DE10034357C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Härten von Flächen an Bauteilen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von Flächen (F1, F2, G) eines Bauteils, insbesondere zum Härten der Flanken (F1, F2) von Zähnen (Z1, Z2) eines Zahnrads (Z) oder einer Zahnstange, mit einem Induktor (2) zum Erwärmen der jeweils zu härtenden Fläche (F1, F2, G), einer Abschreckeinrichtung (3) zum Abkühlen der erwärmten jeweils zu härtenden Fläche (F1, F2) und mindestens einer Stelleinrichtung zum Verstellen der Positionen des Induktors (2). Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren lassen sich auch von Formänderungen in Folge von abschnittsweise beschränkter Temperaturänderung betroffene Bauteile in ordnungsgemäßer Weise härten. Dies wird dadurch erreicht, daß die Stelleinrichtung die Position des Induktors (2) relativ zu der jeweils zu härtenden Fläche (F1, F2) in Abhängigkeit vom Signal mindestens eines Abstandsmeßsensors (8, 9) einstellt, der den jeweiligen Abstand (Af, Ag) des Heizleiters (6) des Induktors (2) von der zu härtenden Fläche (F1, F2, G) feststellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Härten der eine Vertiefung zwischen jeweils zwei Zähnen eines Zahnrades oder einer Zahnstange begrenzenden Flächen mit einem Induktor zum Erwärmen der jeweils zu härtenden Fläche, einer Abschreckeinrichtung zum Abkühlen der erwärmten jeweils zu härtenden Fläche und mindestens einer Stelleinrichtung zum Verstellen der Positionen des Induktors in Abhängigkeit vom Signal eines Abstandsmeßsensors, der den jeweiligen Abstand des Heizleiters des Induktors von der zu härtenden Fläche feststellt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Härten der eine Vertiefung zwischen jeweils zwei Zähnen eines Zahnrades oder einer Zahnstange begrenzenden Flächen, bei dem die zu härtenden Flächen mittels eines Induktors induktiv erwärmt werden und bei dem die erwärmten zu härtenden Flächen anschließend abgeschreckt werden, wobei mindestens während des Zustellens des Induktors zu der zu härtenden Fläche der Abstand des Heizleiters des Induktors zu der Fläche erfaßt wird und das Zustellen des Induktors beendet wird, wenn der erfaßte Abstand einem Soll-Abstand entspricht.

Vorrichtungen und Verfahren der voranstehend angegebenen Art werden insbesondere zum Härten der Flanken von Zähnen eines Zahnrads oder einer Zahnstange eingesetzt. Der Zweck des Härtens besteht dabei darin, den Zahnflanken die für eine hohe Verschleißfestigkeit notwendige Härte zu verleihen. Gleichzeitig soll jedoch auch die Zähigkeit des Zahnradwerkstoffes erhalten bleiben, damit die Zähne die im praktischen Einsatz auf ihnen lastenden Kräfte sicher und über eine lange Einsatzdauer aufnehmen können.

Um diese Anforderungen zu erfüllen ist es notwendig, die Härtung mit der erforderlichen Eindringtiefe möglichst exakt zu erzeugen. Nur auf diese Weise kann gewährleistet werden, daß im Bereich der gehärteten Fläche einerseits über eine ausreichende Tiefe Härtegefüge vorhanden ist und andererseits in ausreichender Menge zäher Zahnwerkstoff erhalten bleibt.

Üblicherweise werden die zu härtenden Flächen eines Bauteils, sofern ein gleichzeitiges Härten aufgrund der Größe und der Komplexität der Bauteilform nicht möglich ist, Fläche für Fläche oder Abschnitt für Abschnitt aufeinanderfolgend gehärtet. Dabei wird der Induktor jeweils auf die zu härtende Fläche zugestellt. Sobald die der geometrischen Form des Bauteils und dem gewünschten Härteergebnis angepaßte Erwärmungsposition erreicht ist, wird die zu härtende Fläche induktiv erwärmt. Schließlich wird die erwärmte Fläche mittels einer Kühlflüssigkeit abgeschreckt. Dabei erfolgt die Härtung von Flächen, welche eine über die Erstreckung des Wirkfeldes des Induktors hinausgehende Länge aufweisen, in der Regel in der Weise, daß der Induktor und die in Bewegungsrichtung hinter dem Induktor angeordnete Abschreckeinrichtung ausgehend von einem Ausgangspunkt entlang der zu härtenden Fläche bewegt wird. Auf diese Weise wird die Fläche in einem kontinuierlichen Ablauf abschnittsweise gehärtet.

