Auf den Punkt gebracht

Fokus/Laser

Die Härtung der Nockenstücke neuerer KFZ-Motoren bringt herkömmliche Technologien wie das Induktions- und Elektronenstrahlhärten an ihre Grenzen. Im Motorenwerk eines deutschen Automobilherstellers wird deshalb ein diodenlaserbasierendes Härteverfahren eingesetzt, das mit Präzision und hoher Prozessgeschwindigkeit überzeugt. Eine Anlage mit vier Laserline-Diodenlasern reicht aus, um eine Motorenfertigungslinie mit Nockenstücken zu versorgen.

14. Mai 2018
Schliffbilder von Nocken, links das typische Design mit mittigem Durchlass für die Trägerwelle. Bild: Fraunhofer IWS
Bild 1: Auf den Punkt gebracht (Schliffbilder von Nocken, links das typische Design mit mittigem Durchlass für die Trägerwelle. Bild: Fraunhofer IWS)

Nockenwellen spielen im Automobilbau seit Langem eine Schlüsselrolle. Sie sind fester Konstruktionsbestandteil sogenannter Hubkolbenmotoren, zu denen auch die derzeit am weitesten verbreiteten Verbrennungsantriebe zählen – der Otto- und der Dieselmotor. Die rotierenden Nocken steuern die Stellung der Ein- und Auslassventile des zylindrischen Arbeitsraums, in dem der eigentliche Verbrennungsprozess stattfindet. Mit ihrer Hilfe wird somit der Ladungswechsel, das heißt die Zu- und Abfuhr von verbrennungsfähigem Frischgas oder verbranntem Abgas reguliert.

Bedingt durch die Weiterentwicklung der Antriebstechnik hat sich der Aufbau solcher Nockenwellen mit der Zeit jedoch deutlich verändert. Während in Motoren älterer Bauart nur ein Nocken pro Ventil benötigt wurde, setzen neuere Antriebe auf flexiblere Ventilsteuerungen und sehen dementsprechend oft zwei bis drei teils fixe, teils axial verschiebbare Nocken pro Ventil vor. Auf der Grundlage solcher Konstruktionen lassen sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Last wechselnde Steuerzeiten realisieren – bis hin zur kompletten Zylinderabschaltung, bei der Ein- und Auslassventile gleichzeitig geschlossen werden.

Moderne Nockenwellen sind somit komplexe Systeme geworden, bei denen sich auf einem Nockenstück mehrere eng nebeneinander angeordnete Nocken und meistens auch eine Schaltkulisse zur Realisierung der Axialbewegungen befinden. Sie sind oft integraler Bestandteil sogenannter Haubenmodule, welche die Nockenwellen samt Ventilsteuerungen sowie Nockenwellenlagerung und Ventildeckel umfassen.

Wandel im Herstellungsprozess bringt klassische Härteverfahren an ihre Grenzen

Dieser Wandel in der Konstruktion von Nockenwellen hat selbstverständlich auch Auswirkungen auf den Herstellungsprozess. Anders als in der Vergangenheit werden diese Wellen heute nicht mehr an einem Stück gegossen oder geschmiedet. Vielmehr entstehen Trägerwellen und Nockenstücke gewöhnlich getrennt. Letztere werden dabei als sogenannte Hohlwellen gefertigt, auf denen die fixen und beweglichen Nocken aufsitzen – ein Design, das hohe Ansprüche an die Produktionstechnik stellt. Eine zentrale Herausforderung ist dabei die Härtung jener Nockenstückbereiche, die im Motorenbetrieb besonders hohen Belastungen ausgesetzt und so von frühzeitigem Verschleiß bedroht sind. Hierzu zählen Schaltkulissen, Nockenlaufbahnen und Nuten, aber auch die Rastzähne im Durchlass einer Nocke, die deren jeweilige axiale Position auf der Trägerwelle fixieren. Diese komplexen und filigranen Strukturen erfordern in der Serienfertigung von Nockenstücken ein anlagentechnisch wenig aufwendiges Härteverfahren, das binnen kurzer Prozesszeiträume eine punktgenaue und energieeffiziente Härtung ohne übermäßigen Nachbearbeitungsbedarf ermöglicht. Nur so ist letztendlich eine Prozessführung möglich, die nicht nur überzeugende Ergebnisse bringt, sondern sich auch wirtschaftlich uneingeschränkt vertreten lässt.

Die etablierten Verfahren zur Nockenhärtung, so hat sich mittlerweile gezeigt, sind mit diesen Anforderungen nur noch bedingt vereinbar. Speziell das bislang meistverbreitete Verfahren, das Induktionshärten, stößt hier über weite Strecken an seine Grenzen. So fällt etwa beim induktiven Härten von Strukturen im Durchlass der Nocken ein unverhältnismäßig hoher Energieverbrauch an, was die Eignung des Verfahrens bereits grundlegend infrage stellt.

