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Anwendungsgebiet
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Wälzlagerring, dessen
zugehörige
Laufbahn mittels Vorschubhärten einer
Randschichthärtung
unterworfen ist, so dass an einer Stoßstelle zwischen Beginn und
Ende der Laufbahnhärtung
eine ungehärtete
Härteschlupfzone
gebildet ist. Außerdem
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Wälzlagerringes.
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Hintergrund
der Erfindung
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Das
Randschichthärten
wird immer dann angewendet, wenn Bauteile mit niedriger Festigkeit eine
Randschicht mit hoher Härte
verliehen werden soll. Es ist ein besonderes Härten von Werkstücken, bei
dem nur die Randschicht austenitisiert und abschließend abgeschreckt
wird, so dass Martensitbildung eintritt. Bei den thermischen Randschichthärteverfahren
wird durch intensive Energieeinwirkung eine Schicht, deren Dicke
klein im Vergleich zu den Querschnittsabmessungen des Bauteils ist,
auf eine Temperatur zwischen Ac3 und der
Schmelztemperatur erwärmt
und meinst sofort wieder abgeschreckt, so dass kein Temperaturausgleich über den
gesamten Querschnitt erfolgen kann. Voraussetzung für die Realisierung
der Randschichterwärmung
sind hohe Leistungsflußdichten,
die mit Hilfe verschiedener Erwärmungsverfahren
realisierbar sind, wie Tauchen in Salz- oder Metallbäder, Aufheizen
durch Gasbrenner, induktive Erwärmung,
direkte Widerstandserwärmung,
Plasma-, Solar- Elektronen-,
Laserstrahl und Reibung. Die Abkühlgeschwindigkeit
muß so
groß sein,
dass es in der Randschicht zur Martensitumwandlung kommt. Das kann
entweder durch Eigenabkühlung
(Wärmeleitung
in das Werkstückinnere)
oder durch Fremdabkühlung
(Konvektion bzw. Wärmeleitung über die
Oberfläche
durch Abkühlen) erreicht
werden.
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Gegenüber anderen
Wärmebehandlungsverfahren
bietet das Randschichthärten
folgende Vorteile:
- – die Arbeitsweise ist relativ
sauber
- – die
Einrichtung/Anlage zum Härten
ist auf Knopfdruck betriebsbereit, es entstehen keine Leerlauf-
und Verschleißkosten
- – die
Härteeinrichtung
kann in Fertigungsstraßen eingegliedert
und automatisiert werden
- – es
wird nur der Bereich gehärtet,
der auch gehärtet
sein muß
- – es
lassen sich auch sehr große
und schwere Werkstücke
härten
- – Maß- und Formänderungen
sind im allgemeinen gering, da nicht der gesamte Werkstückquerschnitt
gehärtet
wird
- – die
Belastung durch die Wärmestrahlung
ist relativ gering
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Das
gegenwärtig
am weitesten verbreitete thermische Randschichthärteverfahren ist das Induktionshärten. Bei
diesem Verfahren wird mit Hilfe einer stromdurchflossenen Spule
(Induktor) ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in einem elektrisch leitenden
Werkstück
(Wälzlagerring)
nach dem Transformatorprinzip einen Wechselstrom induziert. Die
direkte Umsetzung der elektrischen in thermische Energie über innere
Wärmequellen
führt zur
Erwärmung
des Bauteils. Somit erfolgt die Energieübertragung kontaktlos. Bedingt
durch den Skin-Effekt nimmt die Stromdichte der im Werkstück fließenden Wirbelströme exponentiell
mit dem Abstand von der Oberfläche
ab. Die Eindringtiefe δ ist
umgekehrt proportional der Frequenz. Bei kurzer Einwirkdauer des Magnetfeldes
und sofortiger Abschreckung beschränkt sich die Erwärmung überwiegend
auf die Randschicht, in der die inneren Wärmequellen wirksam sind.
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Das
Randschichthärten
erfolgt einmal als schlupffreies Standumlaufhärten und als mit einem Härteschlupf
behaftetes Vorschubhärten.
