AT506997B1 - Verfahren zum einbringen von oberflächenstrukturen auf die innenoberfläche einer zylindrischen buchse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Einbringen von Oberflächenstrukturen auf die Innenoberfläche einer zylindrischen Buchse. Erfindungsgemäß wird hierbei ein Dorn mit zylindrischer Oberfläche verwendet, dessen Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Buchse und der auf seiner Oberfläche erhabene Oberflächenstrukturen aufweist. Indem man die Mantelfläche des Dorns auf der Innenfläche der Buchse abrollt bzw. die Innenfläche der Buchse auf der Mantelfläche des Dorns abrollt und die Abrollbewegung unter Krafteinwirkung durchführt, prägen sich die Oberflächenstrukturen des Dorns über dessen Umfang plastisch auf der Innenoberfläche der Buchse ein. Durch diese Verfahren können qualitativ gute Oberflächenstrukturen im Mikrometer-Bereich erzeugt werden, die beispielsweise als Lagerstrukturen für fluiddynamische Lager dienen können.

Description

österreichisches Patentamt AT506 997 B1 2010-03-15

Beschreibung VERFAHREN ZUM EINBRINGEN VON OBERFLÄCHENSTRUKTUREN AUF DIE INNENOBERFLÄCHE EINER ZYLINDRISCHEN BUCHSE.

GEGENSTAND DER ERFINDUNG

[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zum Einbringen von Oberflächenstrukturen auf die Innenoberfläche einer zylindrischen Buchse, insbesondere einer Lagerbüchse eines fluiddynamischen Lagers.

STAND DER TECHNIK

[0002] Die DE 198 10 265 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von Oberflächenstrukturen auf die Innenoberfläche einer zylindrischen Buchse.

[0003] Die DE 603 12 790 T2 definiert eine Vorrichtung zur Formung von Vertiefungen geringer Tiefe auf Oberflächen von Bauteilen.

[0004] Die GB 1 318 631 A behandelt die Formung von Rillen sowie eine Vorrichtung zur Formung von Rillen.

[0005] Die DE 22 25 390 A1 behandelt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung definierter Wanddickenänderungen eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers.

[0006] Die EP 0 295 919 A2 beschreibt Methoden zum Formen von Oberflächenstrukturen auf Innenflächen von Rohren.

[0007] Lagerbüchsen von fluiddynamischen Lagern sind am Innenumfang mit Oberflächenstrukturen versehen, die als Lagerstrukturen wirken. In der Lagerbüchse ist eine Welle drehbar gelagert, wobei zwischen dem Außendurchmesser der Welle und dem Innendurchmesser der Lagerbüchse ein Lagerspalt von bis zu einigen 10 pm Breite vorgesehen ist. Der Lagerspalt ist mit einem geeigneten Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl gefüllt. Bei einer Relativbewegung zwischen Welle und Lagerbüchse erzeugen die Lagerstrukturen eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid, so dass sich im Lagerspalt ein Druck aufbaut, der das Lager tragfähig macht.

[0008] Die Lagerstrukturen können durch unterschiedliche Verfahren auf die Lagerbüchse aufgebracht werden.

[0009] Üblich ist heute eine Oberflächenbearbeitung mittels elektrochemischem Abtragen (ECM-Verfahren), welches insbesondere bei Lagerbüchsen aus Metall angewandt wird.

[0010] Bei Lagerbüchsen aus Sintermaterial können die Lagerstrukturen bereits in der Werkzeugform vorgesehen werden und beim Sinterprozess in die Lagerbüchse eingebracht werden. Es zeigt sich jedoch, dass die im Sinterprozess aufgebrachten Strukturen nicht die Qualität von ECM-Strukturen aufweist. Herkömmliche ECM-Verfahren zu verwenden und den Kostenvorteil von Sinterbuchsen zu nutzen ist bisher nicht möglich, da bei Sintermaterialien keine ECM-Verfahren anwendbar sind.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

[0011] Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Einbringen von Oberflächenstrukturen auf die Innenoberfläche einer zylindrischen Buchse anzugeben, welches auch bei Sintermaterialien anwendbar ist und in der Qualität der Oberflächenstrukturen an heutige ECM-Verfahren heran reicht.

[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in einem weiteren unabhängigen Anspruch angegeben. 1/7 österreichisches Patentamt AT506 997B1 2010-03-15 [0013] Bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen definiert.

