DE102006016705A1

DE102006016705A1 - Linearwälzlager mit mikrostrukturierter Laufbahn

Info

Publication number: DE102006016705A1
Application number: DE102006016705A
Authority: DE
Inventors: Harald Maiss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-04-08
Filing date: 2006-04-08
Publication date: 2007-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Linearwälzlager (10) umfassend eine lang gestreckte Führungsschiene (11) mit wenigstens einer Schienenlaufbahn (12) und einem Führungswagen (20) mit wenigstens einer Wagenlaufbahn (21), wobei die Schienenlaufbahn (12) zusammen mit einer zugeordneten Wagenlaufbahn (21) einen Tragkanal (30) bildet, in dem eine Vielzahl von Wälzkörpern (31) angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die Wagenlaufbahn (21) eine Vielzahl von Vertiefungen auf, die wesentlich tiefer als die Oberflächenrauhigkeit der Wagenlaufbahn (21) sind, wobei die Schienenlaufbahn (12) keine derartigen Vertiefungen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Linearwälzlager gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein derartiges Linearwälzlager ist aus der DE 90 11 444 U1 bekannt. Dort ist in den 15 und 16 ein Linearwälzlager mit einer lang gestreckten Führungsschiene 102 und einem Führungswagen 101 dargestellt. Die Führungsschiene ist mit Schienenlaufbahnen A12, B12, C12, D12 (s. 12) und der Führungswagen mit komplementären Wagenlaufbahnen C11, D12 (s. 18 bis 21) versehen, die zusammen einen Tragkanal bilden. In dem Tragkanal ist eine Vielzahl von Wälzkörpern in Form von Kugeln C1, C2 aufgenommen. Die Wagenlaufbahnen sind an einer gesonderten Laufbahneinlage 156 ausgebildet. An den Stirnseiten des Führungswagens sind Dichtungen 29 vorgesehen.
Bei derartigen Linearwälzlagern wird üblicherweise angestrebt, die Schienen- und die Wagenlaufbahn möglichst glatt auszuführen, damit ein möglichst großer Flächenanteil der Berührfläche zwischen Laufbahn und Wälzkörper zur Lastübertragung zur Verfügung steht. Die Rauhigkeit der Oberflächen wird in diesem Zusammenhang am besten durch dem R_a-Wert nach DIN ISO 4287 charakterisiert, da dessen Definition den Verhältnissen bei der Lastübertragung zwischen Wälzkörper und Laufbahn am besten Rechnung trägt.
Mit kleiner werdender Oberflächenrauhigkeit R_a tritt zunehmen das Problem auf, dass das Schmieröl, das zur Verschleißminderung notwenig ist, die Laufbahnoberfläche nicht mehr richtig benetzt. Es wird deshalb durch das Überrollen der Wälzkörper vom Kontaktbereich weg gefördert, so dass keine ausreichende Schmierung mehr vorhanden ist. Zur Lösung dieses Problems wurde bereits in der DE 36 01 319 C2 vorgeschlagen, eine glatte Laufbahnoberfläche gezielt mit Vertiefungen zu versehen, durch die das Schmieröl festgehalten wird. Die genannte Schrift betrifft zwar den Gleitkontakt zwischen Kolbenring und Zylinder bei einem Verbrennungsmotor und nicht den Wälzkontakt bei einem Linearwälzlager, das zugrunde liegende Problem ist aber ähnlich. Bei Gleitkontakt tritt das Problem jedoch schon bei höheren Oberflächenrauhigkeiten auf als bei Wälzkontakt. In beiden Fällen ist entscheidend, dass der Verlust an tragender Fläche durch die Vertiefungen den Gewinn an tragender Fläche durch die glatte Laufbahnoberfläche nicht zunichte macht.
Der Nachteil der beschriebenen Lösung besteht im hohen Herstellungsaufwand.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Linearwälzlager mit hoher Tragfähigkeit bereitzustellen, das kostengünstig hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Linearwälzlager die Wagenlaufbahnen wesentlich häufiger von den Wälzkörpern überrollt werden als die Schienenlaufbahnen, wenn der Verfahrweg des Führungswagens länger ist als die Wagenlaufbahnen. Es reicht daher aus, die Vertiefungen an den Wagenlaufbahnen anzubringen. Der Herstellungsaufwand des Linearwälzlagers ist entsprechend niedrig.
