DE3009656A1

DE3009656A1 - Verfahren zur herstellung einer nockenwelle durch schmieden

Info

Publication number: DE3009656A1
Application number: DE19803009656
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hatsuno; Yoshimaro Okada
Original assignee: Diesel Kiki Co Ltd
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1979-03-19
Filing date: 1980-03-13
Publication date: 1980-09-25
Also published as: GB2051634B; DE3009656C2; JPS55126340A; GB2051634A; US4317355A; JPS6115775B2

Description

Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle durch Schmieden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, welche mit ihr einstückige, in Längsrichtung der Nockenwelle verteilte Nocken aufweist, durch Schmieden. Die Erfindung bezieht sich also auf die Herstellung von Metallgegenständen von vorgegebener Form, bevorzugt aus Stahl, aber auch aus anderen metallischen Werkstoffen, und bevorzugt auf das Verformen von stangenförmigen Stahlrohlingen zu Nockenwellen, welche in Längsrichtung gesehen mehrere Nocken hintereinander aufweisen.

Zur Herstellung von Nockenwellen hat man bislang hauptsächlich das Warmschmieden verwendet. Hierbei wird ein Metall auf eine hohe Temperatur erhitzt; dieses Metall wird in einem Gesenk gepreßt, um ein grob geformtes Werkstück zu erhalten; dieses Werkstück wird beschnitten und dann abgeschreckt und vergütet, und das wärmebehandelte Teil wird anschließend fertig bearbeitet, um eine Nockenwelle zu erhalten.

In den letzten Jahren hat man statt dieses Warmschmiedeverfahrens ein Kaltschiniedeverfahren verwendet, um Rohlinge aus Metall in mechanische Teile der unterschiedlichsten Gestalt umzuformen. Hierdurch erhält man auf einfachere und schnellere Art das gewünschte Endprodukt, und zwar durch Zusammenpressen eines in ein Gesenk gelegten Rohlings zum Zwecke der plastischen Verformung, wobei kein wesentliches Beschneiden des verformten Teils erforderlich ist.

Bei dem üblichen Kaltschmiedeverfahren wird ein Rohling für eine Nockenwelle in einem Schmiedegesenk axial zusammengedrückt bzw. gestaucht, so daß die Nocken nacheinander gebildet werden, zuerst an Abschnitten bei den Enden, dann an den inneren und den zentralen Abschnitten. Jedoch wird zum Zeitpunkt der Bildung der inneren

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oder der zentralen Nocken der Schmiedefaserverlauf im Rohling oft im Bereich der äuOeren Nockenabschnitte unterbrochen, wodurch letztere brüchig werden. Infolgedessen hat eine solche Nockenwelle eine sehr niedrige mechanische Festigkeit und ist für ihren Anwendungszweck ungeeignet.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schmiedeverfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit mehreren Nocken aufzuzeigen, welches einen i.n wesentlichen ununterbrochenen Schmiedefaserverlauf und demzufolge eine hinreichend hohe mechanische Festigkeit ergibt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Man erreicht so, daß am Nockenformabschnitt zunächst an dessen Mittelabschnitt und dann in Richtung von diesem weg zu dessen beiden gegenüberliegenden Enden die Nocken nacheinander erzeugt werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Nockenwelle erhältlich durch ein Verfahren nach der Erfindung.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Nockenwelle, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist,

Fig. 2 eine Darstellung des Faserverlaufs nach dem Schmieden bei einer Nockenwelle, die mit einem Schmiedeverfahren nach dem Stand der Technik hergestellt ist,

Fig. 3 einen bevorzugten Faserverlauf bei einer Nockenwelle nach dem Schmieden,

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Fig. 4 eine Vorderansicht einer Schmiedevorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die linke Seite im Schnitt dargestellt ist,

Fig. 5a bis 5c die Abfolge der Herstellung von Nocken auf

einem Rohling bei einem erfindungsgemäOen Verfahren,

Fig. 6 eine beispielhafte Erwärmungstemperaturverteilung (Fig. 6b) an einem Nockenrohling (Fig. 6a) bei einem Verfahren nach der Erfindung,

Fig. 7 eine Vorderansicht einer mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Nockenwelle,

Fig. 8 und 9 Schnitte, gesehen längs den Linien VIII-VIII bzw. IX-IX der Fig. 7, und

Fig. 10 Fotographien von angeätzten Schliffen einer Nockenwelle, die mit einem erfindungsgernäßen Verfahren hergestellt ist.

