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  • 法律状态
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    • 专利摘要:
    Zur Erzeugung eines gehärteten texturierten Oberflächenbereiches eines Werkstückes (22) erfolgt eine doppelte Behandlung mit einem Elektronenstrahl (16): einmal unter Gravierbedingungen (50), unter denen Material abgetragen bzw. umgeschmolzen wird, das andere Mal unter Härtungsbedingungen (48), bei denen das Material hoch erhitzt wird, wobei es aber im festen Zustand bleibt und nicht nennenswert Material abgetragen wird.
    公开号:DE102004023021A1
    申请号:DE200410023021
    申请日:2004-05-06
    公开日:2005-12-01
    发明作者:Jens Backofen；Elke Hartwig；Rolf Prof. Dr. Zenker
    申请人:Pro-Beam AG & Co Kgaa；Pro Beam AG and Co KGaA；
    IPC主号:B23K15-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur ablativen Bearbeitung von Oberflächenbereicheninsbesondere metallischer Bauteile mittels Elektronenstrahl gemäß dem Oberbegriffdes Anspruchs 1.
    [0002] Gravurensind eine Form einer ablativen Bearbeitung von Bauteilen und werdenz. B. in der Druckindustrie in Oberflächen von Druckwalzen als Farbreservoirseingebracht ( DE 29 47444 , EP 0076 868 A1 ).
    [0003] UnterVerwendung von Elektronen- und Laserstrahlen werden Oberflächengravurenauch zur Markierung bzw. Beschriftung von Bauteilen genutzt ( DD 292 109 B5 ).
    [0004] Eineweitere Anwendung des Gravierens mittels Laser oder Elektronenstrahldient der Schaffung von Schmiermittelreservoirs und damit der Verbesserungder Laufeigenschaften, insbesondere in Zylinderlaufbuchsen ( EP 0565422 B1 , DE 19809367 A1 ).
    [0005] Nichtnur im Motorenbau sondern auch im Getriebebau, in der Hydraulikindustrieund im Maschinenbau ist die Verbesserung der tribologischen Eigenschaftenvon bewegten Teilen von Interesse.
    [0006] Dasgilt gleichermaßenfür denhydrodynamischen Verschleiß,die Mischreibung und die Ein- bzw. Notlaufeigenschaften.
    [0007] Dievorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zuschaffen, das das Verschleißverhaltenvon bewegten Teilen weiter verbessert.
    [0008] DieseAufgabe ist erfindungsgemäß gelöst mit einemVerfahren, welches die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist.
    [0009] Inden Ansprüchenund in der vorliegenden Beschreibung werden zwei Arbeitsbedingungeneines Elektronenstrahles und unter diesen erhaltene Prozesse amBauteil angesprochen. Diese werden kurz als „Ablationsbedingungen" bzw. „Erhitzungsbedingungen" bzw. „ablativerProzess" und „thermischerProzess" bezeichnetwerden.
    [0010] UnterAblationsbedingungen ist die Energiedichte und die momentane Verweildauerdes Elektronenstrahls so gewählt,dass eine so starke lokale Energiezufuhr erfolgt, dass Materialvon der Oberflächeabgetragen oder unter Aufschmelzen umgelagert wird.
    [0011] UnterErhitzungsbedingungen wird die Energie des Elektronenstrahl durcheine definierte hochfrequente Strahlablenkung auf eine größere Fläche verteiltund in Kombination mit der Einwirkdauer ein Temperatur-Zeit-Profilim Bauteil so realisiert, dass das Material zumindest in einer oberflächennahenSchicht bzw. bis in eine geeignete Tiefe auf eine kritische Temperaturerhitzt wird, bei der das Material umgewandelt wird (z. B: eineGefügeänderungerfährt,so dass es bei einem reschen Abkühlen(Abschrecken) gehärtetwird). Unter thermischen Prozessen sollen in den Ansprüchen undder vorliegenden Beschreibung auch solche Prozesse verstanden werden,die auf andere Weise als durch Wärmeeine Materialumwandlung bewerkstelligen, wie das Härten vonKunststoffen.