Besonders problematisch erweist sich in der Praxis das Zahn für Zahn erfolgende Härten der Flanken von Innen- oder Außenverzahnungen an Zahnrädern. Bei solchen eine geschlossene Form aufweisenden Bauteilen führt die mit dem Härten verbundene, auf jeweils einen bestimmten Abschnitt beschränkte Abfolge von Erwärmung und Abschreckung zu einer Veränderung der ursprünglichen Form. Diese Veränderung kann so groß werden, daß nach der Härtung einer bestimmten Anzahl von Zahnflächen die Lage der weiteren zu härtenden Flächen so stark von der Ausgangsform des Bauteils abweicht, daß eine an der Ausgangsform orientierte Positionierung des Induktors nicht mehr zu dem geforderten Arbeitsergebnis führt.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art sind aus der DD 235 275 A1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung ist zum Härten von Flächen eines Bauteils bestimmt und weist zu diesem Zweck einen Induktor zum Erwärmen der jeweils zu härtenden Fläche, eine Abschreckeinrichtung zum Abkühlen der erwärmten jeweils zu härtenden Fläche und mindestens eine Stelleinrichtung auf, die zum Verstellen der Positionen des Induktors bestimmt ist. Dabei stellt die Stelleinrichtung die Position des Induktors relativ zu der jeweils zu härtenden Fläche in Abhängigkeit vom Signal mindestens eines Abstandsmeßsensors ein, welcher den jeweiligen Abstand des Heizleiters des Induktors von der zu härtenden Fläche feststellt.

Mit einer derart ausgestatteten und arbeitenden Vorrichtung läßt sich zwar eine ebene Fläche so härten, daß der Verzug beim Härten auf ein Minimum reduziert ist. Als problematisch erweist es sich jedoch, mit einer solchen Vorrichtung Bauteile zu härten, bei denen zwei und mehr Flächen gleichzeitig bearbeitet werden müssen. Bei solchen Bauteilen ist die richtige Lage des Induktors nicht nur in Bezug auf eine einzige Fläche festgelegt, sondern es muß die räumliche Ausrichtung des Induktors in Bezug auf mindestens zwei Flächen berücksichtigt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit welchen auch von Formänderungen in Folge von abschnittsweise beschränkter Temperaturänderung betroffene Bauteile mit einer komplexen Geometrie in ordnungsgemäßer Weise gehärtet werden können.

Hinsichtlich einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein zweiter Abstandsmeßsensor vorgesehen ist, daß jeder der Abstandsmeßsensoren einer anderen zu härtenden Fläche zugeordnet ist und die Verstellung des Induktors in Abhängigkeit sowohl vom Signal des ersten Abstandsmeßsensors als auch vom Signal des zweiten Abstandsmeßsensors erfolgt.

In Bezug auf ein Verfahren der eingangs angegebenen Art wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Zustellen des Induktors in Abhängigkeit von den Signalen mindestens zweier Abstandsmeßsensoren erfolgt, die den Abstand des Induktors von zwei unterschiedlichen zu härtenden Flächen erfassen.