Der Verzicht auf Vertiefungen an den Schienenlaufbahnen hat überdies den Vorteil, dass nicht übermäßig viel Schmieröl beim Verfahren des Führungswagens über solche Vertiefungen aus dem Inneren des Führungswagens heraus gelangen kann. Dort würde es später von den Führungswagendichtungen abgestreift werden und wäre für die Schmierung verloren.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Wagenlaufbahn eine geringere Oberflächenrauhigkeit R_a aufweist als die Schienenlaufbahn. Dadurch wird erreicht, dass die Rauhigkeit der Schienenlaufbahn, an der keine Vertiefungen vorgesehen sind, hoch genug ist, um das Schmieröl festzuhalten, während die Wagenlaufbahn, an der die erfindungsgemäßen Vertiefungen angebracht sind, so glatt ist, dass deren Tragfähigkeit möglichst hoch ist.
Die Wagenlaufbahn kann an einer gesonderten Laufbahneinlage angeordnet sein, die vorzugsweise aus gehärtetem Stahl besteht. Auf diese Weise werden die Wagenlaufbahnen zum Einbringen der Vertiefungen besser zugänglich. Dadurch, dass die Laufbahneinlage wesentlich kleiner als der gesamte Führungswagen ist, ist deren Bearbeitung generell wesentlich kostengünstiger.
Weiter kann die Laufbahneinlage wenigstens im Bereich der Wagenlaufbahn elektrochemisch poliert sein. Vorzugsweise ist sie an der gesamten Oberfläche elektrochemisch poliert. Beim elektrochemischen Polieren handelt es sich um einen umgekehrten galvanischen Prozess. Die zu behandelnden Werkstücke werden hierbei in einem Prozessbehälter, der mit einer geeigneten Elektrolytflüssigkeit gefüllt ist, getaucht. In die Elektrolytflüssigkeit werden zwei Elektroden gesetzt, die mit den beiden Polen einer Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden sind, wobei die Werkstücke mit einer der Elektroden elektrisch verbunden sind. Da der elektrochemische Umwandlungsprozess bevorzugt an den Rauhigkeitsspitzen der Werkstückoberfläche stattfinden, führt diese Behandlung zu einer Verringerung der Oberflächenrauhigkeit. Dieses Verfahren ist zur Behandlung der gesonderten Laufbahneinlagen besonders geeignet, weil in einem Prozessgang sehr viele Laufbahneinlagen gleichzeitig behandelt werden können. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann auf das Abdecken nicht zu polierender Bereiche der Laufbahneinlage verzichtet werden. Das elektrochemische Polieren ist aus der US 6 896 416 B2 bei Radialwälzlagern bekannt.
Zur Vereinfachung des Elektropoliervorgangs kann vorgesehen sein, dass als Prozessbehälter eine drehbare Trommel vorgesehen ist, die als Elektrode mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Auf diese Weise muss nicht jede Laufbahneinlage gesondert mit der einen Elektrode verbunden werden, da durch die Drehbewegung der Trommel alle Laufbahneinlagen zumindest zeitweise in elektrischen Kontakt mit der Trommel kommen. Die Behandlung in einer Trommel lässt sich nur mit relativ kleinen und leichten Teilen durchführen. Deshalb ist sie zur Behandlung von einstückigen Führungswagen nicht geeignet. Die Verwendung von gesonderten Laufbahneinlagen ist zwingend erforderlich.
Zur Beschleunigung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in die Trommel gesonderte inerte Partikel eingefüllt sind. Die Relativbewegung zwischen den Laufbahneinlagen und den inerten Partikeln führt dazu, dass die chemischen Reaktionsrückstände schneller von der Oberfläche der Laufbahneinlagen abgetragen werden, wodurch die elektrochemische Reaktion schneller abläuft. Die Härte der inerten Partikel muss so gewählt sein, dass die Wagenlaufbahnen nicht beschädigt werden, d.h. die inerten Partikel dürfen nicht härter als die Laufbahneinlagen sein.
Da das elektrochemische Polieren von Laufbahneinlagen eines Linearwälzlagers auch ohne die erfindungsgemäßen Vertiefungen der Wagenlaufbahn vorteilhaft ist, behält sich die Anmelderin vor, diesen Aspekt der Erfindung selbständig weiterzuverfolgen.
Das elektrochemische Polieren der Laufbahneinlagen kann vor dem Einbringen der Vertiefungen in die Wagenlaufbahnen stattfinden, damit die Breite der Vertiefungen durch das elektrochemische Polieren, das bevorzugt an den Begrenzungskanten der Vertiefungen ablaufen würde, nicht vergrößert wird. Hierdurch würde die tragende Fläche der Wagenlaufbahn verkleinert, wodurch die Tragfähigkeit des Linearwälzlagers abnehmen würde.
Weiter können längliche Vertiefungen vorgesehen sein, die im Wesentlichen parallel zur Führungsschienenrichtung ausgerichtet sind. Dies ist vorteilhaft, weil die Berührfläche zwischen Wälzkörper und Wagenlaufbahn ebenfalls länglich ist, wobei die Berührfläche parallel zur Drehachse der Wälzkörper und somit quer zur Führungsschienenrichtung ausgerichtet ist. Somit ist die Schnittfläche zwischen der Berührfläche und der Vertiefungsöffnung besonders klein, wodurch wenig tragende Fläche der Wagenlaufbahn verloren geht.
