DE102005036311A1

DE102005036311A1 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE102005036311A1
Application number: DE102005036311A
Authority: DE
Inventors: Alan J. Colebrook Chidester; William A. Barkhamsted Gordon; John C. West Hartford Hanson
Original assignee: Torrington Co
Current assignee: Timken US LLC
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2006-03-09
Also published as: FR2874067A1; WO2006020346A1; GB0515738D0; US20060026838A1; GB2416813A

Abstract

Wälzlageranordnung (10) und Verfahren zum Herstellen einer Wälzlageranordnung. Die Lageranordnung (10) weist eine Hülse (12) auf, die aus einem kalt gewalzten Streifen gebildet ist, der einen Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% hat. Bei einem Aspekt der Erfindung hat die Umfangslaufbahn eine einem Härten entsprechende Oberflächenhärte von wenigstens 58 HRC ohne Anwendung einer Aufkohlungsbehandlung für die geformte Hülse. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung hat der kalt gewalzte Streifen einen Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% und eine ASTM Korngrößenzahl von 8 oder feiner. Die Umfangslaufbahn hat eine durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit Ra kleiner als oder gleich 0,000.457.2 mm (18 Mikrozoll) ohne die Anwendung irgendeines Endbearbeitungsvorgangs auf die geformte Hülse.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wälzlager mit einer aus flachem Metallblech hergestellten Rollenlaufbahn. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Wälzlager mit einer Rollenlaufbahn, die aus einem flachen Metallblech mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlagers besteht darin, eine Laufbahn mit Endflanschen aus flachem Metallblech zu bilden. Das Metallblech wird einem Formvorgang unterworfen, um das flache Material in eine Hülse 12 umzuformen, die an einem Ende 14 geschlossen oder mit einem Flansch versehen ist und die an dem entgegengesetzten Ende 16 offen ist. Beispiele für den Formvorgang umfassen das Tiefziehen, das Stanzen oder das Kaltformen. 1 veranschaulicht beispielsweise einen Formvorgang, bei dem das flache Metallblech zwischen männlichen und weiblichen Stempeln 17 und 18 gezogen oder geformt wird. Der Formvorgang kann in einem einzigen Schritt oder in einer Folge von Formschritten durchgeführt werden. Das Wälzlager 10 hat eine Anzahl innerer Komponenten (nicht gezeigt), die innerhalb der zylindrischen Hülse 12 angebracht werden. Das offene Ende 16 wird dann während des endgültigen Zusammenbauens umgebogen, um die inneren Komponenten zu halten. Alternativ kann das offene Ende 16 zunächst umgebogen werden, und die inneren Komponenten werden dann später eingebaut, um die endgültige Anordnung zu schaffen.
Das zum Bilden der Hülsen verwendete flache Metallblech war typischerweise aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt, zum Beispiel einem Stahl, der einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,35% hat. Um eine ausreichend harte Laufbahn zu schaffen, wird die Hülse einem Vorgang zum Zuführen von Kohlenstoff zu der Oberfläche unterworfen, zum Beispiel einem Aufkohlen, einem Karbonitrieren oder dergleichen. Alle diese Verfahren, bei denen an der Oberfläche Kohlenstoff zugeführt wird, werden gemeinsam nachfolgend als Aufkohlen bezeichnet. Ein Beispiel eines Aufkohlungsvorgangs umfaßt das Aussetzen der Hülse, entweder mit oder ohne die eingebauten inneren Komponenten, gegenüber einer Hochkohlenstoff-Atmosphäre bei hohen Temperaturen, zum Beispiel einer Temperatur größer als 850°C, für einen längeren Zeitraum, so daß Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die Hülse diffundiert. Der Vorgang liefert eine gehärtete Oberflächenschicht mit hohem Kohlenstoffgehalt, während der Kern der Hülse, zwischen den gehärteten Oberflächen, als weicher Bereich mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt verbleibt. Das Verfahren kann teuer und zeitraubend sein, insbesondere wenn eine tiefer gehärtete Oberflächenschicht gewünscht ist.

Das US-Patent 6 682 227 offenbart eine Lageranordnung, die aus einem kalt gewalzten Streifen hergestellt wird, wobei der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,30 und 0,55% ist. Nachdem die Hülse gezogen ist, wird das Lager noch einem Aufkohlungsvorgang unterworfen, wobei Kohlenstoff der Oberfläche des Lagers zugefügt wird. Dieses Patent beschreibt ein Verfahren, in dem das Lager in einer Hochkohlenstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 850°C für 25 Minuten gehalten und dann abgeschreckt wird. Die Lageranordnung wird dann einem Temperiervorgang (Anlassen) unterworfen, wobei die Anordnung auf etwa 170 bis 200°C für eine bestimmte Zeit erhitzt und dann abgekühlt wird. Während die Dauer des Aufkohlens vermindert werden kann, ist dieser Vorgang noch immer erforderlich, wodurch immer noch eine Hochkohlenstoff-Atmosphäre bei hoher Temperatur für eine gewisse Zeit erforderlich ist.