Indem erfindungsgemäß beim Einfahren eines Induktors in eine beidseitig durch Flankenflächen begrenzte Zahnlücke eines Zahnrades die Lage aller Flächen die Zahnlücke begrenzenden Flächen erfaßt wird, entlang derer der Induktor bewegt wird, ist sichergestellt, daß der Induktor innerhalb der Zahnlücke stets so ausgerichtet ist, daß ein optimales Härteergebnis erreicht wird. Anders als beim eingangs diskutierten Stand der Technik orientiert sich gemäß der Erfindung die Position des Induktors dabei nicht mehr an der vor dem Härten vorhandenen Form des Bauteils, sondern es wird ähnlich wie beim aus der DD 235 275 A1 durch ein aktives Meßelement die tatsächliche Lage des Heizleiters des Induktors relativ zu allen zu härtenden Fläche erfaßt, die im Wirkbereich des Heizleiters liegen. Unter Berücksichtigung dieser Information wird der Induktor so gestellt, daß der Abstand seines Heizleiters von den zu härtenden Flächen der für das Härteergebnis optimalen Stellung entspricht. Durch die aktive Überprüfung des Abstandes des Heizleiters des Induktors von der zu härtenden Fläche ist gewährleistet, daß sich der Induktor unabhängig von Formänderungen des Bauteils während der Erwärmung in einer optimalen Arbeitsposition befindet. Auf diese Weise kann für alle zu härtenden Flächen zuverlässig ein Härteergebnis erzeugt werden, das den gestellten Anforderungen genügt.

Eine besonders kompakte und gleichzeitig robuste Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsmeßsensor von dem Induktor getragen ist. Bei einer solchen Anordnung ist der apparative Aufwand für die Befestigung und Bewegung des Abstandsmeßsensors auf ein Minimum reduziert.

Die Erfindung ist insbesondere für solche Anwendungsfälle geeignet, bei denen der Induktor bei der Bearbeitung längs der zu härtenden Fläche geführt wird, so daß diese Fläche kontinuierlich aufeinanderfolgend erwärmt und abgeschreckt wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in diesem Zusammenhang dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Abstand des Heizleiters des Induktors von der zu härtenden Fläche während des Erwärmens laufend erfaßt wird und daß der Abstand bei einer über einen Toleranzbereich hinausgehenden Abweichung des Ist- Abstands von dem Soll-Abstand verstellt wird, bis der Ist-Abstand unter Berücksichtigung des Toleranzbereiches dem Soll-Abstand entspricht. Bei diesem Vorgehen wird der Induktor nicht nur für den Beginn des Härtevorgangs in eine optimale Position in Bezug auf die zu härtende Fläche gebracht, sondern es wird laufend überprüft, ob der Induktor bei seiner Bewegung entlang der zu härtenden Fläche diesen optimalen Abstand beibehält.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, welche insbesondere für das Härten der Flanken von Zähnen an Zahnrädern oder Flächen an vergleichbaren Bauteilen geeignet ist, bei denen der Induktor zum Erwärmen der zu härtenden Fläche in eine Vertiefung eingeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Abstandsmeßung die Eindringtiefe des Heizleiters des Induktors erfaßt wird und daß die Position des Induktors in Abhängigkeit von der jeweils erfaßten Eindringtiefe eingestellt wird. Auf diese Weise ist auch beim Einführen des Induktors in eine Vertiefung auf einfache Weise gewährleistet, daß ein optimaler Abstand zu allen hinsichtlich der Härtung kritischen Flächen der Vertiefung eingestellt wird.

Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zu diesem Zweck beigefügten Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Vorrichtung zum Härten eines innenverzahnten Zahnrades in seitlicher Ansicht;

Fig. 2 einen in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 eingesetzten Induktor in einer perspektivischen Ansicht.

Die Vorrichtung zum Härten eines ringförmigen, mit einer Innenverzahnung I versehenen, einen großen Durchmesser aufweisenden Zahnrades Z umfaßt eine hier nicht gezeigte Steuer- und Energieversorgungseinrichtung sowie einen Halter 1. Der Halter 1 ist im von dem Zahnrad Z umgrenzten Raum angeordnet und mittels einer ebenfalls nicht dargestellten Stelleinrichtung in einem räumlichen Koordinatensystem in mindestens drei Freiheitsgraden verstellbar. Auf diese Weise kann der Halter 1 in Längsrichtung L längs der Zahnflanken F1, F2, F . . . der Zähne Z1, Z2, Z . . . des Zahnrades Z verfahren werden. Gleichzeitig kann die Stelleinrichtung den Halter 1 in radialer Richtung R verfahren, um den Halter 1 an das Zahnrad Z anzunähern oder von diesem zu entfernen.

