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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bruchtrennkerben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein nach dem Verfahren herstellbares Werkstück gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 und ein bruchgetrenntes Werkstück nach den Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Ein bekanntes Verfahren zum Bruchtrennen eines Werkstücks ist aus der
US 5,208,979 bekannt. In dieser ist beschrieben, dass in ein Lagerauge eines Pleuel mittels eines Laserstrahls zwei diametral zueinander verlaufende linienartige Bruchtrennkerben eingebracht werden, entlang denen das Werkstück anschließend in einen Lagerboden und einen Lagerdeckel bruchtrennbar ist. Beim Bruchtrennen ergeben sich auf den entstehenden Bruchtrennflächen des Lagerbodens und des Lagerdeckels Mikro- und Makroverzahnungen, die beim Fügen eine einfache Positionierung des bruchgetrennten Werkstücks erlauben sollen.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass trotz der Mikro- und Makroverzahnungen der Lagerboden und der Lagerdeckel beim Fügen relativ zueinander verrutschen können, so dass sich ein passungenauer Lagersitz ausbildet. Das Verrutschen kann darauf beruhen, dass der Lagerboden und der Lagerdeckel in der zu fügenden Position nur schwer zugänglich sind, so dass eine genaue Relativausrichtung zueinander nur bedingt möglich ist. Zum anderen basiert das Verrutschen auf während des Betriebs auftretenden Querkräften, die zu einem seitlichen Versatz der Bruchflächen führen können. Weiterhin weisen z. B. Sinter-Werkstücke oder Werkstücke aus hochfesten Materialien relativ glatte Bruchflächen auf, so dass der passgenaue Lagersitz nur schwierig erreichbar ist.
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In der
US 5,974,663 A ist ein ähnliches Verfahren zum Bruchtrennen offenbart, bei dem die diametral angeordneten Bruchtrennkerben von der Achse des Lagerauges gesehen jeweils zick-zack-förmig ausgebildet sind, wobei nach dem Bruchtrennen diese zick-zack-förmigen Strukturen nach außen hin auslaufen.
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In der nachveröffentlichten
DE 10 2004 026 297 B4 sind Bruchtrennkerben mit einer von der Lagerachse aus gesehenen wellenförmigen Struktur gezeigt. Diese wellenförmig oder zick-zack-förmig ausgebildeten Bruchtrennkerben erleichtern das Fügen des Werkstücks nach dem Vorzentrieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bruchtrennen zu schaffen, mittels dem ein zu bruchtrennendes Werkstück derart bearbeitet wird, dass eine anschließende passgenaue Fügung des bruchgetrennten Werkstücks ermöglicht wird. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein bruchzutrennendes Werkstück, sowie ein bruchgetrenntes Werkstück zu schaffen, das passgenau und einfach zu fügen ist.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zum Bruchtrennen mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 und durch ein Werkstück mit den Merkmalen nach den Ansprüchen 11 bzw. 12.
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Erfindungsgemäß wird zum Herstellen von diametralen Bruchtrennkerben in einem Lagerauge eines Werkstücks das entlang der Bruchtrennkerben in einen Lagerboden und einen Lagerdeckel getrennt werden soll, das Lagerauge oder den Laserstrahl derart verfahren, dass mindestens ein zur Längsachse der jeweiligen Bruchtrennkerbe angestellter Bereich hergestellt wird. Mit anderen Worten gesagt, die Bruchtrennkerbe wird nicht gerade ausgebildet sondern in einem Mittelabschnitt mit einer wellenförmigen Auswölbung (gekrümmt oder eckig) versehen. Die Bruchtrennkerbe läuft erfindungsgemäß in geraden, in der Längsachse der Bruchtrennkerbe liegenden, zu einer Lagerachse parallelen Endabschnitten aus.