Ein anderer potentieller Nachteil bei Lagerhülsen, die aus einem flachen Metallblech mit geringem Kohlenstoffgehalt gebildet werden, ist die Oberflächenqualität der Lagerlaufbahn. Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt erfahren oft Mikrorisse während des Formvorgangs, wodurch sich eine Oberfläche mit Unregelmäßigkeiten ergibt. Bei einigen Anwendungen sind solche Unregelmäßigkeiten akzeptabel. Jedoch muß bei genaueren Anwendungsfällen die Hülse einem Endbearbeitungsvorgang unterworfen werden, zum Beispiel einem Schleifen, um die Lageroberfläche zu glätten. Dieser Vorgang ist wiederum teuer und zeitaufwendig.

Aus dem Vorstehenden ergeben sich Beschränkungen und Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren. Somit wäre es vorteilhaft, eine Alternative zu schaffen, die eine oder mehrere der beschriebenen Beschränkungen oder Nachteile überwindet. Eine solche Alternative wird durch die Erfindung geschaffen.

Die Erfindung schafft eine Wälzlageranordnung und ein Verfahren zum Ausbilden einer Wälzlageranordnung. Die Lageranordnung weist eine Hülse auf, die aus einem kalt gewalzten Streifen gebildet ist, der einen Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% hat. Die geformte Hülse hat eine Umfangslaufbahn, und eine Vielzahl von Wälzelementen ist in der Hülse angeordnet. Bei einem Aspekt der Erfindung hat die Umfangslaufbahn eine einem Härten entsprechende Oberflächenhärte von wenigstens 58 HRC ohne Aufkohlen der gebildeten Hülse. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung hat der kalt gewalzte Streifen einen Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% und eine ASTM Korngrößenkennzahl von 8 oder feiner. Die Umfangslaufbahn hat eine Oberflächenrauhigkeit Ra von weniger als oder gleich 0,000.457.2 mm (18 Mikrozoll) ohne Anwendung irgendeines Endbearbeitungsvorgangs auf die geformte Hülse. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung hat der kalt gewalzte Streifen einen Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% und einen ebenen Beanspruchungs-Verformungs-Grenzwert (FL₀) größer als oder gleich 0,25.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
1 ist eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer Wälzlagerhülse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, gebildet durch einen beispielhaften Formvorgang.
2 ist eine Schrägansicht einer geformten Lagerhülse.
3 ist eine Querschnittsansicht der Hülse von 2.
4 ist eine Querschnittsansicht ähnlich der 3 und zeigt die in die Hülse eingesetzten Wälzelemente und das offene Ende geschlossen.
5 ist eine Querschnittsansicht ähnlich der 3 und zeigt eine alternative Gestaltung der Hülse.
6 ist ein Blechverformungs-Grenzdiagramm (FLD) für ein beispielhaftes Hochkohlenstoff-Stahlblech zur Verwendung bei der Erfindung.
Die verwendeten Begriffe dienen nur der Klarheit und sind nicht beschränkend zu verstehen.
In den 2 bis 4 ist eine Wälzlageranordnung 10 als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Lageranordnung 10 weist eine zylindrische Hülse 12 auf, die aus einem Stück eines flachen Blechs gebildet ist. Die Hülse 12 kann verschiedene Gestalten haben, zum Beispiel zylindrisch, konisch oder teilsphärisch, und sie wird hier nur zur Veranschaulichung als Zylinder beschrieben. Die Hülse 12 ist an einem Ende 14 mit einem Flansch versehen und anfänglich an dem entgegengesetzten Ende 16 offen. Gemäß 5 kann die Hülse 12' ein geschlossenes Ende 14' gegenüber dem offenen Ende 16 haben. Das geschlossene Ende 14' kann mit einem erhabenen Teil 15 versehen sein. Verschiedene andere Gestaltungen der Hülse 12 können auch vorgesehen sein. Das offene Ende 16 