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Das
Standumlaufhärten
erfolgt derart, dass ein Induktor oder mehrere Induktoren das zu
härtende
Teil wenigstens über
seinen Teil seiner Umfangsausdehnung segmentartig umfassen. Das
zu härtende
Werkstück
rotiert am Induktor oder an den Induktoren vorbei und erwärmt sich
in seiner Gesamtheit über
seine Umfangsfläche,
so dass eine durch Abschrecken erreichte Martensitbildung den gewünschten
Härtewert über den
gesamten Umfang (360°)
garantiert. Dieses Standumlaufhärten
ist jedoch auf relativ kleine Abmessungen des zu härtenden
Teils begrenzt. Je größer im Durchmesser
das zu härtende Teil
ist, um so größer muß der Energieeintrag
sein, um das Teil als ganzes zu erwärmen. Es liegt auf der Hand,
dass diese Methode wegen des erforderlichen hohen Energieeintrages
auf bestimmte Größenverhältnisse
beschränkt
ist. Hinzu kommt, dass der Induktor wegen seiner großen Wärmebelastung
auch gekühlt
werden muß.
Dieser besteht im allgemeinen aus einem Kupferrohr mit kreisrundem
oder rechteckförmigen
Querschnitt, das von Kühlwasser
durchströmt
wird. Würde
nun zuviel Leistung in den Induktor gesteckt, würde das Kühlwasser sofort verdampfen,
der Induktor könnte
nicht mehr gekühlt
werden und würde
durch Schmelzen zerstört
werden.
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Aufgrund
der vorstehend geschilderten Probleme wurde für zu härtende Teile mit großen Abmessungen
das sogenannte Vorschubhärten
entwickelt. Dieses erfolgt derart, dass das zu härtende Teil an einem feststehenden
Induktor vorbei geführt
wird, dabei erwärmt
und anschließend
der erwärmte
Bereich durch eine Brause abgekühlt
und somit gehärtet wird.
Zwischen Beginn und Ende der Vorschubbewegung bleibt dabei aber
eine ungehärtete
Schlupfstelle zurück.
Bei den meisten Anwendungsfällen
kann diese Schlupfstelle auch ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften
in Kauf genommen werden. So ist es beispielsweise in der Wälzlagertechnik
bei Großwälzlagern üblich, den
Härteschlupf
zu markieren und anschließend
das Lager so zusammenzubauen, dass dieser lastfrei gestellt ist.
Diese Verfahrensweise geht beispielsweise aus dem INA-Katalog 403, Drehverbindungen,
5. unveränderter
Nachdruck, Januar 1999 aus den Seiten 6 (Produktbeschreibung) und
32 (Einbau) hervor. Auch ist es üblich,
den Härteschlupf
zu hinterschleifen, d.h., einen zusätzlichen Materialabtrag vorzunehmen,
so dass die Wälzkörper in
diesem Bereich nicht zur Anlage an die Laufbahn gelangen.
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Für bestimmte
Anwendungsfälle,
zum Beispiel sehr geräusch-
und stoßarme
Lagerungen in der Medizintechnik, genügen diese Kompromisse nicht,
weil dabei die umlaufenden Wälzkörper am Hinterschliffanfang
und am Hinterschliffende auf je eine Stoßkante treffen, die unerwünschte Geräusche und
Schwingungen verursacht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ausgehend
von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung
daher die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise die mit einem Härteschlupf
bei Großwälzlagern
verbundenen Nachteile zu beseitigen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung
mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, dass im Bereich der späteren Härteschlupfzone
vor dem Vorschubhärten
eine Bohrung angeordnet ist, deren Durchmesser größer als
die Härteschlupfzone
ist, in die nach dem Vorschubhärten
eine Scheibe eingesetzt ist, deren Härte der Laufbahnhärte entspricht und
anschließend
Laufbahn und Scheibe einer gemeinsamen mechanischen Bearbeitung
unterworfen sind.