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An der erfindungsgemäßen Lösung ist vorteilhaft, dass in der sich ausbildenden Bruchtrennfläche beispielsweise des Lagerbodens z. B. jeweils eine Erhebung, und entsprechend in der sich ausbildenden Bruchtrennfläche des Lagerdeckels jeweils eine korrespondierende Senke ausbildet, die beim Fügen eine Vorzentrierung bilden und somit eine ungewollte Verschiebung des Lagerbodens und des Lagerdeckels in axialer Richtung (mit Bezug zur Lagerachse) vermeiden. Gleichzeitig werden bei geeigneter Ausbildung der Bruchtrennkerbe der Lagerboden und der Lagerdeckel auch in radialer Richtung vorzentriert, so dass ebenfalls eine Verschiebung in radialer Richtung vermieden wird.
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Ferner zeigen sich die mit diesem Verfahren hergestellten Werkstücke im Vergleich zu den mit einem bekannten Verfahren hergestellten Werkstücken durch die Stützwirkung der korrespondierenden Bereiche sehr schubsicher. Ferner erlaubt die Vorzentrierung ebenfalls den Verzicht externer Einrichtungen zum Führen des Lagerdeckels und Lagerbodens beim Fügen.
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Bevorzugte Werkstücke zum Bruchtrennen sind metallische Werkstücke wie zum Beispiel Pleuel, Kurbelgehäuse und Kreuzgelenke.
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Der Laserstrahl oder das Werkstück wird bei einem Ausführungsbeispiel wiederholend quer zur Längsachse verfahren, so dass sich in dem Werkstück eine Vielzahl von Wölbungen bzw. Kreisegmentenzügen ergeben. Die Wölbungen ergeben eine Wellenform, die sich beidseitig etwa symmetrisch quer zur Längsachse erstreckt und in geraden Endabschnitten ausläuft. Eine besonders harmonische Wellenform ist eine Sinuswelle mit einer maximalen Amplitude von 1,1 mm.
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Die Sinusform ist besonders bei Lageraugen vorteilhaft, in die eine Wälzlagerführung zur Führung eines rotierenden Bauteils eingesetzt ist, da bei einem derartigen Verlauf der Bruchtrennkerbe die Rollabwälzung der Walzkörper verbessert ist und beim Überqueren der Bruchtrennkerbe kein Schlag wie bei bekannten gerade verlaufenden Bruchtrennkerben in den jeweiligen Wälzkörper und somit in die Wälzlagerführung eingeleitet wird.
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Ein mit dem Verfahren hergestelltes Werkstück weist im noch nicht bruchgetrennten Zustand im Lagerauge zwei diametral zueinander verlaufende Bruchtrennkerben auf, die jeweils quer zu ihrer Längsachse zumindest einen ausgelenkten wellenförmigen Bereich aufweisen, wobei die Bruchtrennkerben gerade, in der Längsachse liegende Endabschnitte haben.
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Nach dem Bruchtrennen weist ein erfindungsgemäßes Werkstück einen Lagerboden und ein Lagerdeckel mit Bruchtrennflächen auf, in denen jeweils im Bereich ihrer Bruchtrennkerbe zumindest ein quer zur Längsachse der Bruchtrennkerbe ausgelenkter korrespondierender wellenförmiger Bereich vorgesehen ist, der sich in radialer Richtung weg von der Bruchtrennkerbe ausläuft, so dass die Bruchtrennfläche von einem ausgewölbten Bereich in einen flachen Bereich übergeht, wobei die Bruchtrennkerben gerade, in der Längsachse liegende Endabschnitte haben.
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Durch das radiale Auslaufen des erfindungsgemäßen Bereichs erfolgt die bereits oben erwähnte Vorzentrierung auch in radialer Richtung, so dass durch das Zusammenwirken der axialen und radialen Führung der Lagerboden und der Lagerdeckel nur einen vordefinierten passgenauen Lagersitz bilden können.
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Zur Vermeidung eines unkontrollierten Bruchverlaufs wird der angestellte Bereich bevorzugterweise als eine Wölbung mit abgerundeten bzw. weichen Kurvenverlauf ausgebildet, die sich etwa im Bereich einer die Bruchtrennebene durchsetzende Schraubbohrung zur Aufnahme einer Fügeschraube befindet.