Bei der Herstellung von Nockenwellen mit dem üblichen Kaltschmiedeverfahren wird ein Nockenwellenrohling durch Beaufschlagung seiner zwei gegenüberliegenden Enden mit einer axialen Kraft zusammengepreßt bzw. gestaucht. Zunächst werden dabei Nocken in der Nähe der beiden Enden des Rohlings ausgebildet, und nachfolgend in den inneren Bereichen. Infolgedessen können Unterbrechungen im Faserverlauf des Teils im geschmiedeten Zustand auftreten, und zwar an den äußeren Nockenabschnitten, wie das in Fig. 2 dargestellt ist. Bei ungünstigsten Bedingungen können Risse an den Wurzeln der äußeren Nocken auftreten, so daß diese brüchig sind, eine niedere Festigkeit haben, und daß eine Eignung zur Verwendung als Nockenwelle nicht gegeben ist.

Fig. 3 zeigt einen nach der Erfindung erzielbaren Faserverlauf. Nach der Erfindung strebt man eine Nockenwelle mit einem ununterbrochenen Faserverlauf an, und hierzu muß man nach den Erkennt-

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nissen der Erfindung einen Nockenwellenrohling so schmieden, daß zunächst ein Nocken im Mittelbereich gebildet wird, dann Nocken auf beiden Seiten dieses Mittelnockens und in seiner Nähe, und dann gegebenenfalls von dort ausgehend u/eitere Nocken in Richtung hin zu den äußeren oder Endabschnitten des Rohlings.

Um die Bildung der Nocken in der eben geschilderten Reihenfolge zu ermöglichen, wird deshalb ein Abschnitt des Rohlings, an dem der mittlere Nocken gebildet werden soll, auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt, und Abschnitte des Rohlings an gegenüberliegenden, benachbarten Seiten des zentralen Nockenformabschnitts, an denen die äußeren Nocken gebildet werden sollen, werden auf niedrigere Temperaturen erwärmt als der erstgenannte Abschnitt für den mittleren Nocken. Auf diese Weise wird der Rohling so erhitzt, daß die höchste Temperatur im Mittelbereich des Nockenformabschnitts vorliegt und von da aus beidseitig abnimmt, z. B. nach Art einer Glockenkurve. Hierdurch erreicht man die Bildung der Nocken an vorgegebenen Abschnitten des Rohlings in einer vorgegebenen Folge. Die so erhaltene Nockenwelle hat einen Faserverlauf, der sich praktisch ununterbrochen durch die gesamte Nockenwelle erstreckt und dieser so eine hinreichende mechanische Festigkeit verleiht.

Metalle bzw. Legierungen, welche einen niedrigen Verformungswiderstand und eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben, eignen sich besonders gut als Rohlinge für das erf indungsgernaße Verfahren. In dieser Hinsicht ist Stahl besonders vorteilhaft. Jedoch können auch Nichteisenmetalle verwendet werden, wenn sie eine genügend niedrige Wärmeleitfähigkeit haben und sonstige Anforderungen an die Schmiedbarkeit erfüllen.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Nockenwelle 1 zur Verwendung in einer Kraftstoffeinspritzpumpe, speziell einer sogenannten Reiheneinspritzpumpe für Dieselmotoren; eine Nockenwelle dieser

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Art ist mit einem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Die Nockenwelle 1 nach Fig. 1 ist halbfertig bearbeitet. Ihre beiden Endabschnitte müssen noch kegelig bearbeitet und an den Enden mit einem Gewinde oder einer Verzahnung versehen werden, so, wie das aus Fig. 10 klar hervorgeht, damit die Welle 1 in eine - nicht dargestellte - Kraftstoffeinspritzpumpe eingebaut und mit zugeordneten Wellen verbunden werden kann. Die dargestellte Nockenwelle 1 ist für die Reiheneinspritzpumpe eines Vierzylindermotors bestimmt.

Wie man Fig. 1 entnimmt, ist im mittleren Bereich der Nockenwelle 1 ("mittleren" bezieht sich hier wie im folgenden auf die axiale Erstreckung) ein Ring- oder Exzenternocken 2 ausgebildet, und zu beiden Seiten dieses mittleren Ringnockens 2 sind weitere Ringnocken 3, 4, 5 und 6 ausgebildet. Die Nocken 3, 4, 5 und dienen zum Antrieb der Pumpenkolben einer zugeordneten, nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzpumpe, z. B. eines Stößels oder anderer Kupplungselemente zum Antrieb der Plungerkolben, und der mittlere Nocken 2 dient zum Antrieb des Pumpenkolbens einer auf der zugeordneten Einspritzpumpe angeordneten Kraftstoff örderpumpe und treibt diesen Pumpenkolben an.