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Durch
den Einsatz einer Scheibe in den Bereich der Härteschlupfzone und das gemeinsame
Bearbeiten von eingesetzter Scheibe und Laufbahn weist die Laufbahn über ihre
gesamte Umfangsausdehnung die gleichen mechanischen Eigenschaften (Härte) und
die gleiche geometrische Form (Rundheit) auf. Dies hat zur Folge,
dass einerseits die Fertigung vereinfacht ist, da das kostenaufwendigen Hinterschleifen
der Härteschlupfzone
entfallen kann. Ein derart hergestellter Lagerring für ein Großwälzlager
genügt
andererseits hohen Anforderungen hinsichtlich Belastung und Drehzahl.
Auch sind die Stoßkanten
durch den nicht mehr erforderlichen Hinterschliff eliminiert, so
dass ein solcher Lagerring besonders geräusch- und schwingungsarm arbeitet.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsvarianten der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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So
ist nach Anspruch vorgesehen, dass die Scheibe durchgehärtet ist.
So könnte
eine solche Scheibe beispielsweise aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 hergestellt
sein, der seit der Jahrhundertwende schon bekannt ist und sich gleichmäßig durchhärten lässt, auch
bei großen
Wanddicken.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 3 soll die Scheibe
in der Bohrung mittels einer Schraubverbindung gesichert sein.
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Nach
Anspruch 4 kann es vorteilhaft sein, wenn die durchgehärtete Scheibe
in einem rotierenden Wälzlagerring
angeordnet ist. Dadurch wäre
es möglich,
den zugehörigen
anderen feststehenden Lagerring mit Härteschlupf verwendungsfähig zu machen.
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Nach
einem weiteren zusätzlichen
Merkmal gemäß Anspruch
5 soll die Randschichthärtung
als Induktionshärten
durchgeführt
sein. Wie bereits unter dem Stand der Technik ausgeführt, ist
das Induktionshärten
das am weitesten verbreite thermische Randschichthärteverfahren
und es lässt
sich auf die gehärtete
Randschicht in einfacher Weise über
den Strom einwirken. Zum Beispiel kann die Einwärmetiefe und damit die Einhärtungstiefe über die
Frequenz und die elektrische Leistung bestimmt werden.
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Wie
aus Anspruch 6 ersichtlich, soll die gehärtete Laufbahn und die eingesetzte
Scheibe einer Feinbearbeitung unterworfen sein. Die Art der Bearbeitung
richtet sich dabei nach dem vorliegenen Anwendungsfall, bei besonders
hochwertigen Lagern kann dies beispielsweise ein Feinhonen sein.
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Das
zugehörige
Verfahren zur Herstellung eines solchen Lagerringes zeichnet sich
nach Anspruch 7 dadurch aus, dass im Lagerring zunächst eine
Bohrung eingebracht wird, deren Durchmesser größer als die spätere Härteschlupfzone
ist, danach der Wälzlagerring
mittels Vorschubhärtung
einer Randschichthärtung
unterworfen ist, anschließend
in die Bohrung eine durchgehärtete
Scheibe eingesetzt wird, deren Härte
der Laufbahnhärte
entspricht, bevor abschließend
Laufbahn einschließlich
eingesetzter Scheibe einer mechanischen Feinbearbeitung unterworfen
sind.
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Die
Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäß ausgestaltete
Drehverbindung.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnung
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Die
in der einzigen Figur gezeigte und mit 1 bezeichnete Drehverbindung
besteht aus dem Außenring 2,
der mit dem radial nach außen
gerichteten Flansch 3 versehen ist, in dem durchgehende
Befestigungsbohrungen 4 zur Verbindung mit einer nicht dargestellten
Anschlusskonstruktion angeordnet sind. Das bedeutet, der Außenring 2 ist
feststehend. Zur Drehverbindung 1 gehört weiter der Innenring 6, der
mit dem radial nach innen gerichteten Flansch 7 versehen
ist. Zwischen den beiden Ringen 2, 6 rollen auf
den zugehörigen
Laufbahnen 5, 11 im Käfig 13 geführte Lagerkugeln 12 ab,
wobei im Ausführungsbeispiel
das Kugellager als Vierpunktkugellager ausgebildet ist. Die Drehverbindung 1 ist
nach außen durch
im Innenring 6 und im Außenring 2 angeordnete
Dichtringe 8, 9 geschützt, deren nicht näher bezeichnete
Dichtlippen unter Vorspannung an der Stirnseite des jeweiligen Lagerringes 2, 6 anliegen.