    [0012] Dadurch,dass der ablative Prozess und der thermische Prozess des erfindungsgemäßen Verfahrens inder ein- und der gleichen Anlage und/oder Vorrichtung durchgeführt werdenkann und nur eine entsprechende Programmierung der Strahlenergieund/oder der Ablenkbedingungen des Strahles notwendig ist, lässt sich daserfindungsgemäße Verfahrenohne anlagentechnischen Mehraufwand gegenüber rein ablativen oder reinthermischenBearbeitungsverfahren durchführen.
    [0013] Manerhältso mit dem erfindungsgemäßen VerfahrenOberflächenbereichevon Werkstücken,die zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften eine Oberflächengravurund gleichzeitig tragende Flächenmit erhöhtemVerschleißwiderstandaufweisen.
    [0014] Daserfindungsgemäße Verfahrenist fürunterschiedliche Oberflächenvon Bauteilen geeignet, sofern diese für den Elektronenstrahl erreichbarsind, außenliegendeund innenliegende Oberflächen,sowohl fürUmfangs- als auch fürStirnflächen.
    [0015] VorteilhafteWeiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
    [0016] Beieinem zweistufigen Verfahren gemäß Ansprüchen 2 und3 wird das Bauteil zweimal mit Energie beaufschlagt, wobei ablativerProzess und thermischer Prozess in unterschiedlicher Reihenfolgeausgeführt werden.
    [0017] DieWeiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch4 ist im Hinblick auf die einstufige Erzeugung großer ablativund thermisch zu behandelnder, z. B. gravierter und gehärteter Oberflächenbereichevon Werkstücken vonVorteil. Insbesondere lässtsich das Verfahren nach Anspruch 4 auch gut als Durchlauf-Verfahrenverwenden.
    [0018] Beieinem einstufigen Verfahren gemäß Anspruch5 erfolgen die beiden Bearbeitungsschritte unter Ablationsbedingungenbzw. Erhitzungsbedingungen gleichzeitig oder zeitlich alternierend.Dies hat den Vorteil, dass man die bei der Ablation lokal in derRandschicht erzeugte Wärme(Bauteilerwärmung)für Erhitzungszwecke(einen Selbstanlassprozess) nutzen kann und dass man umgekehrt diezu Erhitzungs (z. B. Härtungs) zweckenzugeführteEnergie fürdie Ablation von Material mit nutzen kann.
    [0019] DasVerfahren gemäß Anspruch6, das einstufig oder zweistufig durchgeführt werden kann, wobei die Reihenfolgeder Prozesse (ablativ und thermisch z. B. Gravieren und Härten) variabelzu gestalten ist, während dasBauteil in seiner Position fixiert ist. D. h. diese Technologieist besonders vorteilhaft fürebene oder nur leicht gekrümmteFlächeneinsetzbar.
    [0020] DasVerfahren gemäß Anspruch7 gestattet die Erzeugung auch nicht rotationssymmetrischer und/oderlateral erweiterter Vertiefungen in der Werkstückoberfläche. Auch zur gezielten Einstellungdes Tiefenprofiles der einzelnen Gravuren ist es vorteilhaft.
    [0021] Nachstehendwird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahmeauf die Zeichnung nähererläutert.In dieser zeigen:
    [0022] 1:einen ersten Verfahrensschritt eines zweistufigen Verfahrens zumErzeugen gravierter Oberflächenbereicheauf Werkstücken;
    [0023] 2:einen zweiten Schritt eines zweistufigen Verfahrens zum Erzeugengehärtetergravierter Oberflächenbereichevon Werkstücken;
    [0024] 3:eine schematische Darstellung eines einstufigen Verfahrens zur Herstellungeines gehärteten graviertenOberflächenbereicheseines Werkstückes;
    [0025] 4:eine schematische Darstellung eines abgewandelten, einstufigen Verfahrenszum Erzeugen eines gehärtetengravierten Oberflächenbereicheseines Werkstücks;und
    [0026] 5–7 vergleichbareDarstellungen wie die 2, 3 und 4,wobei das Werkstückjedoch seine Position nicht ändertund das Überstreichendes zu texturierenden Oberflächenbereichesallein durch Auslenkung des Elektronenstrahles bewerkstelligt wird.
