elektroschlacke-Schweiß verfahre