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Wie
die Figur weiter zeigt, ist der Innenring 6, dessen Außendurchmesser
zur Verdeutlichung der Größenverhältnisse
mit 1400 mm angegeben ist, mit der Bohrung 15 versehen,
die im vorliegenden Fall als Sacklochbohrung ausgebildet ist und
von außen in
den Innenring 6 niedergebracht ist. Diese Bohrung 15 ist
im Bereich des Härteschlupfes
angeordnet. In diese Bohrung 15 ist die Scheibe 10 eingesetzt
und in dieser mittels der Befestigungsschrauben 14 gehalten.
Wie weiter erkennbar, erstreckt sich die Scheibe 10 in
axialer Richtung im Bereich des Härteschlupfes über die
Laufbahn 11 hinaus, d.h., sie überragt diese beidseitig. Das
Gleiche, allerdings nicht sichtbar, trifft für die Ausdehnung in Umfangsrichtung zu.
Das bedeutet, dass die eingesetzte Scheibe 10 in Umfangsrichtung
ebenfalls größer als
der nicht gehärtete
Bereich der Schlupfzone ist. Der Innenring 6 ist aus C45,
d.h., einer Sorte mit etwa 0,45% Kohlenstoff gefertigt, die sich
insbesondere für
die induktive Randschichthärtung
eignet. Die Scheibe 10 ist aus dem durchhärtbaren
Wälzlagerstahl
100Cr6 hergestellt, der 0,9 bis 1,05% C, 0,15 bis 0,35% Si, 0,25
bis 0,45% Mn, 0 bis 0,030% P, 0 bis 0,025% S, 1,35 bis 1,65% Cr
und 0 bis 0,30% Ni enthält.
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Die
Herstellung des in der Figur gezeigten Innenringes 6 erfolgt
derart, dass dieser aus einem Rohling zunächst spanend gefertigt wird.
Anschließend
wird an seiner äußeren Mantelfläche die
Laufbahn 11 eingearbeitet und für den Dichtring 8 eine umlaufende
Nut eingefräst.
Danach wird der Innenring 6 von außen mit der Sacklochbohrung 15 versehen,
deren Durchmesser die axiale Breite der Laufbahn 11 übersteigt.
Danach wird der Innenring 6 im Vorschub induktiv gehärtet, wobei
neben einem Induktor zur Abschreckung eine Wasserdüse angeordnet
ist. Dabei ist fertigungsbedingt eine ungehärtete Schlupfbreite L = 2 × Dw in Kauf zu nehmen, wobei mit Dw der
Durchmesser der Wälzkörper gemeint
ist. Die Randschichthärtung
wird dabei so vorgenommen, dass in den Bereich der Bohrung 15 die
ungehärtete
Härteschlupfzone
gelegt ist. Nach dem Härten
bzw. Abkühlen
wird in die Bohrung 15 eine durchgehärtete Scheibe 10 eingelegt,
die von der Innenseite des Innenringes 6 mit den beiden
Befestigungsschrauben 14 gesichert ist. Anschließend wird
die Laufbahn 11, einschließlich eingesetzter Scheibe 10, einer
mechanischen Feinbearbeitung un terzogen. Nach dem dies erfolgt ist,
ist eine visuelle Trennung zwischen Laufbahn 11 und eingesetzter
Scheibe 10 nicht mehr möglich,
d.h., beiden gehen ineinander über.
Danach erfolgt in bekannter Art und Weise die Zusammensetzung mit
dem Außenring 2 zur
Bildung der Drehverbindung 1.
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- 1
- Drehverbindung
- 2
- Außenring
- 3
- Flansch
- 4
- Befestigungsbohrung
- 5
- Laufbahn
- 6
- Innenring
- 7
- Flansch
- 8
- Dichtring
- 9
- Dichtring
- 10
- Scheibe
- 11
- Laufbahn
- 12
- Lagerkugel
- 13
- Käfig
- 14
- Befestigungsschraube
- 15
- Bohrung