DE4230764C1 - Vorrichtung zum Härten von Kurbelwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Härten von Kurbelwellen, deren Zapfen durch Wangen getrennt sind und bei denen zwei Hubzapfen mit unterschiedlicher Winkellage jeweils von einem dünnen Bund getrennt aneinandergrenzen, wobei zwei Induktoren im wesentlichen von der gleichen Seite aus gleichzeitig von oberhalb der Kurbelwelle an die zu härtenden Hubzapfen angelegt werden.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-PS 40 01 887 bekannt. Bei Kurbel­ wellen mit Paaren von Hubzapfen, die in unterschiedlicher Winkellage jeweils direkt aneinandergrenzen, besteht das Problem, daß die für jeden Induktor benötigten Transformatoren nicht im Abstand der beiden Hub­ zapfen nebeneinander angeordnet werden können. Daher sind bei dieser Vorrichtung einer oder beide der zwei nebeneinander angeordneten Induk­ toren abgekröpft. Damit können zwei gegebenenfalls mit Isolierschichten voneinander getrennte Induktoren im Abstand der benachbarten Hubzap­ fen angeordnet werden, die anschließend mit ihrer Zuleitung auf einen größeren Abstand voneinander übergehen, der den Ausmaßen der Trans­ formatoren entlang der Achse der Kurbelwelle entspricht. Damit ist es in einem Arbeitsgang möglich, Kurbelwellen mit Paaren von Hubzapfen, die in unterschiedlicher Winkellage jeweils direkt aneinandergrenzen, mit einem guten Härteergebnis zu härten. Diese Vorrichtung weist den Nach­ teil auf, daß üblicherweise in der Fertigung bereits vorhandene Induktoren anderer Härtevorrichtungen nicht eingesetzt werden können, da jeweils die besagten Abkröpfungen vorgesehen sein müssen. Andererseits sind die für eine solche Vorrichtung nach der DE-PS 40 01 887 vorgesehenen Indukto­ ren auch nicht bei anderen Härtevorrichtungen üblicher Bauart einzuset­ zen.

Bei der Vorrichtung nach der DE-PS 40 01 887 sind die beiden Induktoren auf der gleichen Seite des Maschinengestells aufgehängt, wobei die Zwangsführung in radialer Richtung über ein Führungsgestänge erfolgt, das z. B. eine Parallelogrammform aufweist. Dieses Gestänge erweist sich in vieler Hinsicht als nachteilig. Zum einen verfügt es über eine Vielzahl von mechanisch zu bewegenden Teilen, die eine erschwerte Zugänglichkeit der Maschine bewirken. Andererseits ist dieses Gestänge von Nachteil, wenn in kleineren Serien die zu härtende Kurbelwelle abgeändert wird und z. B. unterschiedliche Abstände der Hubzapfen voneinander und/oder der Hubzapfen zur Wellenmitte auftreten, da dann dieses Gestänge jeweils neu einzustellen und zu justieren ist.

Ein solches Gestänge ist in der DE-PS 36 17 468 und in der DE-PS 36 13 909 beschrieben. Gemäß den dort beschriebenen Vorrichtungen sind die Induktoren nicht auf einer Seite, sondern auf genau gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Diese Vorrichtungen haben den weiteren Nachteil, daß die Gleitsteine, mit denen die Zwangsführung erreicht wird, in erheblichem Maße eher einseitig verschleißen und zudem größere Reibungskräfte auftreten, die durch den Drehantrieb der zu härtenden Kurbelwelle ausgeglichen werden muß.

Dagegen verfügt die erstgenannte Druckschrift DE-PS 40 01 887 über axial nebeneinander angeordnete Induktoren, mit denen eine verbesserte Füh­ rung möglich ist. Alle Vorrichtungen haben aber den Nachteil, daß ein Wärmeverzug der Kurbelwelle nur empirisch in die axiale Anordnung der Kleinflächeninduktoren einfließt, so daß bei allen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik die Gleitsteine, die auch als Einführungshilfe für den Induktor dienen, bei unsymmetrischem Einführen der Induktoren schneller verschleißen und ein unterschiedliches Härteergebnis in den Hohlkehlen der Zapfen verursachen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Härten von Kurbelwellen der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, bei der weniger bewegliche Teile vorgesehen sind und bei der die Zylinderabstände und Hübe der zu härtenden Kurbelwel­ len variiert werden können, ohne daß eine Veränderung der Ausrüstung der Zylinderabstände vorgenommen werden muß. Schließlich soll erreicht werden, daß ungekröpfte Induktoren aus einem bereits vorhandenen Maschinenpark eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Hauptachsen der zwei Induktorenhalter in demselben kleinen Winkel zur Senkrechten auf beiden Seiten derselben in axial leicht versetzter V-Form angeordnet sind, wobei die jeweils den Induktoren zugeordneten und mit diesen fest verbundenen Transformatoren um eine jeweils parallel zur Achse der Kurbelwelle angeordnete Drehachse schwenkbar sind.