Der Halter 1 trägt an seinem unteren Ende einen Induktor 2, welcher in Richtung der Zähne Z1, Z2, Z . . . des Zahnrades Z gerichtet ist. Zusätzlich trägt der Halter 1 an seinem unteren Ende eine Abschreckbrause 3, deren Düsen in Richtung der Zähne Z1, Z2, Z . . . des Zahnrades Z gerichtet sind. Mindestens eine weitere Kühldüse 4 ist oberhalb des Induktors 2 angeordnet.

Der Induktor 2 umfaßt einen von dem Halter 1 in radialer Richtung R in Richtung des Zahnrades Z stehenden Träger 5, an dessen freiem Ende ein Heizleiter 6 lösbar befestigt ist. Die Form des Heizleiters 6 ist an den im wesentlichen dreiecksförmigen Querschnitt der zwischen zwei Zähnen Z1, Z2 jeweils vorhandenen Vertiefungen V des Zahnrades Z angepaßt, wobei die Spitze S des Heizleiters 6 zur Grundfläche G der Vertiefung V weist. Auf diese Weise induziert der Heizleiter 6 im Betrieb ein elektromagnetisches Feld beispielsweise sowohl in die Flanke F1 des Zahnes Z1 als auch in die dieser Flanke F1 gegenüberliegende Flanke F2 des Zahns Z2. Gleichzeitig wird die Grundfläche G der Vertiefung V von dem magnetischen Feld erfaßt.

Durch den Induktor 2 werden so gleichzeitig jeweils die einer der Vertiefung V zugeordneten Flanken F1, F2 von zwei benachbart der jeweiligen Vertiefung zugeordneten Zähnen Z1, Z2 des Zahnrads Z als auch die Grundfläche G der Vertiefung erwärmt, so daß nach der anschließenden Abkühlung in diesen Flächenbereichen jeweils eine Härtezone H1 von ausreichender Tiefe entsteht.

Auf dem Heizleiter 6 angeordnet ist ein weiterer Träger 7, an dem zwei Abstandssensoren 8, 9 befestigt sind. Der eine Abstandssensor 8 ist dabei der Zahnflanke F1 des einen die jeweilige Vertiefung V begrenzenden Zahnes Z1 zugeordnet, während der andere Abstandssensor 9 oberhalb der Spitze S des Heizleiters 6 positioniert ist. Auf diese Weise erfaßt der Abstandssensor 8 den Abstand Af zwischen der Flanke F1 und dem Heizleiter 6 während der Abstandssensor 9 den Abstand Ag zwischen der Grundfläche G und der Spitze S des Heizleiter 6 feststellt. Selbstverständlich kann erforderlichenfalls ein weiterer Sensor auf der der Flanke F2 des Zahnes Z2 zugeordneten Seite des Trägers 7 angeordnet sein.