hat oft einen dünneren Querschnitt, der üblicherweise als Lippe 20 bezeichnet wird. Die Hülse 12 nimmt eine Anzahl von inneren Komponenten auf, wie beispielsweise die Wälzelemente 22. Zusätzliche innere Komponenten können einen Käfig aufweisen, um die Wälzelemente zu halten und zu führen, eine oder mehrere Dichtungen und, weniger üblich, Scheiben oder Ringe für mehr spezialisierte Zwecke. Wenn die inneren Komponenten eingebaut sind, wird die Lippe 20 umgebogen, gefaltet oder auf andere Weise nach innen gedreht, um das offene Ende 16 der Hülse 12 zu schließen. Alternativ wird die Lippe 20 umgebogen, gefaltet oder auf andere Weise nach innen gedreht, um das offene Ende 16 der Hülse 12 zu schließen, bevor die inneren Komponenten installiert werden, wobei dieses Zusammenfügen einem späteren Bearbeitungsvorgang überlassen bleibt.
Herkömmlicherweise waren die Hülsen, hergestellt durch Formen von flachem Metallblech, zum Beispiel durch Tiefziehen, Stanzen oder Kaltformen, im allgemeinen auf Stähle mit geringem oder mittlerem Kohlenstoffgehalt beschränkt, mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als oder gleich 0,55%.
Durch die Erfindung wurde gefunden, daß die Lagerhülse 12 aus einem flachen Metallblech gebildet werden kann, das ein Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt ist, der einen Kohlenstoffgehalt von 0,65% oder mehr hat. Das Material hat vorzugsweise eine chemische Zusammensetzung von 0,65 bis 0,90% Kohlenstoff, 0,75 bis 0,90% Mangan, 0,15 bis 0,25% Chrom, 0,15 bis 0,30% Silizium, maximal 0,025% Phosphor, maximal 0,025% Schwefel und 0,020 bis 0,050% Aluminium. Das bevorzugte Material hat auch eine ASTM Korngrößenkennzahl von 8 oder feiner. Zum Beispiel wurde die Lageranordnung 10 unter Verwendung eines SAE-1074 Kohlenstoffstahl-Streifenmaterials hergestellt, das eine ASTM Korngrößenkennzahl von 8 oder feiner hatte. Während gefunden wurde, daß SAE-1074 Kohlenstoffstahl-Streifenmaterial zu bevorzugen ist, können andere Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt verwendet werden. Es wird bevorzugt, daß solche Hochkohlenstoff-Stähle eine ASTM Korngrößenkennzahl von 8 oder feiner und einen einfachen oder ebenen Belastungs-Verformungs-Grenzwert (FL₀) größer als oder gleich 0,25 haben. Wie in 6 gezeigt, wurde gefunden, daß ein Material dieser Natur einen Anisotropiewert R hat, der ohne Bearbeitung des Materials nahe bei 1,0 liegt, wie es allgemein bei Niederkohlenstoff-Stählen mit groberen Korngrößen erforderlich ist.
Wälzlageranordnungen 10, die unter Verwendung des bevorzugten Materials hergestellt wurden, hatten eine Hülse 12 mit sehr guter Konzentrizität und Rundheit. Die Hülse 12 hat auch eine Lagerhärte entsprechend einer Wärmebehandlung, zum Beispiel größer als 58 HRC, ohne irgendeinen Aufkohlungsvorgang nach dem Formen aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts. Die geformte Hülse 12 wird typischerweise angelassen (getempert), um die Oberflächenzähigkeit zu erhöhen, sie erfordert aber im allgemeinen nicht eine Aufkohlungsbehandlung, um die Lageroberfläche zu härten. Die geformte Hülse 12 hat auch einen im wesentlichen gleichförmigen Kohlenstoffgehalt über den Querschnitt der Hülse 12. Aufgrund der feinen Konstruktur hat die geformte Hülse 12 ferner eine glatte Oberfläche ohne irgendeine zusätzliche Nachbearbeitung. Zum Beispiel hat die geformte Hülse 12 vorzugsweise eine durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit Ra von weniger als 0,000.457.2 mm (18 Mikrozoll) und vorzugsweise von weniger als 0,000.203.2 mm (8 Mikrozoll) ohne irgendein Schleifen oder eine andere ergänzende Nachbehandlung der geformten Hülse 12.