    [0027] Nachstehendwerden nun unter Bezugnahme auf die 1 ff. verschiedeneArbeitsbedingungen dargelegt, um auf der Oberfläche eines Werkstückes 1 einengehärtetengravierten Oberflächenbereichzu erzeugen.
    [0028] EinElektronenstrahl 2 trägtan vorgegebenen Stellen der Oberfläche des Werkstückes 1 Materialzur Erzeugung von Vertiefungen 3 (Gravuren) ab.
    [0029] Hierzufährt derElektronenstrahl 2 nacheinander Punkte der Werkstückoberfläche an,bei denen Vertiefungen 3 (Gravuren) erzeugt werden, wiein 1 exemplarisch gezeigt.
    [0030] ZurErzeugung der in 1 gezeigten Vertiefungen 3 (Gravuren)kann man den Elektronenstrahl 2 jeweils so lange an einerausgewähltenStelle der Werkstückoberfläche einwirkenlassen, bis die Vertiefung 3 (Gravur) der gewünschtenGröße erzeugtworden ist, und dann den Elektronenstrahl am nächsten mit einer Vertiefung(Gravur) zu versehenden Punkt der Werkstückoberfläche einwirken lassen.
    [0031] Alternativkann man den Elektronenstrahl an einer vorgegebenen Stelle zunächst nurso lange verweilen lassen, bis ein Teil der gewünschten Vertiefung (Gravur)erstellt ist und schon dann zum nächsten mit einer Vertiefung(Gravur) zu versehenden Ort bewegen, wo eine Vertiefung (Gravur)ebenfalls nur teilweise hergestellt wird usw. Durch zyklisches Durchlaufender verschiedenen mit Vertiefungen (Gravuren) zu versehenden Stellender Werkstückoberfläche werdendann im Laufe der Zeit alle Vertiefungen des vom Elektronenstrahl beaufschlagtenArbeitsfeldes sukzessiv erzeugt.
    [0032] Nachdemman den durch Auslenken des Elektronenstrahls erreichbaren Teilder Werkstückoberfläche (Gravierfeld)so mit Vertiefungen (Gravierfeld) versehen hat, wird das Werkstück 1 eineTeilung (Abmessung des Energieübertragungsfeldesan der Werkstückoberfläche gemessenin Werkstückbewegungsrichtung)) weitergestellt,wie in 1 durch einen Pfeil 5 dargestellt, undder oben beschriebene Zyklus wird wiederholt, bis wieder eine Gruppevon Vertiefungen (Gravuren) fertig gestellt ist, usw.
    [0033] DiesesGravieren stellt einen ablativen Prozess der Werkstückbearbeitungdar.
    [0034] Ineinem zweiten, thermischen Prozess der Werkstückbearbeitung wird dann einein 2 mit 6 bezeichnete Randschicht desWerkstückes 1 gehärtet. Hierzuwird der Elektronenstrahl 2 mit entsprechenden Energieübertragungsbedingungenund Ablenkungsbedingungen in Form eines Erhitzungsfeldes 7 so über seinenArbeitsbereich geführt,dass die Randschicht 6 auf Härtungstemperatur erwärmt wird.Anschließendwird die Randschicht durch Entfernen oder Abschalten des Elektronenstrahles 2 abgeschreckt.Bei diesem thermischen Prozess findet kein (nennenswerter) Materialabtragstattf. Durch entsprechende inkrementale Bewegung des Bauteils umjeweils eine Teilung wird die Härtung über dengesamten gewünschtenWerkstückbereichvorgenommen.
    [0035] Manerhältso ein Bauteil 1, dessen Randschicht 6 gehärtet undmit den gewünschtenVertiefungen (Gravuren) 3 versehen ist.
    [0036] BeiElektronenstrahl-Bearbeitungsvorrichtungen, die mit einem hinreichendleistungsfähigenElektronengenerator ausgestattet sind, kann man das Gravieren undHärtenauch gleichzeitig durchführen,wie in 3 gezeigt.