Zum Herstellen der Vertiefungen kann eine Vielzahl von in Reihe angeordneten gehärteten Laufbahneinlagen mit wenigstens einem Laserstrahl bearbeitet werden. Auf diese Weise können die Laufbahneinlagen der Strahlenquelle unterbrechungsfrei zugeführt werden, wodurch deren Stillstandszeit minimiert wird. In der Folge können sehr viele Laufbahneinlagen mit der Strahlenquelle bearbeitet werden. Die Bearbeitung von gesonderten Laufbahneinlagen hat überdies den Vorteil, dass mehrere parallele Wagenlaufbahnen mit einer Strahlenquelle in einer Aufspannung bearbeitet werden können, weil sie besonders gut zugänglich sind.
Die Reihe von Laufbahneinlagen kann am Laserstrahl vorbei bewegt werden, vorzugsweise mittels eines Förderbands. In der Folge kann die Strahlenquelle unbeweglich angeordnet werden. Die während der Bearbeitung notwendige Relativbewegung zwischen Laufbahneinlage und Laserstrahl kann mittels einer Ablenkvorrichtung für den Laserstrahl sehr genau ausgeführt werden. Mit dem bevorzugten Förderband kann die Zuführung der Laufbahneinlagen besonders kostengünstig realisiert werden.
Zum Einbringen der Vertiefungen kann der Laserstrahl analog zur DE 36 01 319 C2 eine fotoempfindliche Schutzschicht belichten, wobei die belichteten Abschnitte einer Vielzahl von Laufbahneinlagen gemeinsam entfernt werden und wobei eine Vielzahl derartiger Laufbahneinlagen gemeinsam geätzt wird. Durch die Verwendung von gesonderten Laufbahneinlagen können die Prozessschritte "Entfernen der belichteten Abschnitte" bzw. "Ätzen" für eine Vielzahl von Laufbahneinlagen in verhältnismäßig kleinen Bädern mit entsprechenden flüssigen Chemikalien vorgenommen werden, wodurch dieser Prozess besonders kostengünstig durchgeführt werden kann.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Laserstrahl die Laufbahneinlagen im Bereich der Vertiefungen verflüssigt. Hierbei wird unweigerlich eine geringe Materialmenge durch Oxidation, Verdampfung und ähnliche Vorgänge abgetragen, so dass entsprechende Vertiefungen entstehen. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass sie besonders schnell und einfach durchgeführt werden kann. Ein ähnliches Verfahren ist zur Herstellung von Zylinderoberflächen eines Verbrennungsmotors unter dem Begriff Laserhonen bekannt (vgl. VDI-Nachrichten, Ausgabe 49/2005, Seite 12).
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben werden. Es stellt dar:
1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Linearwälzlagers;
2 eine schematische Draufsicht der Laufbahneinlage des Linearwälzlagers gemäß 1;
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung der Laufbahneinlage gemäß 2.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Linearwälzlager ganz allgemein mit 10 bezeichnet. Es umfasst eine lang gestreckte Führungsschiene 11, die über ihre gesamte Länge ein im Wesentlichen konstantes Querschnittsprofil aufweist und einen Führungswagen 20. Die vier Wagenlaufbahnen 21 am Führungswagen 20 und die vier Schienenlaufbahnen 12 an der Führungsschiene 10 definieren vier Tragkanäle 30, die über zugeordnete Rückführkanäle 22 zu endlosen Umlaufkanälen verbunden sind. In den endlosen Umlaufkanälen sind Wälzkörper 31 in Form von Kugeln aufgenommen, so dass der Führungswagen 20 an der Führungsschiene 11 linearbeweglich abgestützt ist.
Die Wagenlaufbahnen 21 sind an zwei gesonderten Laufbahneinlagen 24 angebracht, die in 2 dargestellt sind. Die Laufbahneinlagen 24 bestehen aus durchgehärtetem Stahl, nämlich 100Cr6. Der Wagengrundkörper 25 besteht aus ungehärtetem Stahl, die Führungsschiene besteht ebenfalls aus 100Cr6 und ist im Bereich der Schienenlaufbahnen 12 induktionsgehärtet.