Hinzu kommt, dass beim Induktionshärten prinzipiell ein hoher Energieeintrag in das Bauteil realisiert wird, der insbesondere bei feineren Strukturen zu erheblichem Materialverzug führt. Ein solcher Verzug muss dann durch Aufmaß und Abschleifen ausgeglichen werden, hat also einen immensen Nachbearbeitungsaufwand zur Folge. Das Härten der Nutbahnen und Nutgründe der Außennuten auf dem Nockenstück ist sogar induktiv überhaupt nicht darstellbar. Per Induktionshärtung können Nockenstücke der neueren Generation also nicht mehr sinnvoll bearbeitet werden.

Eine Alternative zur Induktion stellt die Elektronenstrahlhärtung dar, die in der Automobilindustrie bereits Anwendung gefunden hat. Dieses Verfahren ermöglicht eine präzise Bearbeitung, die im Werkstück allenfalls geringen Verzug verursacht und so auch den Nachbearbeitungsbedarf minimiert. Nachteil der Technologie ist allerdings der aufwendige und damit kostenintensive Verfahrensaufbau: Allein die Tatsache, dass die Elektronenstrahlhärtung prinzipiell im Vakuum durchgeführt werden muss, bedeutet im Vergleich zu anderen Verfahren einen Zusatzaufwand. Das ist jedoch nicht einmal das zentrale Problem.

Als weitaus kritischer erweist sich der Umstand, dass sich Elektronenstrahlen nicht mittels Führungsrobotiken oder anderen Technologien um ein Werkstück herumbewegen lassen. Stattdessen muss das Werkstück selbst in wechselnde Positionen gedreht werden, damit es durch den Strahl bearbeitet werden kann. Das bedeutet gerade bei komplexen Bauteilgeometrien einen derart hohen mechanischen Aufwand, dass dieses Verfahren kaum noch als wirtschaftlich bezeichnet werden kann.

In einem Werk eines großen deutschen Automobilherstellers, das Motoren und Motorbauteile für alle bestehenden Konzernmarken fertigt, ist das Induktionshärten deshalb durch eine andere Technologie ersetzt worden: das Laserstrahlhärten.

Laserstrahlhärten mit Diodenlasern als Alternative

Es war zuvor schon im Rahmen der Herstellung von Kraftstoffeinspritzsystemen zum Härten von Drosselmodulen eingesetzt worden, ansonsten aber bislang nur sehr selten zur Anwendung gekommen – vor allem deshalb, weil die Laserstrahlquellen in der Vergangenheit überaus kostspielig waren und beim Härten anderer Motorbauteile keine Amortisierung versprachen.

Nachdem der Preis für Industrielaser in den letzten Jahren jedoch immer weiter gesunken ist, rücken die Vorteile des Laserhärtens heute umso deutlicher ins Blickfeld: Es ermöglicht wie das Elektronenstrahlhärten eine schnelle und präzise lokale Bearbeitung mit geringem Wärmeeintrag in das Werkstück. Bauteilverzug und Nachbearbeitungsaufwand sind dadurch minimal. Der anlagentechnische Aufwand ist zudem weitaus niedriger als beim Elektronenstrahlhärten. Der Laser kann im Gegensatz zum Elektronenstrahl in flexiblen Bahnen über ein Bauteil geführt werden, darüber hinaus wird keine Vakuumkammer benötigt. Der geringe Wärmeeintrag reduziert die Energiekosten, die kurze Einwirkzeit bei präziser Behandlung nur der nötigsten Materialvolumina stellt eine hohe Prozessgeschwindigkeit sicher. Das Laserhärten erfüllt somit alle Anforderungen an ein zeitgemäßes, dem Design neuerer Nockenstücke angemessenes Härteverfahren.

Im Motorenwerk wird das Härten von Nockenstücken durch einen Prozess umgesetzt, der vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden entwickelt wurde. Die Härtung der Bauteile erfolgt unter Einsatz von LDF-6000-60- und LDF-2000-60-Diodenlasern von Laserline sowie Mess- und Regelsystemen, Laserscannern und Fixoptiken des Fraunhofer IWS. Die Hochleistungsdiodenlaser bieten sechs oder zwei Kilowatt Ausgangsleistung sowie 60 mm·mrad Strahlqualität und lassen sich binnen Millisekunden fein abgestuft regulieren, was eine hochpräzise Anpassung des Wärmeeintrags ermöglicht.

Die optischen Komponenten des Fraunhofer IWS wiederum realisieren eine dynamische Strahlformung, bei der Ausrichtung und Intensitätsverteilung des Laserspots bei laufendem Prozess exakt an die Bauteilgeometrie adaptiert werden. Diese leistungsstarke Kombination aus Wärmeeintrags-Feinabstufung und Strahlformungsdynamik stellt sicher, dass an jeder zu härtenden Stelle des Nockenstücks – seien es Nockenlaufbahnen, Nuten oder Rastzähne – eine bedarfsoptimierte Bearbeitung stattfinden kann, die ohne störenden Mate-rialverzug die nötige Verschleißresistenz erzeugt. Das Risiko, filigrane Kanten oder Strukturübergänge durch zu starke Laserstrahleinwirkung abzuschmelzen, besteht letztlich ebenso wenig wie die Gefahr, an materialstarken Stellen nicht die erforderliche Härtetiefe zu erreichen.