Eine bevorzugte, beispielhafte Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, also z. B. zur Herstellung der Nockenwelle 1, zeigt die Fig. 4. Ein Schmiedegesenk 7 hat ein oberes Gesenkteil 7a und ein unteres Gesenkteil 7b, und zwischen diesen erstreckt sich horizontal eine längliche Formhöhlung Die Gesenkteile 7a und 7b werden auf Temperaturen im Bereich von 90 ... 220⁰C vorgewärmt. Ein nicht dargestellter Rohling aus Draht- oder Stangenmaterial wird in die Formhöhlung 8 des heißen Gesenks 7 eingebracht, und seine beiden gegenüberliegenden Enden werden mittels Stempeln 9, 10 mit einer maximalen PreGkraft von 200 Tonnen (2 000 I<N) entsprechend einem maximalen Druck von 250 kp/cm² (24,5 HPa) beaufschlagt.

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Die Stempel 9, 10 sind über Kupplungsteile 11, 12 mit Kolbenstangen 13, 14 gekuppelt und werden von Hydrozylindern 15, 16 her über die Kolbenstangen 13, 14 betätigt. Die beiden Teile 7a und 7b des Gesenks 7 u/erden zusammengehalten durch einen oberen Gesenkhalter 17 und einen unteren Gesenkhalter 18. Das Gesenk 7 wird in vertikaler Richtung mit einer maximalen Kraft von 500 Tonnen (5 000 kN) beaufschlagt entsprechend einem maximalen Druck von 250 kp/cm (24,5 MPa), und zwar mittels einer Kolbenstange 19, die von einem oberhalb des Gesenks 7 angeordneten flydrozylinder 2-0 betätigt wird. Ein Führungszapfen 21 für die Kolbenstange 19 ist in einer Führungsbohrung 22 geführt, wie das Fig. 4 klar zeigt.

Im folgenden wird nun beschrieben, wie eine Nockenwelle, z. B. die Nockenwelle 1 der Fig. 1, mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.

Zuerst wird Stahl, z. B. in Form von Draht- oder Stangenmaterial, auf längliche Rohlinge abgelängt, von denen jeder eine vorgegebene Länge hat. Diese Rohlinge oder Blanks werden in einem Induktionsofen erhitzt, insbesondere in einer HF-Vorrichtung, oder in einer anderen geeigneten Weise. Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Nockenwellen ist diese Erhitzung von großer Bedeutung. Der Abschnitt des Rohlings, an dem der mittlere Nocken 2 zum Antrieb des Kolbens der Kraftstofförderpumpe gebildet werden soll, wird auf die höchste Temperatur erhitzt, z. B. bei Stahl auf eine Temperatur im Bereich von 600 ... 1 200°C. Dies kann z. B. durch eine Induktionsspule entsprechender Länge und mit entsprechender Wicklungsverteilung erfolgen, in die der Rohling mit diesem Abschnitt geschoben wird und die während einer vorgegebenen Zeitspanne mit hochfrequenter Energie geeigneter Frequenz gespeist wird. Wird z. B. der Abschnitt des Rohlings, an dem der mittlere Nocken 2 ausgebildet werden soll, auf eine Temperatur von etwa 1 000 C erwärmt, so werden die Abschnitte des Rohlings beiderseits des mittleren Nockenformabschnitts, an denen die

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Nocken 3, 5 ausgebildet werden sollen, auf eine Temperatur erwärmt, die niedriger ist als die Erwärmungstemperatur an der Stelle, an der der Nocken 2 gebildet werden soll, z. B. auf etwa 900°C. Die Abschnitte des Rohlings außen neben den Nocken 3, 5, an denen die Nocken 4, 6 gebildet werden sollen, werden auf eine noch niedrigere Temperatur erwärmt als die Stellen für die Nocken 3, 5, nämlich z. B. nur auf etwa 000⁰C. Der Nockenformabschnitt erstreckt sich in Fig. 1 vorn Nocken 4 bis zum Nocken 6.

Ausgehend von der Raumtemperatur wird der Rohling gewöhnlich etwa 30 see bis 4 min lang bis zu einer vorgegebenen Temperatur erwärmt.