[0014] In einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Dorn mit einer zylindrischen Oberfläche in das Innere der Buchse eingeführt, wobei der Dorn einen geringfügig kleineren Durchmesser hat als der Innendurchmesser der Buchse und auf seiner Oberfläche erhabene Oberflächenstrukturen aufweist. Dann wird eine äußere Kraft von mindestens zwei Seiten auf die Mantelfläche der Buchse aufgebracht derart, dass sich die Buchse elastisch Unter fortwährendem Drehen der Buchse unter Beibehaltung der äußeren Kraft wälzt sich dann die Innenoberfläche der Buchse auf der Oberfläche des Doms ab und die Oberflächenstrukturen des Doms prägen sich plastisch auf der Innenoberfläche der Buchse ein. Anschließend kann die Buchse von der äußeren Kraft entlastet werden und der Dom aus der Buchse ausgefahren werden.

[0015] Die äußere Kraft wird vorzugsweise auf sich zwei diametral gegenüberliegende Seiten der Mantelfläche der Buchse aufgebracht. Die Buchse verformt sich dabei zu einer Ellipse. In diesem Fall muss die Buchse um insgesamt 180° gedreht werden. Allgemein muss die Buchse bei n gleichmäßig verteilten Kraftauflagepunkten um 3607n gedreht werden.

[0016] Die Buchse ist nun auf ihrem gesamten Innenumfang mit den entsprechenden Oberflächenstrukturen versehen, die durch den Dorn eingeprägt wurden. Dabei können die Oberflächenstrukturen eine beliebige Formgebung aufweisen. Bekannte Formen sind z. B. keilförmig, sinusförmig, fischgrätenförmig, oder aber auch Strukturen, wie sie von Mehrflächengleitlagern bekannt sind.

[0017] Die erreichbare Tiefe der Oberflächenstrukturen beträgt zwischen 2 und 20 pm.

[0018] In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Buchse mit ihrer Mantelfläche auf einer ebenen Fläche platziert. Dann wird der zylindrische Dorn eingeführt, der einen kleineren Durchmesser hat als der Innendurchmesser der Buchse und auf seiner Oberfläche erhabene Oberflächenstrukturen aufweist. Es wird nun eine äußere Kraft auf den Dorn senkrecht zu dessen Mittelachse aufgebracht, derart, dass die Mantelfläche der Buchse durch den Dorn auf die ebene Fläche gedrückt wird. Durch fortwährendes Drehen des Doms um insgesamt 360° um seine Mittelachse, unter Beibehaltung der äußeren Kraft, rollt die Mantelfläche der Buchse auf der ebenen Fläche ab und die Oberfläche des Doms wälzt sich auf der Innenoberfläche der Buchse ab, wobei sich die Oberflächenstrukturen des Doms plastisch auf der Innenoberfläche der Buchse einprägen. Hiernach kann der Dorn entlastet und aus der Buchse ausgefahren werden. Der Dorn ist länger als die Buchse, so dass die äußere Kraft auf die freien Enden des Doms aufgebracht werden können.

[0019] Die Vorteile der beschriebenen Verfahren liegen darin, dass sowohl Buchsen aus Metall als auch Sintermaterial mit Oberflächenstrukturen versehen werden können, deren Qualität an die Qualität von durch ECM-Verfahren aufgebrachten Oberflächenstrukturen heran reicht. Ferner sind die beschriebenen Verfahren relativ einfach und kostengünstig durchzuführen.

[0020] Für die Buchse muss natürlich ein relativ weiches Material, wie z. B. Bronze oder vorzugsweise Sintermaterial aber auch Kunststoff verwendet werden. Der Dorn ist aus härterem Material, wie beispielsweise Stahl hergestellt.

[0021] Vorzugsweise ist der Durchmesser des Doms nur einige bis einige 10 pm kleiner als der Innendurchmesser der Buchse. Der Durchmesser des Domes sollte nicht wesentlich kleiner als der Innendurchmesser der Buchse sein, da ansonsten geometrische Fehler in der Abbildung der Oberflächenstrukturen entstehen und auch ein Teil der Innenfläche der Buchse nicht bearbeitet wird.

[0022] Zur Anwendung dieser Verfahren sollte die Innenoberfläche der Buchse nur eine geringe Rauhigkeit aufweisen. Die Rauhigkeit der Innenoberfläche der Buchse kann vor dem Einbringen des Doms durch geeignete Verfahren reduziert werden beispielsweise indem eine Stahlkugel mit sehr kleiner Oberflächenrauhigkeit durch die Buchse hindurch gepresst wird, deren Durchmesser geringfügig größer ist als der Innendurchmesser der Buchse. 2/7 österreichisches Patentamt AT506 997B1 2010-03-15 [0023] Die Buchse ist vorzugsweise eine Lagerbüchse eines fluiddynamischen Lagers, wobei die eingebrachten Oberflächenstrukturen die Lagerstrukturen des fluiddynamischen Lagers bilden.

