DE102005054576B3 - Verfahren zur Herstellung von gekrümmten Elementen, insbesondere von Gleitelementen wie Lagerschalen und Lagerbuchsen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von gekrümmten Elementen, insbesondere von Gleitelementen wie Lagerschalen und Lagerbuchsen beschrieben. Hierbei wird von einer ebenen Platine (1) der Wandstärke (D) ausgegangen, die durch Biegen um eine erste sich senkrecht zur Längsrichtung der Platine erstreckende Biegeachse (10) zum Element umgeformt wird. Die Platine (1) wird von dem Biegeumformen an ihren beiden sich in Längsrichtung der Platine erstreckenden Rändern (3, 5) jeweils in einem Randbereich (6, 7) der Breite B_R mindestens um eine zweite Vorbiegeachse (12.1, 12.1) umgebogen, wobei sich die beiden zweiten Vorbiegeachsen (12.1, 12.1) parallel zur Längsrichtung der Platine (1) erstrecken und auch auf derselben Seite der Platine (1) wie die erste Biegeachse (10) liegen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gekrümmten Elementen, insbesondere von Gleitelementen wie Lagerschalen und Lagerbuchsen, bei dem eine ebene Platine der Wandstärke D durch Biegen um eine erste sich senkrecht zur Längsrichtung der Platine erstreckende Biegeachse zum gekrümmten Element umgeformt wird.
• Bei diesem Biegeumformverfahren tritt ein Effekt auf, der als so genannter Radiergummieffekt bezeichnet wird.
• Wird nämlich ein streifenförmiges Blech oder eine Platine 1, worunter z.B. ein mit Lagermetall und/oder Gleitmaterial beschichteter Stahlrücken verstanden wird, um die erste Biegeachse 10 zu einer Lagerschale 19 umgeformt, so erfolgt ein Aufwölben der Ränder 3 und 5, was auf der Außenseite zu einer konkaven Außenfläche 8 und auf der Innenseite zu einer konvexen Innenfläche 9 führt (s. 1–3, in denen dieser Effekt übertrieben dargestellt ist). Dieser Effekt tritt umso stärker auf je größer das Dicken/Breiten-Verhältnis der Platine 1 ist.
• Beispielsweise in Handbuch der Fertigungstechnik, Bd. 2/3 „Umformen Zerteilen" von G. Spur, TH Stöferle im Carl-Hanser-Verlag München Wien, 1985, S. 1291 wird dieser Effekt wie folgt beschrieben: wird ein Streifen gekrümmt, so verlängern sich die vom Schwerpunkt nach außen hin liegenden Fasern, während sich die zum Krümmungsmittelpunkt hin liegenden Fasern verkürzen. Nach dem Gesetz der Volumenkonstanz muss der Querschnitt im Bereich der gedehnten Faser kleiner und im Bereich der gestauchten Faser größer werden. Dabei werden die Zugfasern des gebogenen Streifens schmaler und die Druckfasern breiter. Da diese Querumformungen durch die zur Streifenmitte hin liegenden, weniger umgeformten Schichten behindert werden, tritt eine Streifenkrümmung um die Längsachse ein. In der Zugaußenfaser erhält der Streifen eine konkave und in der Druckaußenfaser eine konvexe Form.
• Bei Präzisionsteilen wie Lagerbuchsen, Lagerschalen, Motorgehäusen, usw. ist der „Radiergummieffekt" aus zweierlei Hinsicht unerwünscht. Die konkave Außenfläche, z. B. einer Lagerbuchse, hat zur Folge, dass die Lagerbuchse nach dem Einpressen in eine zylindrische Bohrung nur außen am Rand aufliegt. Bei dynamischer Belastung lockert sich die Buchse und kann unter Umständen brechen. Eine zylindrische Außenfläche muss angestrebt werden, um den Traganteil der Außenfläche der Lagerschale oder Lagerbuchse zu erhöhen. Die durch den Radiergummieffekt bewirkte konvexe Innenkontur ist insofern nachteilig, als im Betrieb damit ein erheblicher Verschleiß verbunden ist. In „Betriebsspuren in Gleitlagerschalen von Verbrennungsmotoren und deren Bedeutung" von Glyco-Metall-Werke Daelen & Hofmann KG, Wiesbaden-Schierstein, 1979, werden verschiedene Verschleißmerkmale an Lagerschalen erläutert. Lagerschalen, die eine solche konvexe Innenkontur aufweisen, zeigen nach längerem Betrieb im Mittebereich erhöhte Verschleißspuren. Um diesen Verschleiß zu verhindern, müssen die Lagerschalen oder Lagerbuchsen nach dem Biegen bearbeitet bzw. nach dem Kalibrieren noch zusätzlich z.B. durch Schleifen nachbearbeitet werden. Dieser zusätzliche Arbeitsschritt ist mit erhöhten Kosten verbunden, wobei bei hochbelasteten Lagern ein zusätzliches Problem auftreten kann, das darin besteht, dass die Lagerschalen aufgrund des Materialabtrages im Betrieb brechen können.
• Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass während des Kalibriervorganges sehr hohe Kräfte aufgebracht werden müssen.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von gekrümmten Elementen der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem auf die aufwendige Nachbearbeitung der Außen- und/oder Innenflächen der gekrümmten Elemente wie Lagerschalen oder Lagerbuchsen verzichtet werden kann.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Platine vor dem Biegeumformen mindestens an ihren beiden sich in Längsrichtung der Platine erstreckenden Rändern jeweils mindestens in einem Randbereich der Breite B_R um mindestens eine zweite Biegeachse vorgebogen wird, wobei sich die zweiten Biegeachsen parallel zur Längsrichtung der Platine erstrecken und auf der selben Seite der Platine wie die erste Biegeachse liegen.
• Vorzugsweise erfolgt das Vorbiegen der Randbereiche in dem Maße, dass sich nach dem Biegeumformen um die erste Biegeachse mindestens eine im Wesentlichen über die gesamte Breite B des Elementes zylindrische Innenfläche einstellt. Hierbei stellt sich auch eine zylindrische Außenfläche ein. In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich durch das Vorbiegen eine völlige zylindrische Innenfläche nach dem Biegeformen einstellt.
• Es hat sich gezeigt, dass durch dieses Vorbiegen um die zweiten Biegeachsen der beim Umbiegen um die erste Biegeachse auftretende „Radiergummieffekt" kompensiert werden kann. Derart vorgebogene Platinen führen beispielsweise zu Lagerschalen, die von der Mitte bis in die beiden Randbereiche zylindrische Innen- und Außenflächen aufweisen, so dass eine Nachbearbeitung der beiden Flächen nicht mehr erforderlich ist.
• Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das nachgeschaltete Kalibrieren wesentlich geringere Presskräfte erfordert und dass ein wesentlich geringerer Werkzeugverschleiß an den nachgeschalteten Werkzeugen auftritt, als dies bei der Kalibrierung von gekrümmten Elementen nach dem Stand der Technik der Fall ist.
• In welchem Maße das Vorbiegen der Randbereiche durchzuführen ist, richtet sich nach der Größe der Platine, dem Aufbau der Platine und dem für die Platine verwendeten Material sowie nach dem Krümmungsradius bzw. Lagerschaleninnendurchmesser, der beim Biegeumformen um die erste Biegeachse realisiert werden soll. Die nachfolgenden Angaben gelten vorzugsweise für Lagerschalen und Lagerbuchsen mit Durchmessern von 5–150 mm, insbesondere für Durchmesser von 10–100 mm.
• Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Breite B_R der Randbereiche vorzugsweise jeweils 2·D bis 4·D, vorzugsweise 2,5·D bis 3,5·D beträgt, wobei D die Wanddicke der Platine in mm bezeichnet.
• Die erforderlichen Krümmungsradien R für das Vorbiegen um die zweiten Biegeachsen hängen ebenfalls von der Dicke D in mm der Platine ab. Vorzugsweise wird für das Vorbiegen um die zweiten Biegeachsen ein Krümmungsradius R = 60·D bis 100·D, vorzugsweise 70·D bis 90·D und besonders bevorzugt 75·D bis 85·D gewählt mit R in mm.
• Dieser Krümmungsradius R kann über die gesamte Breite B_R der Randbereiche konstant sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass für das Vorbiegen um die zweiten Biegeachsen ein sich zum Platinenrand verringernder Krümmungsradius gewählt wird.
• Außerdem können auch zwei oder mehrere zweite Biegeachsen mit unterschiedlichen Krümmungsradien vorgesehen sein.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Vorbiegen über die gesamte Breite B der Platine um mindestens eine zweite Biegeachse durchgeführt.
• Vorzugsweise erfolgt das Vorbiegen um mehrere zweite Biegeachsen mit unterschiedlichen Krümmungsradien R.