Bei der vorstehenden spezifischen Beschreibung des Verfahrensschritt der Erwärmung eines Nockenwellenrohlings wurden beispielhaft spezifische Temperaturwerte angegeben. Es soll aber ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß es für das erfindungsgemäße Verfahren wichtig ist, den Rohling gemäß einer Temperaturverteilungskurve zu erwärmen, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Präziser gesagt, sollte derjenige Abschnitt des Rohlings 1' (Fig. 6a), an dem der mittlere Nocken (2 in Fig. 1) ausgebildet werden soll, auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden, welche die höchste ist; die Abschnitte des Rohlings beiderseits neben diesem mittleren Abschnitt, an dem die nächstfolgenden Nocken (3 und 5 in Fig. 1) erzeugt werden sollen, sollte auf eine Temperatur erwärmt werden, die niedriger ist als die erwähnte Temperatur im mittleren Bereich; und die daran ihrerseits nach außen anschließenden Abschnitte, an denen weitere äußere Nocken gebildet werden sollen (4 und 6 in Fig. 1), werden auf eine noch niedrigere Temperatur erwärmt.

Infolge dieser spezifischen Art der Erwärmung kann der Rohling auf seiner Längserstreckung verschiedene Verformungswiderstände haben. Der Rohling hat dann seinen niedrigsten Verformungswider-

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stand im mittleren Abschnitt (der die höchste Temperatur hat), und der Verformungswiderstand nimmt von dort aus monoton in Richtung zu den Enden des Nockenformabschnitts in beiden Richtungen zu, um dadurch die zeitliche Folge der Bildung von Nocken an diesem Nockenformabschnitt zu bestimmen.

Ein heißer Stahlrohling in Form eines Drahtes oder Stabes, der in der angegebenen Weise erwärmt u/orden ist, d. h. dem eine gewünschte spezifische Temperaturverteilung aufgezwungen worden ist, wird in das Gesenk 7 der Schmiedemaschine nach Fig. 4 gelegt. Dann wird der obere Hydrozylinder 20 betätigt, um über die Kolbenstange 19 und die Gesenkhalter 17, 18 das Gesenk 7 geschlossen zu halten. Gleichzeitig werden die Hydrozylinder 13, 14 an den beiden Längsenden des Gesenkes 7 betätigt und bewirken, daß die beiden Stempel 9, 10 mit einer Kraft von 100 ... 200 Tonnen (1 000 ... 2 000 kN) in axialer Richtung auf die beiden Längsenden des heißen Rohlings im Gesenk 7 drücken. Während dieser Druckbeaufschlagung wird als erstes der mittlere Nocken 2 gebildet, der wie erläutert zum Antrieb einer Kraftstofförderpumpe dient, wie das.in Fig. 5a dargestellt ist. Dann werden die nächstfolgenden Nocken 3 und 5 beiderseits des mittleren Nockens 2 gebildet, wie das Fig. 5b zeigt. Schließlich werden die äußeren Nocken 4, 6 gebildet , vgl. Fig. 5c_s und gleichzeitig werden die Umfangskonturen der Nocken 2, 3, 5 endgültig ausgebildet und geformt. Dann wird der Rohling weiter zusammengepreßt, damit auch die Umfangskonturen der Nocken 4, 6 endgültig geformt werden.

Bei dem so mit Nocken versehenen, geformten Teil werden dann in üblicher Weise die Oberflächen abgeschreckt bzw. vergütet und auf die genauen Endmaße geschliffen.

Bei dem geschilderten Ausführungsbeispiel kann ein Stangenmaterial aus Stahl der Qualitäten S48C und S45C nach der japanischen Industrienorm (= JIS) G3102 als bevorzugter Werkstoff für die

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0,45	... 0,51 %	0,42	... 0,48 %
0,15	. . . 0,35 %	wie	nebenstehend
0,60	... 0,90 %	wie	nebenstehend
0,030	% oder weniger	wie	nebenstehend
0,035	% oder weniger	wie	nebenstehend

Nockenwelle verwendet werden. Dieser Werkstoff hat die folgende chemische Zusammensetzung;

548C 545C

Fe und unvermeidliche der Rest der Rest
Verunreinigungen

Die unvermeidlichen Verunreinigungen bestehen aus 0,30 ?ό oder
weniger Cu, 0,20 % oder weniger Ni, und 0,20 % oder weniger Cr, wobei die Gesamtheit von Ni und Cr 0,35 ?ό nicht übersteigt.