[0024] Entsprechende Vorrichtungen zur Durchführung der Verfahren sind ebenfalls beschrieben. Diese zeichnen sich aus durch den mit Oberflächenstrukturen versehenen Dorn sowie Mittel zum Aufbringen einer äußeren Kraft auf die Mantelfläche der Buchse bzw. auf den Dorn, und Mittel zum fortwährenden Drehen der Buchse unter Beibehaltung der äußeren Kraft bzw. zum Drehen des Doms in der Buchse unter Beibehaltung der äußeren Kraft.

[0025] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und Ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0026] Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf einen Dorn zur Durchführung des Verfahrens.

[0027] Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Doms aus Figur 1.

[0028] Figur 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Buchse mit eingeschobenem Dorn und Krafteinwirkung auf die Buchse.

[0029] Figur 4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Buchse mit eingeschobenem

Dorn mit Krafteinwirkung auf den Dorn.

BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG

[0030] Die Figuren 1 und 2 zeigen Ansichten eines Doms zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Dorn 10 weist eine zylindrische Mantelfläche 12 auf, auf welcher Oberflächenstrukturen in Form von Erhebungen aufgebracht sind. Die Oberflächenstrukturen 14 bilden beispielsweise eine inverse Form von Lagerstrukturen, wie sie in die Innenfläche einer Lagerbüchse eines fluiddynamischen Lagers eingebracht werden. Im dargestellten Beispiel sind die Oberflächenstrukturen 14 als mehrere über den Umfang verteilte sinusförmige Rippen ausgebildet. Die Rippen der Oberflächenstrukturen 14 ragen etwa 5 bis 20 pm über die zylindrische Oberfläche 12 des Doms 10 hinaus. Der Dorn 10 weist zwei etwa zylindrische Enden 16 mit kleinem Durchmesser auf. An diesen Enden 16 kann der Dorn 10 eingespannt und entsprechend positioniert oder eine Kraft auf den Dorn in radialer Richtung ausgeübt werden.

[0031] In Figur 3 ist schematisch der Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung einer ersten Verfahrensweise der Erfindung dargestellt. Es ist eine zunächst zylindrische Buchse 18 vorgesehen, auf deren Innenfläche Oberflächenstrukturen eingebracht werden sollen. Der Dorn 10 wird in das Innere der Buchse eingeführt, wobei dieser einen geringfügig kleineren Durchmesser hat als der Innendurchmesser der Buchse und auf seiner Oberfläche 12 die Oberflächenstrukturen 14 aufweist (Vergleiche Figur 1). Nachdem der Dorn 10 in der Buchse 18 angeordnet ist wird von zwei diametral gegenüberliegenden Seiten eine Kraft in Richtung der Kraftpfeile 20 auf die äußere Mantelfläche der Buchse 18 ausgeübt. Dadurch verformt sich die Buchse 18 elastisch zu einer Ellipse, wobei die Oberflächenstrukturen 14 des Domes 10 auf der Innenoberfläche der Buchse 18 eingeprägt werden. Die Verformung der Buchse 18 ist in Figur 3 übertrieben dargestellt. Der Außendurchmesser des Domes 10 ist nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Buchse 18, beispielsweise nur 10 pm, so dass die elliptische Verformung der Buchse 18 sehr gering ist. Während die Kraft in Richtung 20 auf die Mantelfläche der Buchse 18 ausgeübt wird, wird die Buchse 18 in Pfeilrichtung 22 fortwährend gedreht, und zwar um insgesamt 180°. Dabei wälzt sich die Innenoberfläche der Buchse 18 auf der Oberfläche 12 des Doms 10 ab, wobei sich die Oberflächenstrukturen 14 des Doms 10 über dessen gesamten Umfang plastisch auf der Innenoberfläche der Buchse einprägen. Danach wird die Buchse 18 von den äußeren Kräften 20 entlastet und der Dorn 10 kann ausgefahren werden. Die Buchse 18 verfügt nun auf ihrer Innenoberfläche über ein recht genaues Negativ-Abbild der Oberflächenstrukturen 14 des Doms 10. 3/7

Claims (10)