Durch die Anordnung in einem kleinen Winkel von z. B. 15° links und rechts der Achse der Welle sind die beiden Induktoren im wesentlichen oberhalb der zu härtenden Kurbelwelle angeordnet. Damit ist das hier nicht näher betrachtete Abschrecken, das zum bekannten Stand der Tech­ nik gehört, in leichter Weise durchführbar und die dabei verwendete Flüssigkeit kann unbehindert nach unten abfließen und von der Kurbelwel­ le in einer unterhalb der Einrichtung angeordneten Wanne aufgefangen werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Rahmen der Härtevorrichtung direkt benachbart und in der Symmetrieachse zwi­ schen den V-förmig angeordneten Induktorenhaltern eine Lichtquelle vorgesehen, deren gebündelter Lichtstrahl einen zu dem zu härtenden Zapfen benachbarten Zapfen beaufschlagt, wobei durch axiales Verfahren die axiale Position der Wangen dieses Zapfens erfaßt werden kann. Über Meßwertaufnehmer oder Servomotoren wird gleichzeitig einer Steuer­ schaltung der Abstand eines Fixpunktes von der Abstandsmeßeinrichtung und von dem Induktorenhalter zugeführt. Als ein solcher Fixpunkt kann z. B. der Einspannpunkt der Kurbelwelle ausgewählt werden. Mit dieser Steuerschaltung kann dann ein Wärmeverzug der zu härtenden Kurbelwelle oder durch das Vorfräsen entstandene Fertigungstoleranzen durch entspre­ chendes axiales Positionieren der Induktoren ausgeglichen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, und

Fig. 3 Vorderansichten eines Paares von Induktoren und Transfor­ matoren, wobei vier Stellungen in einem Winkelabstand von 90° bei einer Drehung der Kurbelwelle dargestellt sind.

Die Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung. Vorteilhafterweise ist ein Rahmen 1 mit einer Quertraverse vorgesehen, auf der die Transformatorschlitten verfahrbar angeordnet sind. Weiter verfügt er über senkrechte Säulen, an denen in ungefähr halber Höhe eine Einrichtung 2 zur Aufnahme einer zu härtenden Kurbelwelle 3 angeordnet ist. Diese verfügt über eine Dreheinrichtung zum Antrieb der Kurbelwelle 3 für eine Drehung um eine Drehachse 4, sowie über eine Einrichtung zur axialen Verschiebung der Aufnahmepinolen, um unter­ schiedlich lange Kurbelwellen zu spannen bzw. für den Weitertransport freizugeben. Mit dem Bezugszeichen 5 sind Transformatoren bezeichnet, an denen jeweils ein Induktor 6 befestigt ist, wobei der auf der rechten Seite dargestellte Induktor 6 auf einem Hubzapfen 7 aufliegt, der zu einem Paar von Hubzapfen 7, 17 gehört, die mit unterschiedlicher Winkellage jeweils von einem dünnen Bund 39 getrennt aneinandergrenzen. Der Aufbau der die Transformatoren 5 und Induktoren 6 haltenden Aufhänge­ vorrichtungen 8 ist besser in der Vorderansicht der Fig. 2 zu erkennen. Zur Vereinfachung der Fig. 1 ist die axial 4 leicht versetzte zweite Einheit aus Induktor 6 - Transformator 5 nicht dargestellt, die neben dem auf dem Zapfen 7 aufgesetzten Induktor 5 zur gleichzeitigen Härtung des Zapfens 17 angeordnet ist.

Die Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. An der Quertraverse des Rahmens 1 sind beiderseits der mit dem Bezugs­ zeichen 9 versehenen Vertikalen sogenannte Querführungen 11 angeord­ net, an denen beidseitig jeweils mindestens eine Aufhängevorrichtung 8 befestigt ist. Jede Aufhängevorrichtung 8 verfügt über eine in die Quer­ führung 11 eingreifende Gleitschiene 12, so daß die Aufhängevorrichtung 8 axial entlang der Achse 4 der Kurbelwelle 3 verschoben werden kann. Hierfür ist vorteilhafterweise ein fest mit der jeweiligen Aufhängung 8 verbundener Servoantrieb 13 vorgesehen, der über ein Ritzel 14 in eine fest auf dem Rahmen 1 angeordnete Zahnstange 15 eingreift. Die Anord­ nung von mehreren Induktoren 5 entsprechend der Fig. 1 auf einer Seite der Querführung 11 gestattet das gleichzeitige Härten mehrerer Elemente einer Kurbelwelle 3.

