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Dokumentenidentifikation DE3931164A1 29.03.1990
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Härtung von Oberflächen an rißgefährdeten Werkstücken
Anmelder Zahnradfabrik Friedrichshafen AG, 7990 Friedrichshafen, DE
Erfinder Pärtzel, Karl-Heinz, 7990 Friedrichshafen, DE
DE-Anmeldedatum 19.09.1989
DE-Aktenzeichen 3931164
Offenlegungstag 29.03.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.03.1990
IPC-Hauptklasse C21D 1/667
IPC-Nebenklasse C21D 1/04   C21D 1/06   
Zusammenfassung Bei diesem Verfahren mit Vorrichtung zur Härtung von Oberflächen an rißgefährdeten Werkstücken (1) ist eine Einspann- oder Auflage-Vorrichtung (2) vorgesehen, zu welcher mit der Maschinensteuerung (MS) zusammenwirkende und wärme- bzw. stoßgeschützt-befestigte Rißbildungssensoren (3) zur Erfassung und Messung von eventuell beim Abschrecken des von einem Wärmegebers (5) erhitzten Werkstückes (1) mittels der Brause (6) auftretenden Risse gehören.
Damit wird sowohl die Kontrolle jedes einzelnen Werkstückes (1) ohne Zeitverlust als auch die örtliche und bedienungsmäßige Zusammenlegung von Härtung und Rißprüfung unter Bauraum- und Personalersparnissen möglich sowie dank beschleunigter Fehlererkennung auch die Gefahr größerer Ausschußmengen reduziert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Härtung von Oberflächen an rißgefährdeten Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Bei Härteverfahren dieser Art wird der zu härtende Oberflächenbereich mittels Flammstrahlern oder Induktionsglühen örtlich intensiv bis über ca. 800°C erwärmt und anschließend, noch ehe die Wärme ins Innere abgeleitet wird, durch eine Wasserbrause bzw. eine Ölbespülung abgeschreckt. (Siehe z. B. auch Dubbel I 1953 S. 515 Abs. 4 + 5.) Je nach Form und Wandstärke des Werkstückes ist bei diesen Härteverfahren eine Gefahr der Rißbildung bzw. auch des Verziehens gegeben. Gegen das Verziehen wird in der Regel eine lagefixierende konturentreue Einspann- bzw. Auflage-Vorrichtung verwendet. Eine Abschreckung, die nicht auch Gefügerisse hervorruft, erfordert viel Sorgfalt und oftmals langwierige Vorversuche und Einstell-Experimente, weil sowohl die Werkstoffbeschaffenheit als auch die Werkstückgestaltung neben den Betriebsbedingungen der Erwärmungs- und Abschreckphase dabei von entscheidender Bedeutung sind. Zur Ermittlung günstiger Verfahrensbedingungen und Erkennung eventuell schadhafter Werkstücke wurden diverse manuelle und auch teilweise automatisierte Rißprüfungsverfahren und -einrichtungen entwickelt. Dabei werden die aus dem Härteverfahren entnommenen Werkstücke abseits vom eigentlichen Fertigungsdurchlauf in der Regel stichprobenartig und in besonderen Einspann- bzw. Auflage- Vorrichtungen auf Risse überprüft und aus den Ergebnissen Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der restlichen Werkstücke aus der gleichen Serie gezogen. Als Rißerkennungsmethode sind insbesondere die Ölkochprobe, die Fluoreszenzprobe, das Magnetpulververfahren sowie diverse andere magnet-elektrische oder -akustische Verfahren bekannt geworden (s. G. Benkowski, Induktionserwärmung S. 138 Abs. 4). Das Prospekt 13/76 d der Firma TIEDE, D-7081 Essingen bei Aalen beschreibt beispielsweise ein solches verbreitetes magnetelektrisches Rißprüfungs- Verfahren auf einer von der Härtemaschine örtlich und ablaufmäßig völlig abgetrennten Einrichtung, für die also zusätzlich zur eigentlichen Härteeinrichtung neben erheblichem eigenem Platz- und Investitions-Bedarf auch noch eigene speziell ausgebildete Arbeitskräfte benötigt werden. Derartige separate Einrichtungen erhöhen nicht nur die Werkstückkosten, sondern auch die Durchlaufzeiten und erfordern zudem meistens oft separate Zwischenlager und Transportmittel, da ihre Ausstoßtakte länger als die der Härtemaschine sind. Die zeitlich dem eigentlichen Härtevorgang oftmals ziemlich verspätet nachfolgende und meist nur stichprobenweise Untersuchung der Werkstücke kann dann weder eine sofortige Meldung unbrauchbarer Härteergebnisse bewirken noch größere Ausschuß-Anteile verhüten helfen. Oftmals werden dabei unbeabsichtigt schadhafte Teile noch fertigbearbeitet und womöglich sogar montiert, ohne deren Fehler sofort zu erkennen und sie rechtzeitig auszusondern.