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Die erforderliche Laserleistung zum Ausbilden der Bruchtrennkerben in das Werkstück lässt sich dadurch verringern, dass die Bruchtrennkerbe aus einer Vielzahl von zueinander beabstandeten Sacklochbohrungen ausgebildet wird. Dabei wird die Ausbildung der Bruchebene durch eine Schrägstellung der Sacklochbohrungen und durch eine fingerförmige Ausbildung derselben begünstigt. Eine derartig ausgebildete Bruchtrennkerbe hat des Weiteren den Vorteil, dass mit begrenzter Pulsenergie eine Härteschicht des Lagerauges sicher durchtrennbar ist, so dass eine eindeutig definierte Kerbwirkung vorhanden ist. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Sacklochbohrungen durch die Härteschicht hindurch. Weiterhin ist vorteilhaft, dass insbesondere bei eingesetzten Wälzlagerführungen sich nach dem Zusammenfügen des Lagerauges ausbildende Restkerbtrichter der Sacklochbohrungen als Mikroschmierkammern mit oder ohne Verbund wirken können.
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Beim Fügen hat sich gezeigt, dass die Vorzentrierung durch ein hintereinander geschaltetes Verschrauben der Fügeschrauben begünstigt wird, da auf diese Art und Weise die Wölbungen leicht ineinander rutschen können.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden erfolgt eine ausführliche Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand schematischer Darstellungen. Es zeigen
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1 einen Abschnitt eines Lagerauges, in dem eine Bruchtrennkerbe eingebracht ist,
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2 eine Bruchtrennfläche des Lagerauges aus 1 nach dem Bruchtrennen,
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3 einen Abschnitt eines Lagerauges, in dem eine nicht erfindungsgemäß ausgestaltete Bruchtrennkerbe eingebracht ist,
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4 einen Verlauf der Bruchtrennkerbe aus 3,
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5 eine Bruchtrennfläche des Lagerauges aus 3 nach dem Bruchtrennen,
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6 einen Verlauf einer Bruchtrennkerbe eines weiteren Ausführungsbeispiels und
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7 eine geometrische Darstellung der Wellenform aus 6.
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1 zeigt einen Abschnitt eines Lagerauges 2 eines Pleuels, an dessen Innenumfangsfläche 4 eine sich in axialer Richtung erstreckende Bruchtrennkerbe 6 eingebracht ist. Diametral zu dieser Bruchtrennkerbe 6 ist eine zweite Bruchtrennkerbe in der Innenumfangsfläche 4 des Lagerauges 2 vorgesehen, auf dessen Betrachtung jedoch aufgrund ihrer Identität mit der Bruchtrennkerbe 6 verzichtet wird.
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Die Bruchtrennkerbe 6 definiert die beim Bruchtrennen sich ausbildende und gestrichelt angedeutete Bruchtrennebene 8, entlang der das Lagerauge 2 in einen Lagerboden 10 und einen Lagerdeckel 12 bruchgetrennt wird. Die Bruchtrennkerbe 6 ist mit linienförmigen, zur Lagerachse achsparallelen Endabschnitten versehen. In ihrem Mittelabschnitt ist eine einseitige, sich quer zur Längsachse ausgelenkte Wölbung 14 ausgebildet, wodurch sich nach dem Bruchtrennen in dem Lagerboden 10 eine Erhebung und in dem Lagerdeckel 12 eine korrespondierende Senke ausbildet. Zur Vermeidung von Spannungsspitzen weist die Wölbung 14 einen ”weichen” Kurvenverlauf ohne scharfkantige Spitzen auf. Eine räumliche Betrachtung der Wölbung 14 erfolgt unter 2.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Bruchtrennfläche 16 des Lagerbodens 10 nach dem Bruchtrennen. Aus dieser Ansicht ist erkennbar, dass sich die Wölbung 14 von der Bruchtrennkerbe 6 nach innen hin zu einer Schraubbohrung 18 zur Aufnahme einer Fügeschraube zum Fügen des bruchgetrennten Lagerauges 2 erstreckt, die den Lagerboden 10 und den Lagerdeckel 12 senkrecht zur Bruchtrennfläche 16 bzw. zur Bruchtrennebene 8 durchsetzt. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Wölbung 14 im weiteren Verlauf zur Außenumfangsfläche 20 des Lagerauges 2 ausläuft, so dass die Bruchtrennfläche 16 dann im wesentlichen als eine ebene Fläche ausgebildet ist. Selbstverständlich weist die Bruchtrennfläche 16 dennoch die für das Bruchtrennen spezifischen Makro- und Makroverzahnungen auf. Das radiale Auslaufen der Wölbung 14 erfolgt relativ schnell, so dass das Lagerauge 2 beim Fügen im wesentlichen in axialer Richtung und in radialer Richtung nur geringfügig vorzentriert ist. D. h., durch diese Vorzentrierung kann bei der Montage noch ein Versatz in Radialrichtung bewusst zugelassen werden.