Die Aufhängevorrichtung 8 selbst ist zweiteilig ausgeführt, wobei die Gleitschiene 12 Bestandteil eines in der Vorderansicht trapezoidalen Elements 16 ist. An diesem ersten Element 16 der Aufhängevorrichtung 8 ist eine Transformatorenhalterung 26 angeordnet, wobei eine verschiebli­ che Verbindung über einen Schlitten 18 besteht. Mit diesem Schlitten 18 ist die Halterung 26 entlang einer Achse 19 verschiebbar, die in einem kleinen Winkel 20 zur Senkrechten 9 steht. Vorteilhafterweise beträgt dieser Winkel z. B. ungefähr 15°, wobei die notwendige Größe dieses Winkels 20 weiter unten im Zusammenhang mit der Fig. 3 erläutert werden wird. Die Achse 19 steht senkrecht auf der Achse 4 der Kurbelwelle 3.

Die Bewegung der Halterung 26 entlang der Achse 19 wird durch einen entlang dieser Achse 19 angeordneten Hubzylinder 21 vermittelt, der, wie unten erläutert werden wird, ebenfalls als Ausgleichszylinder für die Auflagekraft wirkt.

Die Halterung 26 verfügt über ein seitliches Paar von Fortsätzen 22, zwischen denen der oben genannte Transformator 5 um eine Achse 23 schwenkbar angeordnet ist. Die Achse 23 ist parallel zur Achse 4 der Kurbelwelle 3 ausgerichtet. Der Transformator 5 ist dabei dergestalt konstruiert und aufgehängt, daß der volumenmäßig größere Teil 24 auf der von der Vertikalen 9 wegzeigenden Seite der Achse 23 angeordnet ist. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen werden unten im Zusammenhang mit der Fig. 3 dargestellt werden. Die biegsamen Zuleitungen des Trans­ formators sind mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet und werden ohne Zugbelastung nach oben herausgeführt.

An den Transformatoren 5 sind jeweils direkt übliche Induktoren 6 befe­ stigt, die an ihrem unteren Ende über einen Innenradius 25 verfügen, der ein Aufschieben auf die beiden Zapfen 7 bzw. 17 gestattet. Die Sym­ metrielängsachse 29 der Induktoren 6 ist in der in der Fig. 2 dargestellten Ruhestellung parallel und fluchtend zu der Achse 19 ausgerichtet. Durch die Aufhängung der Einheit Transformator 5 - Induktor 6 an der ver­ schwenkbaren Achse 23 ist ein leichtes Abweichen dieser Achse 29 von der Richtung der auf die Kurbelwellenachse zielende Achse 19 möglich. Die Ruhestellung mit den fluchtenden Achsen 19 und 29, die einem Herauszie­ hen der Induktoren 6 zum Wechsel der zu härtenden Kurbelwelle 3 ent­ spricht, wird durch einen Stellzylinder 30 gehalten, mit dem eine entgegen der Schwerkraft gerichtete Kraft auf die Einheit Transformator 5 - Induk­ tor 6 ausgeübt werden kann, um sie in der besagten fluchtenden Aus­ richtung zu halten.

Die beidseitig des Rahmens 1 angeordneten Aufhängevorrichtungen 8 stehen in einem aus den Fig. nicht erkennbaren und insbesondere in der Fig. 1 nicht dargestellten kleinen axialen 4 Abstand voneinander, der dem Mittenabstand zweier Zapfen 7 und 17 voneinander entspricht.