• Es hat sich gezeigt, dass das Vorbiegen über die gesamte Breite B bevorzugt bei Platinen anzuwenden ist, deren Dicken/Breiten-Verhältnis D/B > 1/9, insbesondere > 1/8 ist. Vorzugsweise bei D/B-Verhältnissen ≤ 1/9 reicht es aus, lediglich die Ränder der Platine vorzubiegen.
• Das Vorbiegen um die zweiten Biegeachsen kann durch Rollen, Biegen oder Pressen durchgeführt werden.
• Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• 1 eine perspektivische Darstellung einer noch nicht vorgebogenen, flachen Platine nach dem Stand der Technik,
• 2 eine Lagerschale nach dem Biegeumformen um die zweite Biegeachse nach dem Stand der Technik,
• 3 einen Schnitt längs der Linie III-III durch die in 2 gezeigte Lagerschale nach dem Stand der Technik,
• 4 eine perspektivische Darstellung einer nach der Erfindung vorgebogenen Platine,
• 5 eine vergrößerte Darstellung des linken Randes der in 4 gezeigten vorgebogenen Platine gemäß einer weiteren Ausführungsform,
• 6 eine vergrößerte Darstellung des linken Randes der in 4 gezeigten vorgebogenen Platine gemäß einer weiteren Ausführungsform,
• 7 eine Lagerschale nach dem Biegeumformen einer nach der Erfindung vorgebogenen Platine,
• 8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII durch die in 7 gezeigte Lagerschale, und
• 9 eine weitere Ausführungsform des Vorbiegens der Platine.
• In der 4 ist eine Platine 1 mit den Rändern 2, 3, 4 und 5 dargestellt. Die noch nicht vorgebogenen Ränder 3 und 5 der Platine 1 sind gestrichelt dargestellt.
• Vor dem Umbiegen um eine erste Biegeachse 10 zur Herstellung der in den 7 und 8 gezeigten Lagerschale 20 werden die Ränder 3 und 5 in den Randbereichen 6, 7 der Breite B_R zu Rändern 3', 5' nach unten vorgebogen (4–6). Die entsprechenden zweiten Biegeachsen 12.1 befinden sich dabei auf derselben Seite der Platine 1 wie die erste Biegeachse 10 und verlaufen senkrecht zur ersten Biegeachse 10. Das Vorbiegen der Ränder 3, 5 erfolgt mit den Krümmungsradien R.
• Der Krümmungsradius R kann für die gesamte Krümmung der Randbereiche B_R konstant gewählt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, wie dies in der 6 gezeigt ist, den Krümmungsradius ausgehend von dem Krümmungsradius R.1 zum Rand 3, 5 der Platine 1 auf R.2 hin zu verkürzen (Krümmungsradius R.2 < R.1), wodurch ein so genannter Korbbogen entsteht.
• In der 5 ist eine weitere Alternative dargestellt, bei der zwei zweite Biegeachsen 12.1 und 12.2 mit Krümmungsradien R.1 und R.2 vorgesehen sind, wobei R.1 < R.2 gewählt ist.
• Typische Abmessungen einer solchen Platine 1 sind 35 × 180 mm mit einer Dicke D = 3,5 mm (D/B = 1/10). Für den Krümmungsradius R ergibt sich beispielsweise ein Wert von 200 mm. Die Breite B_R der Randbereiche 6 und 7 beträgt ca. 10 mm.
• In den 7 und 8 ist die entsprechende Lagerschale 20 dargestellt, die im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Lagerschale 19 eine zylindrische Außenfläche 21 und eine zylindrische Innenfläche 22 aufweist. Die in 2 gezeigten aufgestellten Ränder 3, 5 sind bei der erfindungsgemäß hergestellten Lagerschale 20 gemäß der 4–8 nicht mehr vorhanden. Durch das Vorbiegen wird der so genannte Radiergummieffekt vollständig oder nahezu vollständig kompensiert.
• 9 zeigt im oberen Teil eine weitere Variante, bei welcher das Vorbiegen auf der gesamten Breite B der Platine 1 um mehrere Biegeachsen 12.1 bis 12.n erfolgt und im unteren Teil ein beispielhaftes Diagramm hierzu. Dabei verkürzen sich die Vorbiegeradien R.1 bis R.n von der Mitte M bis zu den Rändern 3 und 5 ständig. Die Größe und Anzahl der Vorbiegeradien R.1 bis R.n und deren Abstand B.1 bis B.n von der Mitte M ist dabei von den baulichen Parametern wie Durchmesser D_L der Lagerschale 20 und dem Verhältnis D/B, beispielsweise 1/6 oder 1/7 und dem Werkstoff der Platine 1 bestimmt.
• Die Kurve F, welche durch die Biegeachsen 12.1 bis 12.n gebildet wird, gibt dabei beispielhaft Aufschluss über die jeweilige Charakteristik der Verfahrensparameter.