Damit können sich dann noch weitere Haftungs- und Folgeschaden-Probleme ergeben, die ursächlich auf die Unvollkommenheit und zeitliche Verzögerung der Rißprüfung nach dem Abschrecken zurückzuführen sind.

Die Aufgabe der Erfindung wird hiervon ausgehend darin gesehen, ein Härteverfahren vorzuschlagen, bei welchem eine Rißprüfung jeden einzelnen Werkstückes möglichst unmittelbar zeitgleich mit der Abschreckungsphase zusammen stattfindet, ohne daß dazu eine neue Einspannung an anderer Stelle erfolgen muß und eine separate Maschine nötig wird.

Gleichzeitig soll die Entnahme des Werkstückes auch so gesteuert werden können, daß schadhafte Werkstücke sofort aussortiert und selbsttätig getrennt von den zur Weiterbearbeitung gehenden Werkstücken abgelegt werden können.

Die Lösung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 insbesondere dadurch erreicht, daß die Einspann- bzw. Auflage-Vorrichtung der Härtemaschine für alle Werkstücke unmittelbar auch als Teil einer Rißprüfungseinrichtung verwendet wird, indem sie unmittelbar selbst mit entsprechenden Sensoren zur Rißerkennung ausgestattet wird und mit einer Steuerung sowie einer Werkstückentnahme zusammenwirkt, durch die das Werkstück entweder als schadhaft erkannt und ausgesondert oder als fehlerfrei durchläuft und in Richtung Weiterbearbeitung geschickt wird.

Durch die zeitliche und örtliche Zusammenlegung von Erwärmung bzw. Abschreckung und Rißprüfung wird es nun mit Hilfe eines entsprechend schnellen Rißprüfsystems möglich, jedes einzelne gehärtete Werkstück ohne wesentlichen zusätzlichen zeitlichen, platzmäßigen oder personellen Aufwand im kritischsten Moment und bei identischen Bedingungen zu prüfen und ein Auftreten von die Rißbildung verursachenden Abweichungen von einmal als optimal ermittelten Betriebsbedingungen sofort noch vor dem Entstehen größerer Ausschußmengen zu erkennen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. - Sowohl die Automatisierung als auch die Genauigkeit der Meßergebnisse werden verbessert, wenn stets zu einem genau festlegbaren Zeitpunkt nach Beendigung der Erwärmungsphase bzw. in einer exakten zeitlichen Relation zum Beginn der Abschreckphase vom Werkstück emittierte Rißbildungssignale über vorzugsweise piezoelektrische Schallemissions-Aufnehmer ausgeführte Sensoren erfaßt und deren Signale auf an sich bekannte Weise entsprechend verstärkt und selektiert in der zentralen Maschinensteuerung ausgewertet werden.

Entsprechende Laser-Signale lassen sich sinngemäß sogar ohne unmittelbaren Werkstückkontakt abnehmen. - Als Rißbildungssignal für ein schadhaftes Werkstück kann auch ein Wiederanstieg des Schallpegels nach einer vorgegebenen Zeitspanne nach Beginn der Abschreckung neben bestimmten Kriterien aus dem Verlauf des Schallpegelabfalles dienen.

Weiterhin kann ein schadhaftes Werkstück auch erfaßt werden, wenn sein Schallpegelabfall im Vergleich zu einer Referenz-Kurve um einen vorgegebenen Prozentwert von einem Grenzwert abweicht.

Meßtechnisch günstig ist auch die Erfassung zweier getrennter Signale, von denen mindestens eines zu Vergleichszwecken über einen Prüfgenerator erzeugt und durch das Werkstück geleitet wird. Die Veränderungen des Prüfsignales nach dem Durchgang durch das Werkstück gelten dann als Abweichung vom Sollzustand.