Mit dem Bezugszeichen 33 ist eine Abstandsmeßeinrichtung bezeichnet, die gemäß Fig. 1 auf einem Schlitten 34 unterhalb der Quertraverse sym­ metrisch zwischen den V-förmig angeordneten Induktorhaltern des Rah­ mens 1 vorgesehen ist. Mit dieser ist ein Lichtstrahl, z. B. ein Laserstrahl, entlang der Achse 9 auf die Kurbelwelle 3 abbildbar, wobei über einen entsprechenden, an der Abstandsmeßeinrichtung 33 angeordneten Detektor die reflektierte Intensität aufgenommen wird. Mit Hilfe von Meßwertauf­ nehmern oder mit Hilfe von die Abstandsmeßeinrichtung 33 antreibenden Schrittmotoren ist der axiale Abstand der Abstandsmeßeinrichtung 33 von einem vorbestimmten Fixpunkt 35 erfaßbar. Durch ein axiales Verfahren der Abstandsmeßeinrichtung 33 ist durch die Veränderung der Stärke der reflektierten Intensität an den Wangen nun die exakte Position eines Hub­ zapfens von diesem Fixpunkt 35 feststellbar, bei dem es sich beispielsweise um den Einspannpunkt der zu härtenden Kurbelwelle 3 handelt. Vorzugs­ weise wird die Position der im nächsten Arbeitsgang zu härtenden Zapfen 7 und 17 erfaßt, so daß die Induktoren 6 dann axial genau in der richtigen Position mittig zur Härtezone angefahren werden können. Zu diesem Zwecke verfügt jede Aufhängung 8 über Meßwertaufnehmer oder der Antrieb 13 selbst erzeugt entsprechende Positionssignale, mit denen der Abstand jedes Induktors 6 von dem Fixpunkt 35 unabhängig voneinander feststellbar ist.

Es kann auch während des Arbeitsganges des Härtens die Position der zu den in Bearbeitung befindlichen Zapfen direkt benachbarten Zapfen 7 und 17 erfaßt werden, um die Induktoren 6 in Antwort auf einen eventuellen Wärmeverzug der in Teilen schon gehärteten Kurbelwelle 3 axial genau anzuordnen. Durch diese axiale Steuerung ist im und während des Härte­ betriebes diese Positionierung automatisch bei jeder Kurbelwelle 3 indivi­ duell einstellbar, wobei die bisher übliche empirische Erfassung eines Wärmeverzuges vermieden werden kann. Bei einer solchen hier nicht angewandten empirischen Erfassung können axiale Abweichungen im Größenbereich von bis zu 2 Millimeter auftreten, die zu einer verkanteten Einführung von Induktoren in den Zapfen führen, demzufolge ein schnel­ ler und ungleichmäßiger Verschleiß von Gleitsteinen auftritt, der hier gemäß der Erfindung vermieden wird.

Gleichzeitig ist eine Überprüfung der Fertigungstoleranzen der gehärteten Kurbelwellen 3 möglich. Ein weiterer Vorteil dieser Abstandsmessung liegt darin, daß in einfacher Weise die Art der zu härtenden Kurbelwellen geändert werden kann, ohne auf eine Neuermittlung oder Neueingabe von empirischen Daten angewiesen zu sein.

Die Fig. 3 zeigt nun den kinematischen Ablauf der Vorrichtung während einer Kurbelwellenumdrehung anhand von Vorderansichten eines Paares von Induktoren 6 und Transformatoren 5, wobei vier Stellungen in einem Winkelabstand von 90° bei einer Drehung der Kurbelwelle 3 dargestellt sind.

Mit Hilfe der Hubzylinder 21 aus Fig. 2 werden die Induktoren 6 abge­ senkt und mit ihren Gleitsteinen oder seitlichen Gleitflächen auf die Kurbelwelle 3 aufgesetzt. Dabei zeigt die linke obere Zeichnung der Fig. 3 eine Drehposition der Kurbelwelle 3, in der die beiden in einer unter­ schiedlichen Winkellage jeweils direkt aneinandergrenzenden Zapfen 7 und 17 auf gleicher Höhe bezüglich der Vertikalen 9 stehen. Dabei sind die oben genannten Achsen 19 und 29 in fluchtender Übereinstimmung angeordnet.

Bei einer Drehung der Kurbelwelle um 90° entgegen dem Uhrzeigersinn gelangt diese nun in die Position, die in der rechten oberen Zeichnung der Fig. 3 dargestellt ist. Dabei senkt sich der rechte Induktor 6 ab, wobei der benötigte Vorschub und die Auflagekraft von der Schwerkraft und dem Hub- und Ausgleichszylinder 21 aufgebracht wird. Der Hubzylinder 21 wirkt zugleich als Gewichtsausgleich. Er könnte in anderen Ausgestaltun­ gen auch mit Federn realisiert werden, obwohl eine pneumatische oder hydraulische Betätigung bevorzugt wird.

Dabei wird die Halterung 26 gegenüber dem Element 16 herabgelassen und nach unten gefahren. Durch die seitliche Auslenkung der Zapfen 7 und 17 werden die Einheiten Transformator 5 - Induktor 6 jeweils um die Achse 23 verschwenkt, so daß die Hauptachsen 29 der Induktoren 6 jeweils etwas aus der Achse 19 der Halterungen 26 ausgelenkt werden.