Als Werkstoff für den Rohling kann man auch ein Stangenmaterial aus dem Stähl SCM21H (Chrom-Molybdän-Stahl) nach der japanischen Industrienorm JIS G 4051 verwenden. Dieser Stahl hat
eine Zusammensetzung von 0,12 ... 0,18 % C; 0,15 ... 0,35 % Si; 0,55 ... 0,90 % Mn; 0,030 % oder weniger P; 0,030 % oder weniger S; 0,85 ... 1,25 % Cr,; 0,15 ... 0,35 % Mo; und der Rest Fe und unvermeidliche Verunreinigungen, welch letztere 0,25 % oder
weniger Nickel enthalten.

Da die vorstehend erwähnten Stähle ziemlich weich sind, einen
niedrigen Verformungswiderstand haben und weniger Oxydation und Entkohlung erfahren, eignen sie sich besonders gut als Rohlinge für das Schmieden nach dem erfindungsgemäOen Verfahren.

Bei dem vorstehend ausführlich erläuterten Ausführungsbeispiel
sind die Abmessungen des Rohlings vor und nach dem Schmieden wie folgt:

vor dem Schmieden nach dem Schmieden

Länge	300	mm	00	39	/0	7	7	3	236	mm
Durchmesser	22,	5 mm						23	mm
		03

Die Nockenwelle, die man beim Ausführungsbeispiel durch das

erfindungsgemäße Schmiedeverfahren erhält, hat die Form und

die Abmessungen, die in den Fig. 7, 8 und 9 dargestellt sind.

Die Zahlen in Klammern stellen die Abmessungen nach dem letzten Schleifen dar.

Die Nockenwelle, die man mit dem erfindungsgemäßen Schmiedeverfahren erhält, kann einen Faserverlauf der Schmiedefasern oder Bahnlinien haben, der sich ohne wesentliche Unterbrechungen durch das gesamte Werkstück erstreckt, wie das die Schliffbilder nach den Fig. 10a und 10b in voller Klarheit zeigen; dadurch ergibt sich eine hinreichende mechanische Festigkeit.

Naturgemäß sind die Erwärmungstemperaturen für den Nockenwellenrohling im Rahmen der vorliegenden Erfindung keineswegs auf die vorstehend angegebenen Werte beschränkt. Nach der Erfindung hat sich folgendes gezeigt: Sofern die Erwärmungstemperaturen in einem Bereich liegen, in dem das Schmieden möglich ist, ist das Schmiedeverfahren um so effektiver, je niedriger die Eru/ärmungstemperaturen sind, da der Rohling weniger entkohlt und weniger oxidiert wird, wenn er nur auf diese niedrigeren Temperaturen erwärmt wird.

Da ferner eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Nockenwelle vor dem Pressen im Gesenk bereits erhitzt worden ist, braucht sie nach dem Pressen nicht geglüht oder normalisiert zu werden_s um restliche Spannungen zu beseitigen.

Die vorstehende Beschreibung betrifft ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens der vorstehenden Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentansprüch

ihr einstückige, in Längsrichtung der Nockenwelle verteilte Nocken aufweist, durch Schmieden,
dadurch gekennzeichnet,

a) daß ein länglicher Rohling aus einem Metall oder einer Metallegierung auf mehrere verschiedene Temperaturen erwärmt wird, wobei der zur Ausbildung von Nocken vorgesehene Nockenformabschnitt des Rohlings in der Weise auf die verschiedenen Temperaturen erwärmt wird, daß von einem Mittelabschnitt des Nockenformabschnitts ausgehend die Temperatur nach beiden Seiten hin abfällt,

b) daß der so erhitzte Rohling in ein Gesenk gelegt wird,

c) und daß die beiden Enden des erhitzten Rohlings in dem Gesenk mit Druck beaufschlagt werden, um den Rohling axial zusammenzudrücken und am Nockenformabschnitt zunächst an dessen Mittelabschnitt und dann in Richtung von diesem weg zu dessen beiden gegenüberliegenden Enden hin die Nocken zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Rohling aus Stahl bei dem Verfahrensschritt a) der Mittelabschnitt des Nockenformabschnitts auf eine Tempera

tur im Bereich von 600

1 200°C erhitzt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Verfahrensschritt a) dem Nockenformabschnitt eine etwa glockenförmige Temperaturverteilung aufgezwungen wird.
4. Nockenwelle, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
5. Verwendung einer Nockenwelle nach Anspruch 4 bei einer Reiheneinspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine.
6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zuerst erzeugte Nocken (2) im Mittelbereich des Nockenformabschnitts der Antriebsnocken für die Kraftstofförderpumpe ist.

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