    [0037] Manlässt indiesem Falle durch entsprechende Ansteuerung der Ablenkeinheit denElektronenstrahl 2 in zwei Teilfeldern 4, 7,die räumlichgetrennt voneinander sind und unterschiedliche Energieverteilungenaufweisen, auf das Bauteil 1 einwirken.
    [0038] ImTeilfeld 4 arbeitet der Elektronenstrahl unter Ablationsbedingungen.
    [0039] Dasandere Teilfeld 7 weist eine Energieverteilung auf, diein der Randschicht 6 ein Erwärmen auf Härtungstemperatur bewirkt. Nacherfolgtem Abschrecken entsteht eine Härteschicht.
    [0040] Durchinkrementweises Verschieben des Bauteils 1 in Richtungdes Pfeils 5 und/oder Rücksetzender Energieübertragungsfelder 4, 7 wirddieses mit einem gravierten gehärtetenOberflächenbereichversehen.
    [0041] DieArbeitsverhältnissegemäß 4 ergebensich dadurch, dass man das zweite Teilfeld 7 dem erstenTeilfeld 4 räumlich überlagert.Das kombinierte Energieübertragungsfeldträgt dasBezugszeichen 8. Durch diese räumliche Zusammenlegung derbeiden Teilfelder 4 und 7 erhält man einerseits den Vorteil,dass die Ablation von Material in einer (zu Härtungszwecken) erhitzten Materialschichterfolgt, so dass der fürdie Ablation bzw. das Aufschmelzen und Umlagern von Material erforderlicheEnergieaufwand vermindert ist, andererseits die beim Gravieren erzeugteWärme mitfür dasAufheizen der Randschicht 6 zur Verfügung steht.
    [0042] Die 5, 6 und 7 zeigen ähnlicheArbeitsverhältnisse,wie sie obenstehend unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 beschriebenwurden, wobei der Elektronenstrahl den gesamten mit der Gravur undder Härteschichtzu versehenden Oberflächenbereichdes Bauteils überstreicht.Das Bauteil wird nicht bewegt.
    [0043] Imzweistufigen Verfahren werden die Gravur 3 gemäß 5 unddie Härteschicht 6 gemäß 6 nacheinandererzeugt.
    [0044] Beider einstufigen Verfahrensvariante erfolgen gemäß 7 Gravierenund Härtengleichzeitig.
    [0045] Durch Überlagerungeiner Oszillationsfigur währendder Einwirkung des Elektronenstrahls auf die Bauteiloberfläche lässt sichdie Geometrie der Gravur variieren.
    [0046] DieGravurgeometrie kann man ferner auch dadurch beeinflussen, dassman die Fokuslage des Elektronenstrahles variiert (dynamische Über- oderUnterfokussierung bezogen auf die Werkstückoberfläche), so dass die Ablationsbedingungenzeitlich veränderlichin unterschiedlich großenZonen erfülltsind.
    [0047] Dienachstehenden Tabellen geben charakteristische Arbeitsparameterfür dasElektronenstrahl(EB)-Gravieren bzw. -Härten sowie typische Kenngrößen für die Gravurund die Härteschichtwieder.
    [0048] Generellversteht sich, dass man fürdas Gravieren die Verdampfungstemperatur oder beim Verdrängen vonMaterial zumindest die Schmelztemperatur des bearbeiteten Materials überschreitenmuss, während für den thermischenProzess (z. B. das Härten) dieSchmelztemperatur in der Regel nicht erreicht werden soll, wenndie Oberflächedurch den thermischen Prozess nicht mehr geändert werden soll.
    [0049] Über dieEnergiedichte im Elektronenstrahl und die Ablenkbedingungen kannman die Dicke der gehärtetenRandschicht 6 variieren.
    [0050] Obenstehendwurde die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben,welche das Erzeugen gehärtetergravierter Oberflächenbereichevon metallischen Werkstückenbetrafen.