1

Platine, nicht vorgebogen

2

Rand von 1

3, 3'

Rand von 1

4

Rand von 1

5, 5'

Rand von 1

6

Randbereich von 1

7

Randbereich von 1

8

konkave Außenfläche (azylindrisch)

9

konvexe Innenfläche (azylindrisch)

10

erste Biegeachse

12.1 bis 12.n

Vorbiegeachsen

19

Lagerschale (azylindrisch) nach dem Stand der Technik

20

Lagerschale (zylindrisch) nach der Erfindung

21

zylindrische Außenfläche von 20

22

zylindrische Innenfläche von 20

R.1 bis R.n

Vorbiegeradien

M

Mitte von 1

B

Breite von 1

B.1 bis B.n

Abstand der Vorbiegeachsen von M

D_L

Lagerschaleninnendurchmesser

F

Kurve, geometrischer Ort der Vorbiegeachsen 12.1 bis 12.n

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von gekrümmten Elementen, insbesondere von Gleitelementen wie Lagerschalen (20) und Lagerbuchsen, bei dem eine ebene Platine (1) der Wandstärke D durch Biegen um eine erste sich senkrecht zur Längsrichtung der Platine erstreckende Biegeachse (10) zum gekrümmten Element umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (1) vor dem Biegeumformen mindestens an ihren beiden sich in Längsrichtung der Platine (1) erstreckenden Rändern (3, 5) jeweils mindestens in einem Randbereich (6, 7) der Breite B_R um mindestens eine zweite Biegeachse (12.1 bis 12.n) vorgebogen wird, wobei sich die zweiten Biegeachsen (12.1 bis 12.n) parallel zur Längsrichtung der Platine (1) erstrecken und auf derselben Seite der Platine (1) wie die erste Biegeachse (10) liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umbiegen der Randbereiche (6, 7) in dem Maße erfolgt, dass sich nach dem Biegeumformen um die erste Biegeachse (10) mindestens eine über die gesamte Breite B des Elements zylindrische Innenfläche (22) einstellt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite B_R der Randbereiche (6, 7) jeweils 2·D bis 4·D beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Vorbiegen um die zweiten Biegeachsen (12.1 bis 12.n) ein Krümmungsradius (R; R.1 bis R.n) = 60·D bis 100·D gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius R konstant ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für das Vorbiegen um die zweiten Biegeachsen (12.1 bis 12.n) ein sich zum Platinenrand (3, 5) verringernder Krümmungsradius R gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für das Vorbiegen zwei oder mehrere zweite Biegeachsen (12.1 bis 12.n) mit unterschiedlichen Krümmungsradien (R.1, R.2) gewählt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorbiegen über die gesamte Breite B der Platine (1) um mindestens eine zweite Biegeachse (12.1 bis 12.n) durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorbiegen über die gesamte Breite B der Platine (1) um mehrere zweite Biegeachsen (12.1 bis 12.n) mit unterschiedlichen Krümmungsradien (R.1 bis R.n) durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platine (1) verwendet wird, deren Dicken/Breite-Verhältnis D/B > 1/9 ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorbiegen um die zweiten Biegeachse/n (12.1 bis 12.n) durch Rollen, Biegen oder Pressen durchgeführt wird.