Bei einer weiteren Drehung um 90° wird die untere Position der Zapfen 7 und 17 erreicht, bei der wiederum die Achsen 19 und 29 miteinander fluchten, um schließlich über die in der rechten unteren Zeichnung darge­ stellten Lage der Zapfen 7 und 17 eine Umdrehung zu vollenden. Im Härtebetrieb sind dabei Drehzahlen von 40 Umdrehungen pro Minute erreichbar.

Wie aus der Fig 3 zu erkennen ist, ist der möglichst klein zu wählende Winkel 20 in Abhängigkeit des minimalen Abstandes 36 der Transformato­ ren 5 voneinander zu bestimmen. Da die Transformatoren 5 breiter als der Mittenabstand benachbarter Zapfen 7 und 17 sind, ergibt sich eine axiale 4 Überlappung der in V-Form zueinander stehenden Transformatoren 5. Dieser Abstand 36 sich gegenüberstehender Transformatorenteile 5 wird durch eine entsprechende Wahl des Winkels 20 gewährleistet. Dabei sind bei üblichen Transformatoren 5 Winkel 20 von 15° auf beiden Seiten der Vertikalen 9 erreichbar. Ein solcher Winkel ist ausreichend klein, um die Vorteile der Anordnung der Induktoren 6 oberhalb des zu härtenden Werkstückes auszunutzen, nämlich das Ausnutzen der Schwerkraft zur Auflage der Induktoren 6, den geringeren Verschleiß der Führungsscheiben aufgrund geringerer Querkräfte, die einfachere Abschreckung und nicht zuletzt die einfachere Zugänglichkeit der Härtemaschine zur Zufuhr von zu härtenden Werkstücken und zur Wartung.

Da sich in der Höhe der Arbeitsspindel keine Störkanten befinden, können die Kurbelwellen 3 in einfacher Weise zugeführt und abtransportiert werden. Auch ist die Beladung direkt zwischen Spindel und Reitstock möglich.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Härten von Kurbelwellen (3), deren Zapfen (7, 17) durch Wangen getrennt sind und bei denen zwei Hubzapfen (7, 17) mit unterschiedlicher Winkellage jeweils von einem dünnen Bund getrennt aneinandergrenzen, wobei zwei Induktoren (6) im wesentlichen von der gleichen Seite aus gleichzeitig von oberhalb (9) der Kurbelwelle (3) an die zu härtenden Hubzapfen (7, 17) angelegt werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hauptachsen (19) der zwei Induktorenhalter (26) in demselben kleinen Winkel (20) zur Senkrechten (9) auf beiden Seiten derselben (9) in axial (4) leicht versetzter V-Form angeordnet sind, wobei die jeweils den Induktoren (6) zugeordneten und mit diesen fest verbundenen Transformatoren (5) um eine jeweils parallel zur Achse (4) der Kurbelwelle (3) angeordnete Drehachse (23) schwenkbar sind.

2. Härtevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktoren (6) entlang der Hauptachsen (19) der Induktorhalter (26) verschieblich (18) angeordnet sind.

3. Härtevorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktorhalter (26) über ein Zwischenstück (16) mit einer Quertraverse des Maschinengestells (1) verbunden sind und daß jeder Induktor (6) einzeln axial (4) entlang der Quertraverse über eine an dem Zwischenstück (16) montierte Querführung (11, 12) verschiebbar ist.

4. Härtevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle einer Abstandsmeßeinrichtung (33) direkt benachbart zu den Induktorenhaltern (26) angeordnet ist, daß deren gebündelter Lichtstrahl einen dem nächsten zu härtenden Zapfen (7, 17) benachbarten oder zugeordneten Zapfen (7, 17) beaufschlagt, wobei durch Reflexionsmessungen bei einem axialen (4) Verfahren der Meßeinrichtung (33) die axiale Position der Wangen dieses Zapfens (7, 17) in Bezug auf einen Fixpunkt (35) der Kurbelwelle (3) erfaßbar ist, und daß gleichzeitig mit Meßwertaufnehmern oder durch die Induktorenhalter (26) antreiben­ den Schrittmotoren (13) der axiale (4) Abstand der Induktoren (6) von dem Fixpunkt (35) einer Steuerschaltung zuführbar ist, mit der ein Steuer­ signal erzeugbar ist, um bei einem Wärmeverzug oder einer Fertigungs­ toleranz der zu härtenden Kurbelwelle (3) die Induktoren (6) entsprechend axial (4) zu positionieren.