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3 zeigt einen Abschnitt eines Lagerauges 2 eines Pleuels, in dessen Innenumfangsfläche 4 in axialer Richtung eine etwas anders gestaltete Bruchtrennkerbe 22 eingebracht ist.
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Die Bruchtrennkerbe 22 hat eine Vielzahl von Wölbungen 24, die sich beidseitig quer zur Längsachse der Bruchtrennkerbe 22 erstrecken, so dass sich eine Wellenform mit etwa symmetrisch zur Längsachse ausgebildeten Tälern und Wellen ergibt, die vorzugsweise in geraden Endabschnitten auslaufen. Vorzugsweise ist die Wellenform als eine Sinuswelle mit weichen Kurvenverlauf mit einer maximalen Amplitude von 0,8 mm dargestellt. Zur Verdeutlichung der Wellenform quer zur Längsachse sei auf 4 verwiesen. Dabei entspricht die x-Achse des Diagramms der Längsachse der Bruchtrennkerbe 22 und die z-Achse des Diagramms der Quererstreckung der Bruchtrennkerbe 22, wobei eine bevorzugte maximale Amplitude von 0,4 mm gezeigt ist. Zur räumlichen Verdeutlichung der Wellenform wird auf 5 verwiesen.
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5 zeigt eine Draufsicht auf eine Bruchtrennfläche 16 eines Lagerbodens 10 des bruchgetrennten Lagerauges 2. Die Bruchtrennkerbe 22 ist gemäß der 3 wellenförmig ausgebildet, wobei zumindest eine der Wölbungen 24 im Bereich einer Schraubbohrung 18 angeordnet ist, die die Bruchtrennfläche 16 senkrecht durchsetzt.
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Ähnlich wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Wölbungen 24 von der Bruchtrennkerbe 6 weg. D. h. auch diese Wölbungen 24 laufen in radialer Richtung weg von der Bruchtrennkerbe 22 aus und gehen dann in eine flache, herkömmliche Bruchtrennfläche über. Dabei laufen die Wölbungen 24 später als beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß 2 aus und erstrecken sich bis in den Bereich der Schraubbohrung 18 oder über diese hinaus. Aufgrund der Vielzahl der Wölbungen 24 ist eine verbesserte axiale und radiale Vorzentrierung möglich.
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Gemäß 6 kann die Bruchtrennkerbe 22 auch nur zwei entgegengesetzt verlaufende Wölbungen 24 haben, so dass eine Wellenform mit einem Tal 26 und einem Berg 28 ausgebildet ist, die jeweils in flachen Endabschnitten auslaufen. In Radialrichtung erstreckt sich das Tal 26 und der Berg 28 etwa bis zur Hälfte einer nicht dargestellten Schraubbohrung hinaus und enden in einer flachen, herkömmlichen Bruchtrennebene. Die Wellenform kann sich jedoch auch über die Schraubbohrung hinaus erstrecken und dann auslaufen. Wann die Wellenform in radialer Richtung ausläuft, richtet sich im Wesentlichen nach der Geometrie der Wellenform. So kann die Wellenform auch bereits vor oder erst nach der Sacklochbohrung in eine flache Bruchtrennebene übergehen. Die Wellenform ist symmetrisch zur Längsachse der Bruchtrennkerbe 22 ausgebildet und hat einen sinusförmigen Verlauf, so dass gemäß 7 eine linke positive Sturzfläche 30 einer rechten negativen Sturzfläche 32 entspricht. Vorzugsweise hat die Wellenform eine Periode, wodurch die radiale vorzentrierung gegenüber mehrperiodenartigen nochmals Wellenformen verbessert ist.