1. österreichisches Patentamt AT506 997 B1 2010-03-15 [0032] Figur 4 zeigt die Anordnung für die Durchführung eines alternativen Verfahrens gemäß der Erfindung. Es ist wiederum die Buchse 18 vorgesehen, in welcher der Dorn 10 eingeführt wird. Auch hier weist der Dorn einen geringfügig kleineren Durchmesser auf, als der Innendurchmesser der Buchse 18. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 wird hier jedoch keine Kraft auf die Buchse 18 ausgeübt, sondern es wird eine Kraft in Richtung 26 auf den Dorn 10 ausgeübt, und zwar senkrecht in Richtung der Längsachse des Doms 10 und in Richtung auf eine ebene Fläche 24, auf welcher die Mantelfläche der Buchse 18 aufliegt. Dadurch wird die Mantelfläche der Buchse 18 auf die ebene Fläche 24 gedrückt und die Oberflächenstrukturen des Domes 10 prägen sich auf der Innenfläche der Buchse 18 ein. Unter Beibehaltung der äußeren Kraft 26 wird nun der Dorn kontinuierlich um seine Längsachse um 360° gedreht, wobei sich die Oberfläche 12 des Domes 10 auf der Innenoberfläche der Buchse 18 abwälzt, gleichzeitig die Mantelfläche der Buchse 18 auf der ebenen Fläche 24 abrollt und sich die Oberflächenstrukturen des Doms über dessen Umfang plastisch auf der Innenoberfläche der Buchse einprägen. Hiernach kann der Dom 10 von der äußeren Kraft entlastet und aus der Buchse 18 entfernt werden. [0033] Mit Hilfe des zweiten Verfahrens gemäß Figur 4 können auch auf einfache Weise Oberflächenstrukturen in die äußere Mantelfläche der Buchse 18 eingebracht werden. Hierbei kann z. B. die Fläche 24, auf welcher die Mantelfläche der Buchse 18 abrollt, mit erhabenen Oberflächenstrukturen versehen sein, die sich beim Abrollen auf der Mantelfläche der Buchse 18 einprägen. LISTE DER BEZUGSZEICHEN 10 Dorn 12 Zylindrische Oberfläche 14 Oberflächenstrukturen 16 Enden 18 Buchse (verformt) 20 Kraftrichtung 22 Drehrichtung 24 Fläche 26 Kraftrichtung 28 Drehrichtung Patentansprüche 1. Verfahren zum Einbringen von Oberflächenstrukturen auf die Innenoberfläche einer zylindrischen Buchse (18), mit den Schritten: Plazieren der Buchse mit ihrer Mantelfläche auf einer ebenen Fläche (24), Einführen eines Doms (10) mit einer zylindrischen Oberfläche (12) in das Innere der Buchse(18), wobei der Dorn einen kleineren Durchmesser hat als der Innendurchmesser der Buchse und auf seiner Oberfläche erhabene Oberflächenstrukturen (14) aufweist, Aufbringen einer äußeren Kraft (26) auf den Dorn (10) senkrecht zu dessen Mittelachse, derart, dass die Mantelfläche der Buchse (18) auf die ebene Fläche (24) gedrückt wird, Fortwährendes Drehen des Doms um insgesamt 360° unter Beibehaltung der äußeren Kraft (26), wobei sich die Oberfläche des Doms auf der Innenoberfläche der Buchse abwälzt, gleichzeitig die Mantelfläche der Buchse auf der ebenen Fläche abrollt, und sich die Oberflächenstrukturen des Doms über dessen Umfang plastisch auf der Innenoberfläche der Buchse einprägen, Entlasten des Doms (10) von der äußeren Kraft (26), und Ausfahren des Doms (10) aus der Buchse (28).
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Kraft (26) auf freie Enden (16) des Doms (10) aufgebracht wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Buchse (18) ein relativ weiches Material, wie Bronze, Sintermaterial oder Kunststoff verwendet wird. 4/7 österreichisches Patentamt AT506 997B1 2010-03-15
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Doms (10) einige bis einige zehn Mikrometer kleiner gewählt wird als der Innendurchmesser der Buchse (18).
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der in die Buchse (18) eingeprägten Oberflächenstrukturen zwischen 2 und 20 Mikrometer beträgt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeit der Innenoberfläche der Buchse (18) vor dem Einbringen des Doms (10) durch geeignete Verfahren reduziert wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Buchse (18) eine Lagerbüchse eines fluiddynamischen Lagers verwendet wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Buchse (18) eingeprägten Oberflächenstrukturen als Lagerstrukturen eines fluiddynamischen Lagers ausgebildet sind.
9. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welche umfasst: eine ebene Fläche (24) zum Platzieren der Buchse (18), einen Dorn (10) mit einer zylindrischen Oberfläche (12), der einen geringfügig kleineren Durchmesser hat als der Innendurchmesser der Buchse (18) und auf seiner Oberfläche erhabene Oberflächenstrukturen (14) aufweist, Mittel zum Einführen und Ausfahren des Doms (10) in und aus der dem Inneren der Buchse (18), Mittel zum Aufbringen einer äußeren Kraft (26) auf den Dorn (10) senkrecht zu dessen Mittelachse, und Mittel zum fortwährenden Drehen des Doms (10) um insgesamt 360° unter Beibehaltung der äußeren Kraft (26).
10. 10. Dorn zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine zylindrische Oberfläche (12), die mit erhabenen Oberflächenstrukturen (14) versehen ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7