Die Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens kann sich darauf beschränken, daß an der Einspann- bzw. Auflage-Vorrichtung an geeigneter Stelle ein Sensor zur Rißerkennung derartig vorgesehen ist, daß eine momentane und reproduzierbare Auswertung aller durchgehenden Werkstücke gelingt. Die Anbringung des zur Erfassung von Rißbildungssignalen geeigneten Sensors wird bei Schallmessungen auf piezoelektrische Weise vorteilhaft mit einem bestimmten Anlegedruck gegen das Werkstück während des Einspannens vorgenommen. Wenn auf der einen Seite des Werkstückes ein Prüfsignal-Sender am Werkstück angelegt ist und auf der anderen Seite ein Empfangs-Sensor, bedarf es meistens einer Einspannvorrichtung mit zwei parallelen Wangen.

Die Anordnung der Sensoren bzw. Signalgeber in der Einspann- bzw. Aufnahmevorrichtung bietet auch die Möglichkeit, sie dort, eventuell durch zusätzliche Kühlung, vor Wärmeeinflüssen oder mechanischen Beschädigungen durch entsprechend gestalteten Einbau zu schützen. Bei Schallabnahme über Laserstrahl kann die Wärmeauswirkung noch leichter begrenzt werden.

Dadurch, daß die Härtung auf der gleichen Maschine erfolgt, in deren Maschinensteuerung erfindungsgemäß nun auch ein Logikschaltkreis sowohl mit einem Impulsgenerator zur Beschallung des Werkstückes als auch mit einem Empfangsverstärker sowie Einrichtungen zur Ergebnisanzeige, Sortierung, Werkstücktransport und Manipulator-Steuerungen beim Einlegen und Herausnehmen auf der Einspannung steuerungstechnisch verbunden sind, stellt das Gesamtaggregat eine sowohl die Qualität als auch die Quantität der Fertigungsanlagen erheblich verbessernde Investition ohne zusätzliche Arbeitskräfte und Platz-Bedarf dar.

Indessen lassen sich ohne allzu große Eingriffe auch vorhandene Härtemaschinen mit entsprechenden Zusatzgeräten gemäß der Erfindung umrüsten und damit Platz und Arbeitsmittel sowie Personal für getrennte Rißprüfungen selbst dann einsparen, wenn nunmehr jedes einzelne Werkstück die Rißprüfung gleichzeitig und ohne Zwischentransport während des Abschreckungs-Vorganges durchläuft.

Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen aus der Aufgabenstellung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt Einbaubeispiele für Rißbildungs- Sensoren als Schallgeber, beispielsweise mit piezoelektrischer Funktion, die aus einer Einspannvorrichtung gegen ein auf einem Dorn aufgespanntes Werkstück angelegt sind;

Fig. 2 zeigt diese Anordnung im Querschnitt am Beispiel einer Induktionshärtung mit Oberflächenhärtung einer ein ringförmiges Werkstück am Außenumfang anschneidenden Längsnut;

Fig. 3 zeigt ein Blockschema für die Härtanlage mit integrierter Rißprüfung;

Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Fertigungseinrichtung von der Härteanlage bis einschließlich der nachgeschalteten Werkstücksortiereinrichtung.

In Fig. 1 befindet sich das Werkstück 1, dessen Längsnut 11 einer Oberflächenhärtung unterzogen werden soll, auf einem Dorn 21 der Einspann- bzw. Auflage-Vorrichtung 2. Dabei ist das Werkstück durch Zentriermittel 22 in einer bestimmten Position, welche alle anderen Werkstücke der gleichen Bauart beim Härten und Rißprüfen ebenfalls identisch einnehmen müssen, rüttelfest gehalten und die Vorrichtung 2 gegen Erschütterungen aus der Umgebung isoliert. Rißbildungs-Signalgeber 3 bzw. 31, 32, 33, 34 sind dabei an der Einspann- bzw. Aufspannvorrichtung 2 so angebracht, daß jedes der verschiedenen aufzuspannenden Werkstücke zu ihnen dieselbe Orientierung erfahren muß. Ein zum Abhorchen der in die Vorrichtung 2 gelangenden Rißbildungssignale geeigneter Rißbildungs-Signalgeber 31 kann beispielsweise über einen Spezialkleber 311 mit der Vorrichtung 2 innig verbunden sein.