Die Flanken F1, F2, F . . . der Zähne Z1, Z2, Z . . . des Zahnrads Z werden Zahn für Zahn aufeinanderfolgend gehärtet, wobei der Induktor 2 mit seinem Heizleiter 6 jeweils in eine Ausgangsposition in einer der Vertiefungen V bewegt wird und ausgehend von dieser Position die Härtung durchgeführt wird. Während des Zustellens des Induktors 2 wird mit Eintauchen des Induktors 2 in die jeweilige Vertiefung V von den Abstandssensoren 8, 9 ein dem jeweils erfaßten Abstand Af bzw. Ag entsprechendes Signal an eine nicht dargestellte Meßeinrichtung geliefert, welche Teil der Steuer- und Energieversorgungseinrichtung ist. In Abhängigkeit von den jeweils gemessenen Abständen Af und Ag verstellt die Stelleinrichtung den Induktor 2 so lange, bis die vorgegebenen Soll-Abständen entsprechende Position des Heizleiters 6 erreicht ist. Anschließend verfährt die Stelleinrichtung den Induktor 2 und damit einhergehend den mit elektrischer Energie beaufschlagten Heizleiter 6 in Längsrichtung L entlang der zu härtenden Flächen F1, F2 und G. Die dabei jeweils erwärmten Abschnitte werden unmittelbar anschließend von den von der Abschreckbrause 3 abgegebenen Kühlstrahlen abgeschreckt, so daß in einem kontinuierlichen Vorgang im Bereich der Flächen F1, F2, G die erforderliche Härtezone H1 erzeugt wird. Die Kühldüse 4 stellt gleichzeitig sicher, daß es im Bereich des Kopfes der Zähne Z1, Z2 zu keiner übermäßigen Erwärmung kommt.

Stellt die Meßeinrichtung während der Bewegung des Induktors 2 fest, daß einer der Abstände Af, Ag in unzulässiger Weise von den zugehörigen Soll-Abständen abweicht, so verstellt die Stelleinrichtung den Induktor 2 solange, bis die Soll-Abstände wieder erreicht sind. Auf diese Weise erhält die Härtezone H1 über die Länge der Zähne Z1, Z2 einen gleichmäßigen Verlauf und eine optimale Eindringtiefe.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Härten der eine Vertiefung (V) zwischen jeweils zwei Zähnen (Z1, Z2) eines Zahnrades (Z) oder einer Zahnstange begrenzenden Flächen (F1, F2, G) mit einem Induktor (2) zum Erwärmen der jeweils zu härtenden Fläche (F1, F2, G), einer Abschreckeinrichtung (3) zum Abkühlen der erwärmten jeweils zu härtenden Fläche (F1, F2, G) und mindestens einer Stelleinrichtung zum Verstellen der Positionen des Induktors (2) in Abhängigkeit vom Signal eines Abstandsmeßsensors (8), der den jeweiligen Abstand (Af) des Heizleiters (6) des Induktors (2) von der zu härtenden Fläche (G) feststellt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Abstandsmeßsensor (9) vorgesehen ist, daß jeder der Abstandsmeßsensoren (8, 9) einer anderen zu härtenden Fläche (F1, F2, G) zugeordnet ist und daß die Verstellung des Induktors (2) in Abhängigkeit sowohl vom Signal des ersten Abstandsmeßsensors (8) als auch vom Signal des zweiten Abstandsmeßsensors (9) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmeßsensoren (8, 9) von dem Induktor (2) getragen sind.

3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (2) entlang der zu härtenden Fläche (F1, F2, G) verfahrbar ist.

4. Verfahren zum Härten der eine Vertiefung (V) zwischen jeweils zwei Zähnen (Z1, Z2) eines Zahnrades (Z) oder einer Zahnstange begrenzenden Flächen (F1, F2, G), bei dem die zu härtenden Flächen (F1, F2, G) mittels eines Induktors (2) induktiv erwärmt werden und bei dem die erwärmten zu härtenden Flächen (F1, F2, G) anschließend abgeschreckt werden, wobei mindestens während des Zustellens des Induktors (2) zu der zu härtenden Fläche der Abstand (Af, Ag) des Heizleiters (6) des Induktors (2) zu der Fläche (F1, F2, G) erfaßt wird und das Zustellen des Induktors (2) beendet wird, wenn der erfaßte Abstand (Af, Ag) einem Soll-Abstand entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Zustellen des Induktors (2) in Abhängigkeit von den Signalen mindestens zweier Abstandsmeßsensoren (8, 9) erfolgt, die den Abstand des Induktors (2) von zwei unterschiedlichen zu härtenden Flächen (F1, F2, G) erfassen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu härtenden Flächen (F1, F2, G) des Bauteils (Z) nacheinander gehärtet werden.