Claims

Verfahren zum Bilden einer Komponente eines Wälzlagers mit den Schritten: – Bereitstellen eines kalt gewalzten Streifens, der einen Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% hat; – Umformen des Streifens zur Bildung einer Hülse (12), die eine Umfangslaufbahn hat; – Einsetzen einer Vielzahl von Wälzelementen (22) in die Hülse (12); – wobei die Umfangslaufbahn eine einem Härten entsprechende Oberflächenhärte von wenigstens 58 HRC ohne Anwendung einer Aufkohlungsbehandlung auf die geformte Hülse (12) hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Formschritt ein Tiefziehen, Stanzen oder Kaltformen des kalt gewalzten Streifens oder eine Kombination hiervon aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der kalt gewalzte Streifen eine ASTM-Korngrößenkennzahl von 8 oder feiner hat.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Umfangslaufbahn eine Oberflächenrauhigkeit Ra kleiner als oder gleich 0,000.457.2 mm (18 Mikrozoll) ohne Anwendung eines Nachbearbeitungsvorganges auf die geformte Hülse (12) hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der kalt gewalzte Streifen einen Grenzwert der einfachen oder ebenen Verformungsbeanspruchung (FL₀) größer als oder gleich 0,25 hat.
Verfahren zum Bilden einer Komponente eines Wälzlagers mit den Schritten: – Bereitstellen eines kalt gewalzten Streifens, der einen Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% und eine ASTM-Korngrößenkennzahl von 8 oder feiner hat; – Umformen des Streifens zur Bildung einer Hülse (12), die eine Umfangslaufbahn hat; und – Anordnen einer Vielzahl von Wälzelementen (22) in der Hülse (12).
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Umfangslaufbahn eine Oberflächenrauhigkeit Ra kleiner als oder gleich 0,000.457.2 mm (18 Mikrozoll) ohne Anwendung eines Nachbearbeitungsvorgangs auf die geformte Hülse (12) hat.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Formschritt ein Tiefziehen, Stanzen oder Kaltformen des kalt gewalzten Streifens oder eine Kombination davon umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Umfangslaufbahn eine einem Härten entsprechende Oberflächenhärte von wenigstens 58 HRC ohne Anwendung einer Aufkohlungsbehandlung auf die geformte Hülse (12) hat.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der kalt gewalzte Streifen einen Grenzwert der einfachen oder ebenen Verformungsbeanspruchung (FL₀) größer als oder gleich 0,25 hat.
Verfahren zum Bilden einer Komponente eines Wälzlagers mit den Schritten: – Bereitstellen eines kalt gewalzten Streifens mit einem Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% und mit einem Grenzwert der einfachen oder ebenen Verformungsbeanspruchung (FL₀) größer als oder gleich 0,25; – Umformen des Streifens zur Bildung einer Hülse (12), die eine Umfangslaufbahn hat; und – Anordnen einer Vielzahl von Wälzelementen (22) in der Hülse (12).
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Formschritt ein Tiefziehen, Stanzen oder Kaltformen des kalt gewalzten Streifens oder eine Kombination davon aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der kalt gewalzte Streifen eine ASTM-Korngrößenkennzahl von 8 oder feiner hat.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Umfangslaufbahn eine Oberflächenrauhigkeit Ra kleiner als oder gleich 0,000.457.2 mm (18 Mikrozoll) ohne Anwendung eines Nachbearbeitungsvorgangs auf die geformte Hülse (12) hat.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Umfangslaufbahn eine einem Härten entsprechende Oberflächenhärte von wenigstens 58 HRC ohne Anwendung einer Aufkohlungsbehandlung auf die geformte Hülse (12) hat.
Wälzlageranordnung, hergestellt durch ein Verfahren, das die Schritte aufweist: – Bereitstellen eines kalt gewalzten Streifens, der einen Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% hat; – Umformen des Streifens zur Bildung einer Hülse (12), die eine Umfangslaufbahn hat; – Einsetzen einer Vielzahl von Wälzelementen (22) in die Hülse (12); – wobei die Umfangslaufbahn eine einem Härten entsprechende Oberflächenhärte von wenigstens 58 HRC ohne Anwendung einer Aufkohlungsbehandlung auf die geformte Hülse (12) hat.
Wälzlageranordnung nach Anspruch 16, bei der die Hülse (12) einen Querschnitt mit einem im wesentlichen gleichförmigen Kohlenstoffgehalt ohne Anwendung einer Aufkohlungsbehandlung auf die geformte Hülse (12) hat.
Wälzlageranordnung hergestellt durch ein Verfahren, das die Schritte aufweist: – Bereitstellen eines kalt gewalzten Streifens, der einen Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% und eine ASTM-Korngrößenkennzahl von 8 oder feiner hat; – Umformen des Streifens zur Bildung einer Hülse (12), die eine Umfangslaufbahn hat; und – Anordnen einer Vielzahl von Wälzelementen (22) in der Hülse (12).
Wälzlageranordnung nach Anspruch 17 oder 18, bei der die Umfangslaufbahn eine Oberflächenrauhigkeit Ra kleiner als oder gleich 0,000.457.2 mm (18 Mikrozoll) ohne Anwendung eines Nachbearbeitungsvorgangs auf die geformte Hülse (12) hat.
Wälzlageranordnung hergestellt durch ein Verfahren, das die Schritte aufweist: – Bereitstellen eines kalt gewalzten Streifens mit einem Kohlenstoffgehalt größer als 0,65% und mit einem Grenzwert der einfachen oder ebenen Verformungsbeanspruchung (FL₀) größer als oder gleich 0,25; – Umformen des Streifens zur Bildung einer Hülse (12), die eine Umfangslaufbahn hat; und – Anordnen einer Vielzahl von Wälzelementen (22) in der Hülse (12).