Im Inneren des Werkstückes 1 auftretende Rißbildungssignale können auch günstig aufgefangen werden durch einen den Aufspanndorn 21 in einer Querbohrung 321 durchdringenden Rißbildungssignalgeber 32, welcher mittels einer auf eine Feder 322 drückenden Einstellschraube 323 unter einer stets gleichgroßen Vorspannung gegen das Werkstück 1 von innen her angepreßt wird. Auf sinngemäß gleiche Weise können Rißbildungssignalgeber 33 und 34 aus den Wangen der Einspann- bzw. Auflage-Vorrichtung 2 heraus in einander gegenüberliegender Anordnung plaziert sein. Dabei kann der eine Signalgeber als Sender "s" und der andere als Empfänger "e" geschaltet sein. Die jeweiligen Verbindungskabel 4 bzw. 41, 42, 43, 44 können durch nicht gezeichnete entsprechene Nuten bzw. Bohrungen gegen mechanische Beschädigungen und unzulässige Erwärmungen geschützt durch die Vorrichtung 2 hindurch an die jeweiligen Signalgeber 3 herangeführt werden.

Im Beispiel soll die äußere Längsnut 11 eines ringförmigen Werkstückes durch einen Wärmespender 5, - beispielsweise einen Induktor oder Strahlungsbrenner - möglichst schnell und auf ausreichende Gefügeumwandlungstemperaturen erhitzt werden. Über eine Leitung 51, welche mit der zentralen Maschinensteuerung MS verbunden ist, kann die Erwärmung zeitlich und leistungsmäßig gesteuert werden. Die Abschreckungsphase des Härteverfahrens erfolgt in der Regel unter Einschaltung einer oder mehrerer Brausen 6, die über nicht gezeigte Verbindungsleitungen ebenfalls aus der zentralen Maschinensteuerung MS unmittelbar nach Beendigung der Erwärmungsphase und eventueller Entfernung des Wärmegebers 5 aus dem Abschreckungsbereich während einer exakt begrenzten Zeitdauer eingesetzt werden.

In Fig. 2 ist die Ringform des in diesem Beispiel betrachteten Werkstückes 1 mit der außen am Umfang angeordneten Längsnut 11 auf dem Dorn 21 verdeutlicht. Aus Wärmegeber 5 ist hier eine Induktorschiene in die Nut 11 passend eingelegt, welche während der Abschreckphase daraus wieder herausgezogen werden kann.

Prinzipgleiche Anordnungen sind auch mit Stangen, Platten und vielen anderen Werkstückformen sinngemäß gleichartig realisierbar. Für die während des Abschreckungsvorganges oder unmittelbar danach in der gleichen Einspannvorrichtung 2 stattfindende Erfassung eventueller Rißbildungssignale über die Rißbildungssignalgeber 3 werden dabei sinngemäß gleichartige Anordnungsbedingungen geschaffen.

In Fig. 3 ist das Grundprinzip der Rißbildungsmessung nach der Erfindung nochmals schematisch im Ablauf und dem Zusammenwirken dargestellt. In der Härtevorrichtung I seien ein Sendesensor s und ein Empfangssensor e einander gegenüberliegend angeordnet. Der Sendesensor s empfängt vom Impulsgenerator IG ein Prüfsignal zu einem in der Maschinensteuerung MS festgelegte Zeitpunkt, welcher über einen Logikbaustein L kontrolliert wird. In der Härtevorrichtung I wird das Prüfsignal infolge der Rißbildungssignale umgewandelt und vom Empfangssensor e über einen Filter F und einen Meßverstärker V zurück zum Logikbaustein geschickt. Dieser gibt die umgewandelten Signale auf eine Anzeige A und entsprechende Befehle an die Transporteinrichtung T, welche die Entnahme des Werkstückes und Weiterleitung nach Härtung bzw. nach ausgewerteter Messung vornimmt. In den Betriebsablauf entsprechend einbezogen sind ausgehend vom Logikbaustein L auch der Handhabungsroboter H sowie die eventuelle Sortiereinrichtung S, in welcher schadhafte von brauchbaren Werkstücke getrennt werden.

In Fig. 4 ist eine Anlage der beschriebenen Art dargestellt, bei der die Werkstücke 1 mittels eines Handhabungsgerätes H in die Härteanlage I nacheinander eingelegt und dort in der Einspannvorrichtung 2 während des Erwärmens und mit dem Wärmegeber 5 und des Abschreckens mit der Brause 6 festgehalten und mit den in der Vorrichtung 2 angeordneten Sensoren e und s auf Rißbildungssignale durchgemessen werden.