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Die Formulierung ”sinusförmiger Verlauf” kann sowohl als eine Sinuskurve im mathematischen Sinn verstanden werden als auch als eine sinusartige Kurve. Die hier in den 6 und 7 beispielhaft beschriebene Wellenform entspricht einer sinusartigen Kurve, die sich aus einer Vielzahl von Bögen 34, 36, 38, 40 und einer die Bögen 34, 36 verbindenden Geraden 42 zusammensetzt. Eine derartige Form ist im Hinblick auf CNC-Maschinen einfacher und schneller zu programmieren als eine mathematische Sinuskurve. Die dargestellte Kurve hat eine Amplitude A von etwa 1,1 mm und einen jeweiligen Radius R von etwa 1,5 mm in den scheitelpunktbezogenen Bögen 34, 36 des Tals 26 bzw. Bergs 28, die über die Gerade 42 miteinander verbunden sind. Ebenfalls weisen die Bögen 38, 40 in den Übergangsbereichen von dem Tal 26 bzw. dem Berg 28 in ihren jeweiligen flachen Endabschnitt einen Radius R von etwa 1,5 mm auf.
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Die Geometrie der Wellenform, beispielsweise die Amplitude, richtet sich unter Anderem nach der Größe des zu bruchtrennenden Werkstücks. So kann die Wellenform z. B. bei einem Pleuel für einen Motorradmotor eine andere Geometrie als ein Pleuel für einen LKW-Motor haben.
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Die Einbringung der Bruchtrennkerben
6,
22 kann über eine entsprechende Bewegung des Pleuels oder eines Laserstrahls quer zur Längsachse der Bruchtrennkerben
6,
22 erfolgen. Dabei kann das Pleuel auf einer 3-Achseinheit angeordnet sein bzw. der Laserstrahl kann über die 3-Achseinheit verfahren werden. Des Weiteren kann eine Optik zur Teilung des Laserstrahls in zumindest zwei Laserstrahle vorgesehen sein, so dass zeitgleich über einen Laser zwei diametrale Bruchtrennkerben
6,
22 in ein Lagerauge
2 eingebracht werden können. Zur Ausführung einer derartigen Vorrichtung wird auf die deutsche Anmeldung
DE 103 25 910 A1 und das europäische Patent
EP 0 808 228 B1 der Anmelderin verwiesen.
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Zur Reduzierung der Energieeinbringung beim Ausbilden der Bruchtrennkerben
6,
22 in das Pleuel werden diese als eine Vielzahl zueinander beabstandeter Sacklochbohrungen ausgebildet. Idealerweise sind die Sacklochbohrungen schräg zueinander angestellt und fingerförmig ausgebildet. Eine ausführliche Erläuterung der Einbringung und Ausbildung der Sacklochbohrungen ist dem europäischen Patent
EP 0 808 228 B1 der Anmelderin zu entnehmen.
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Eine derartig perforierte Ausbildung der Bruchtrennkerbe 6, 22 hat sich aufgrund des reduzierten Energieeintrags in das Werkstück insbesondere beim Bruchtrennen von Lageraugen 2 mit einer gehärteten Innenumfangsfläche 4 als vorteilhaft herausgestellt. Dabei ist die Tiefe der Sacklochbohrungen größer als die radiale Erstreckung, d. h., die Dicke, der Härteschicht zu wählen, so dass sich die Sacklochbohrungen durch die Härteschicht radial hindurch erstrecken.
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Lageraugen 2 mit einer gehärteten Innenumfangsfläche 4 werden vorrangig dann eingesetzt, wenn das aufzunehmende Bauteil, bei Pleueln zum Beispiel eine Kurbelwelle, über eine Wälzlagerung in dem Lagerauge 2 drehbar gelagert ist. Die Wälzlagerung umfasst eine Vielzahl von Wälzkörpern, die entlang der Innenumfangsfläche 4 rollen, wobei durch die Härtung der Innenumfangsfläche 4 ein verbessertes Rollverhalten erzielbar ist. Dabei wird aufgrund der sinusförmigen Ausbildung der Bruchtrennkerbe 6, 22 verhindert, dass in die Wälzkörper beim Überqueren der Bruchtrennkerbe 6, 22 Schläge bzw. Stöße wie bei herkömmlichen geraden Bruchtrennkerben eingeleitet werden, wodurch das Rollverhalten der Wälzkörper bzw. die Lagerung des zu lagernden Bauteil noch weiter verbessert ist.