Vier Laserline-Diodenlaser härten Nockenstücke einer Fertigungslinie

Da Laserline-Diodenlaser mit einem elektrischen Wirkungsgrad von annähernd 50 Prozent die höchste Energieeffizienz der derzeit am Markt verfügbaren Industrielaser erreichen, sinken bei diesem Prozessaufbau auch die von Haus aus niedrigen Energiekosten des Laserhärtens noch einmal deutlich. Zudem wirkt sich nicht zuletzt die lange Lebensdauer der verschleiß- und wartungsarmen, für rund 30.000 Betriebsstunden ausgelegten Diodenlaser überaus positiv auf die Gesamtbetriebskosten der Anwendung aus.

Aufgrund der hohen Qualität von Lasern und Optiken sowie der kurzen Prozesszeiten beim Härten der einzelnen Bereiche reicht in dem deutschen Motorenwerk eine Anlage mit nur vier Diodenlasern aus, um eine gesamte Motorenfertigungslinie mit Nockenstücken zu versorgen. Gehärtet werden hier vorbearbeitete Bauteile aus 42CrMo4-Vergütungsstahl (AISI 4140), die in 1,5-Liter-Motoren mit DOHC-Ventilsteuerung (Double Overhead Camshaft) und Zylinderabschaltung verwendet werden.

Der vom Fraunhofer IWS entwickelte Härteprozess läuft dabei in zwei Stufen ab: Im ersten Prozessschritt werden zunächst unter simultanem Einsatz zweier Sechs-Kilowatt-Diodenlaser die besonders strapazierten Außenbereiche der Nocken und des Grundkreises gehärtet, wobei jeweils ein Laser den Nocken und der andere den Grundkreis bestrahlt. Im Rahmen dieses Prozesses wird – ein Beispiel für dynamische Strahlformung – unter anderem an der Nockenspitze die Intensität des Laserstrahls leicht abgesenkt, um keine funktonalitätsschädigende Verformung zu provozieren. Im Anschluss erfolgt die Härtung von Nutflanken und Nutgrunden mit jeweils zwei Zwei-Kilowatt-Diodenlasern und prozessangepassten Fixoptiken, die über Strahlweichen abwechselnd aktiv geschaltet werden.

Nach Abschluss dieses Härteschritts erfolgt ein Zerspanungsvorgang, bei dem der Durchlass der verschiebbaren Nocken geräumt und der Rastzahn final konturiert wird. Dieser Schritt wird bewusst nicht vor dem ersten Härten vorgenommen, um mögliche Bauteilverzüge problemlos abfangen zu können und keine Schäden an den filigranen Strukturen im Durchlass der Nocken zu riskieren. Ist das Räumen beendet, wird im zweiten Härteschritt unter erneutem Einsatz der Zwei-Kilowatt-Diodenlaser der Rastzahn gehärtet.

In allen bearbeiteten Bereichen wird auf der Grundlage dieses Prozessaufbaus durchgehend eine Vickershärte von mehr als 620 HV erreicht. Darüber hinaus besticht der Prozess durch eine exzellente Reproduzierbarkeit. Dazu trägt unter anderem der Einsatz eines kamerabasierenden Temperaturerfassungssystems bei, das über den gesamten Prozessablauf hinweg eine präzise Temperaturkontrolle ermöglicht.

Die einzelnen Bauteilkonturen werden in kurzen Abständen nacheinander gehärtet. Jeder einzelne Härteprozess beginnt bei identischer Bauteiltemperatur, der Abkühlungsvorgang nach der Laserbestrahlung läuft in Form einer Selbstabschreckung bei Raumluft mit geringfügiger Druckluftunterstützung ab. Dadurch entfällt der anlagentechnische und energetische Aufwand für den Betrieb eines speziellen Kühlsystems, und in der Härteanlage kann ein raumluftgekühlter Teilepuffer für die kontinuierliche Beschickung der einzelnen Abschnitte vorgehalten werden.

Für viele Komponenten interessant

Das diodenlaserbasierende Nockenstückhärten wurde zunächst nur bei einer Motorenfertigungslinie realisiert. Es hat sich jedoch so rasch bewährt, dass mittlerweile die zweite Härteanlage mit vier Diodenlasern in Betrieb gegangen ist. Damit hat das diodenlaserbasierende Härten erstmals in der Serienfertigung von Motorbauteilen Fuß gefasst und dürfte künftig für die Härtung weiterer Komponenten infrage kommen. Drehmomentwandler wären hier ebenso denkbar wie Schaltgabeln oder Kupplungen.

Eine sinnvolle Option ist das Verfahren überall dort, wo die Komplexität von Bauteilgeometrien steigt und das klassische Induktionshärten an seine Grenzen stößt. Es ist nicht so aufwendig und günstiger als das Elektronenstrahlhärten und ermöglicht exakt reproduzierbare Prozesse mit hoher Bearbeitungspräzision. Damit ist es über den Motorenbau hinaus für die Härtung vieler anderer Bauteile mit komplexen Geometrien interessant.

Erschienen in Ausgabe: 03/2018

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