Die Laufbahneinlagen 21 werden von einem stranggezogenen durchgehärteten Profilstab mit einem endkonturnahem Querschnittsprofil mittels Trennschleifen abgelängt. Anschließend werden die beiden Anlageflächen 26 der Laufbahneinlage 21 gemeinsam eben geschliffen, so dass sie als Anlagefläche für einen zweiten Schleifvorgang dienen können, bei dem die beiden Wagenlaufbahnen 21 bearbeitet werden. Eine Vielzahl derartiger Laufbahneinlagen 23 wird nun nach dem oben beschriebenen Verfahren in einer Trommel an der gesamten Oberfläche elektropoliert. Hierbei findet ausschließlich eine Glättung der Oberfläche statt, wohingegen eine Formänderung der Laufbahneinlage aufgrund des geringen Materialabtrags praktisch ausgeschlossen ist.
Die geglätteten Laufbahneinlagen 21 werden nunmehr wie in 3 dargestellt einer Strahlenquelle 41 zum Aufbringen der erfindungsgemäßen Vertiefungen 23 zugeführt. Hierfür werden sie in einer Reihe auf ein Förderband 42 aufgelegt und an der Strahlenquelle 41 vorbeibewegt. Dort werden sie mit einer nicht dargestellten Greifvorrichtung in einer definierten Lage fixiert. Die Ablenkvorrichtung 43 der Strahlenquelle 41 lenkt nun den Laserstrahl 40 mittels nicht dargestellten Spiegeln derart über die Oberfläche der Wagenlaufbahnen 21, dass das in 2 dargestellte Muster an länglichen Vertiefungen entsteht, die parallel zur Längsrichtung der Laufbahneinlage 24 ausgerichtet sind.
Durch die Wärmeeinwirkung des Laserstrahls 40 wird Material von der Laufbahneinlage abgetragen, so dass die erfindungsgemäßen Vertiefungen entstehen. Hierbei muss die Laufbahneinlage lokal wenigstens so stark erwärmt werden, dass sich das Material der Laufbahneinlage verflüssigt. Der anschließende Erkaltungsvorgang wird so geführt, dass die länglichen Vertiefungen eine Vielzahl von Oberflächenporen umfassen, die das Schmieröl besonders gut festhalten.

10: Linearwälzlager
11: Führungsschiene
12: Schienenlaufbahn
20: Führungswagen
21: Wagenlaufbahn
22: Rückführkanal
23: Vertiefung
24: Laufbahneinlage
25: Wagengrundkörper
26: Anlagefläche
30: Tragkanal
31: Wälzkörper
40: Laserstrahl
41: Strahlenquelle
42: Förderband
43: Ablenkvorrichtung

Claims

Linearwälzlager (10) umfassend eine lang gestreckte Führungsschiene (11) mit wenigstens einer Schienenlaufbahn (12) und einen Führungswagen (20) mit wenigstens einer Wagenlaufbahn (21), wobei die Schienenlaufbahn (12) zusammen mit einer zugeordneten Wagenlaufbahn (21) einen Tragkanal (30) bildet, in dem eine Vielzahl von Wälzkörpern (31) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wagenlaufbahn (21) eine Vielzahl von Vertiefungen (23) aufweist, die wesentlich tiefer als die Oberflächenrauhigkeit der Wagenlaufbahn (21) sind, wobei die Schienenlaufbahn (12) keine derartige Vertiefungen aufweist.
Linearwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wagenlaufbahn (21) eine geringere Oberflächenrauhigkeit R_a aufweist als die Schienenlaufbahn (12).
Linearwälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wagenlaufbahn (21) an einer gesonderten Laufbahneinlage (24) angeordnet ist, die vorzugsweise aus gehärtetem Stahl besteht.
Linearwälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahneinlage (24) wenigstens im Bereich der Wagenlaufbahn (21) elektrochemisch poliert ist, vorzugsweise an der gesamten Oberfläche elektrochemisch poliert ist.
Linearwälzlager nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass längliche Vertiefungen (23) vorgesehen sind, die im Wesentlichen parallel zur Führungsschienenrichtung ausgerichtet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Linearwälzlagers nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen der Vertiefungen (23) eine Vielzahl von in Reihe angeordneten gehärteten Laufbahneinlagen (24) mit wenigstens einem Laserstrahl (40) bearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihe von Laufbahneinlagen (23) am Laserstrahl (40) vorbei bewegt wird, vorzugsweise mittels eines Förderbands (42).
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (40) eine fotoempfindliche Schutzschicht belichtet, wobei die belichteten Abschnitte einer Vielzahl von Laufbahneinlagen (24) gemeinsam entfernt werden, und wobei eine Vielzahl derartiger Laufbahneinlagen (24) gemeinsam geätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (40) die Laufbahneinlagen (24) im Bereich der Vertiefungen (23) verflüssigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von gehärteten Laufbahneinlagen (24) vor dem Einbringen der Vertiefungen (23) gemeinsam elektrochemisch poliert wird, vorzugsweise an der gesamten Oberfläche.