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Weiterhin ist an der perforierten Ausbildung der Bruchtrennkerben 6, 22 vorteilhaft, dass in Kombination mit der Wälzlagerung die Sacklochbohrungen nach dem Fügen Restkerbtrichter bilden, in denen ein Schmiermittel aufgenommen werden kann, so dass die Restkerbtrichter als Mikroschmierkammern für die Wälzlagerung wirken.
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Beim Fügen des bruchgetrennten Lagerauges 2 wirkt sich die Vorzentrierung besonders vorteilhaft aus, wenn der Fügevorgang in ein vorverschrauben, d. h. ein Verschrauben einer ersten Fügeschraube, und ein Endverschrauben, d. h. ein Verschrauben einer zweiten Fügeschraube, untergliedert wird, wobei beim Vorverschrauben die erste Fügeschraube bis zu einem vorbestimmten Kontakt des Lagerbodens 10 mit dem Lagerdeckel 12 voreilt und anschließend beim Endverschrauben die zweite Fügeschraube vorbestimmt eingedreht wird. Durch diese Art des Fügens können die korrespondierenden Wölbungen 14, 24 der Bruchtrennflächen 16 so gegeneinander verrutschen, dass sich der Lagerboden 10 und der Lagerdeckel 12 axial und radial an den Wölbungen 14, 24 ausrichten, bis der passgenaue Lagersitz, der dem Lagersitz vor dem Bruchtrennen des Werkstücks entspricht, erreicht ist.
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Alternativ kann das bruchgetrennte Lagerauge
2 auch mittels einem Kontaktstoßverfahren gefügt werden, bei dem zum Beispiel über einen Schwingungsgeber die sich berührenden Bruchtrennflächen beim Fügen mit kurzen Schwing- bzw. Schlagimpulsen beaufschlagt werden. Detaillierte Ausführungen zum Kontaktstoßverfahren sind der deutsche Anmeldung
DE 101 61 817 A1 der Anmelderin zu entnehmen.
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Auch wenn in den vorliegenden Ausführungsformen unter den 1 bis 5 nur die Einbringung der Bruchtrennkerben im Bezug auf ein Pleuel dargestellt ist, so sind eine Vielzahl. von anderen Werkstücken wie zum Beispiel Kurbelwellengehäuse und Kreuzgelenke möglich. Grundsätzlich lässt sich das Verfahren bei den Werkstücken besonders vorteilhaft einsetzen, die vornehmlich ohne externe Führung einen passgenauen Lagersitz auszubilden haben.
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Offenbart ist ein Verfahren zum Bruchtrennen eines Werkstücks in einen Lagerdeckel und einen Lagerboden, wobei durch eine Bewegung des Werkstücks oder eines Laserstrahls zum Einbringen diametraler Bruchtrennkerben diese mit einem quer zu ihrer Längsrichtung angestellten Bereich ausgebildet werden, sowie ein Werkstück mit derartigen Bruchtrennkerben vor dem Bruchtrennen und ein Werkstück mit derartigen Bruchtrennkerben nach dem Bruchtrennen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Lagerauge
- 4
- Innenumfangsfläche
- 6
- Bruchtrennkerbe
- 8
- Bruchtrennebene
- 10
- Lagerboden
- 12
- Lagerdeckel
- 14
- Wölbung
- 16
- Bruchtrennfläche
- 18
- Schraubbohrung
- 20
- Außenumfangsfläche
- 24
- Wölbung
- 26
- Tal
- 28
- Berg
- 30
- positive Sturzfläche
- 32
- negative Sturzfläche
- 34
- Bogen
- 36
- Bogen
- 38
- Bogen
- 40
- Bogen
- 42
- Gerade