    [0051] Esversteht sich, dass die Erfindung gleichermaßen für andere Arbeitsverfahren nutzbarist, bei denen einerseits eine Formgebung des Werkstückes undandererseits eine Materialumwandlung gewünscht wird.
    [0052] EinBeispiel hierfürwäre einVerfahren fürdie Herstellung feiner Kunststoff-Filterfolien oder feiner Kunststoffgitter,bei welchem zunächstein dünnesPrepreg mit dem Elektronenstrahl mit feinen Durchbrechungen versehenwird (ablativer Prozess) und anschließend das gelochte Prepreg durchBeaufschlagung mit geringerer Energiedichte zum Aushärten gebrachtwird (thermischer Prozess).
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] Verfahren zur ablativen Bearbeitung von Oberflächenbereicheninsbesondere metallischer Bauteile, bei dem in einem ablativen Prozessein energiereicher Elektronenstrahl hochfrequent über diezu behandelnden Oberflächenbereichegeführtwird, wobei die Energieübertragungs-und Ablenkbedingungen des durch den Elektronenstrahl gebildetenEnergieübertragungsfeldesso auf einander abgestimmt sind, dass Material in Form eines definiertenMusters von der Oberflächeabgetragen oder verdrängtwird, dadurch gekennzeichnet, dass der ablative Prozess miteinem thermischen Prozess kombiniert wird, bei dem der Elektronenstrahl sohochfrequent geführtwird, dass zumindest ein Teil der im ablativen Prozess behandeltenOberflächenbereichezumindest in einer oberflächennahenSchicht auf eine Temperatur oberhalb einer kritischen Umwandlungstemperatur,bei welcher z. B. eine Gefügeänderungerfolgt, erwärmtwird, und dass der im thermischen Prozess behandelte Oberflächenbereichanschließendabgekühltwird, z. B. durch Abschreckung gehärtet wird.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die dem thermischen Prozess dienende Elektronenstrahl-Führung nachder dem ablativen Prozess dienenden Elektronenstrahlführung durchgeführt wird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die dem thermischen Prozess dienende Elektronenstrahl-Führung vorder dem ablativen Prozess dienenden Elektronenstrahl-Führung durchgeführt wird.
    [4] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Energieübertragungsfeldin zwei lokal getrennte Teilfelder aufgeteilt ist und dass ein Teilfeldden ablativen Prozess und das andere Teilfeld den thermischen Prozessbewirkt.
    [5] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass in einem räumlichnicht aufgesplitteten Energieübertragungsfelddie Energieübertragungs-und Ablenkbedingungen so eingestellt werden, dass gleichzeitig oderin kurzen Intervallen alternierend der ablative Prozess bzw. derthermische Prozess bewirkt wird.
    [6] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass sich Energieübertragungsfeldund Bauteil währenddes ablativen Prozesses und/oder des thermischen Prozesses nichtrelativ zueinander bewegen.
    [7] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass im ablativen Prozess und/oder im thermischen Prozess eine Relativbewegungzwischen dem Energieübertragungsfeldund dem Bauteil durchgeführtwird.
    [8] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,dass das Bauteil fürden ablativen Prozess und den thermischen Prozess zweimal in Folgemit einem räumlichgleich gelegenen Elektronenstrahl-Energieübertragungsfeld behandelt wird.
    [9] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass dem Elektronenstrahl zusätzlichzu einer Ablenkung der Strahlachse im Energieübertragungsfeld eine mit kleinerAmplitude erfolgende Oszillations-Ablenkung überlagert wird.
    [10] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,dass die Fokussierungsbedingungen des Elektronenstrahls im Energieübertragungsfeldwährenddes ablativen Prozesses und/oder des thermischen Prozesses variiertwerden.
    [11] Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass der Härteprozessals Festphasen- oder Flüssigphasenprozessausgeführtwird.
    [12] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,dass die Energieübertragungs-und Ablenkbedingungen im thermischen Prozess so aufeinander abgestimmtsind, dass kein Abtragen oder Verdrängen von Material erfolgt.
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    法律状态:
    2006-11-02| 8110| Request for examination paragraph 44|
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    优先权:
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