Das Ergebnis der Rißprüfung wird in der Maschinensteuerung MS während und unmittelbar nach der Abschreckungsphase ausgewertet und über Anzeigegeräte A dem Bedienungspersonal mitgeteilt und registriert. Gleichzeitig findet die Entnahme des Werkstückes 1 aus der Einspannvorrichtung 2 mit Hilfe des Auswurfzylinders a statt, welcher jedes Werkstück über ein Transportgerät T, an dem sich ein Sortiergerät S befindet, weiter transportiert. Das letztere leitet schadhafte Werkstücke 1 in einen Behälter für aussortierte Teile b, während die für gut befundenen Teile in einen anderen Behälter g gelangen. Der Transport T wird vorteilhafterweise über seinen Antrieb c mit dem Takt der Härtanlage I bzw. der Maschinensteuerung MS synchronisiert, um es nicht zu Materialstau oder Materialmangel kommen zu lassen. Neben der dargestellten Einrichtung bedarf es keinerlei weiterer gesonderter baulicher oder steuerungsmäßiger Vorkehrungen für die Ermittlung von rißgeschädigten Werkstücken.

Bezugszeichenliste

1 Werkstück

11 zu härtende Oberfläche

2 Einspannvorrichtung

21 Dorn

3 Rißbildungssensor

31 Sensor in Vorrichtungsstütze

311 Kontaktkleber

32 Sensor in Dorn

322 Feder

323 Einstellschraube

33, 34 Sende- und Empfangssensoren

43, 44 Einstellschrauben dazu

5 Wärmegeber bzw. Induktor oder Brenner

51 Zuleitung

6 Brause

a Auswurfzylinder

b Behälter für aussortierte Teile

c getakteter Transportantrieb

f Förderband

g Behälter für gute Teile

e Empfangssensor

s Sendesensor

IG Impulsgenerator

E Härtevorrichtung

F Filter

V Meßverstärker

L Logikbaustein

A Anzeigetafel

MS Maschinensteuerung

T Werkstücktransport nach Härtung

H Handhabungsgerät

S Sortiereinrichtung


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren und Vorrichtung zur Härtung von Oberflächen an rißgefährdeten Werkstücken,
    1. - wobei die zu härtenden Oberflächenbereiche (11) der Werkstücke (1) im wesentlichen eine Erwärmungsphase und eine unmittelbar daran anschließende Abschreckphase durchlaufen,
  2. dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß die Werkstücke (1) sowohl während der Erwärmungsphase als auch während der Abschreckphase in gleicher Einspann- bzw. Aufnahme-Vorrichtung (2) verbleiben,
    2. - und daß nach Beendigung der Erwärmungsphase jedes Werkstück (1) noch in der Einspann- bzw. Aufnahme- Vorrichtung (2) einer automatischen Rißprüfung mit elektrischem Ausgangssignal unterzogen wird,
    3. - bei welcher schadhaft gewordene Werkstücke (1) ermittelt und aus dem weiteren Fertigungsablauf eliminiert werden.
  3. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem einen oder von mehreren Sensoren (3 ... 34) aufgefangene Rißbildungssignale, welche vorgegebene Grenzdaten überschreiten, zur Ermittlung der schadhaften Werkstücke (1) dienen.
  4. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rißbildungssignale piezoelektrisch aufgenommene und verstärkte bzw. selektierte Schallemissionswerte sind, welche zu einem festgelegten Zeitpunkt nach Beendigung der Erwärmung gemessen und verarbeitet werden.
  5. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben einem auf die Veränderungen interkristalliner Spannungen im erkaltenden Werkstück zurückgehenden Signal zu Vergleichszwecken ein weiteres, über einen Prüfgenerator produziertes Vergleichssignal erzeugt, und gemessen wird.
  6. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte aus Veränderungen eines Prüfsignales infolge des Durchganges durch das Werkstück festgelegt sind.
  7. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Grenzwerte bestimmte Wiederanstiege des Schallpegels nach einer vorgegebenen Zeitspanne benutzt werden.
  8. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Werkstücke (1) sowohl während des Härteverfahrens als auch während der Rißprüfung in derselben Einspann- bzw. Auflage-Vorrichtung (2) befinden, in welcher auch der bzw. die Sensoren (3 ... 34) zur Rißerkennung angeordnet sind.
  9. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Härtung auf einer Maschine erfolgt, deren Maschinensteuerung (MS) über einen Logikschaltkreis (L) sowohl mit einem Impulsgenerator (IG) zur Beschallung des Werkstückes (1) als auch mit einem Empfangsverstärker sowie Einrichtungen zur Ergebnisanzeige (A), Sortierung (S), Werkstücktransport (T) und -handhabung (H) zum Einlegen und Herausnehmen aus der Einspannung-Vorrichtung (2) steuerungstechnisch verbunden ist.






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