DE102008012761B4

DE102008012761B4 - Bauelement einer Wälzlagerung und Verfehren zum Herstellen des Bauelements

Info

Publication number: DE102008012761B4
Application number: DE102008012761.2A
Authority: DE
Inventors: Helmut Hauck; Peter Horling; Edgar Pickel; Heinz Breunig
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: DE102008012761A1

Abstract

Bauelement einer Wälzlagerung, umfassend folgende Merkmale: – Ein erstes Element, auf dem Wälzkörper zum Abrollen vorgesehen sind, und ein zweites Element, – die beiden Elemente sind wenigstens in einem Bereich, in dem sie miteinander verbunden sind, aus einem Stahlmaterial ausgebildet, – die beiden Elemente sind miteinander schockverschweißt, so dass die Oberflächenatome der beiden Elemente in besagtem Bereich auf Atomabstand angenähert sind und eine metallische Bindung eingehen, und – das Stahlmaterial des ersten Elements ist ein durchhärtbarer Wälzlagerstahl und weist einen derartigen Kohlenstoffanteil auf, dass es nur schlecht oder gar nicht schmelzverschweißbar ist, und das Stahlmaterial des zweiten Elements weist einen Kohlenstoffanteil für eine gute Schmelzverschweißbarkeit auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement einer Wälzlagerung und ein Verfahren zum Herstellen des Bauelements.
Wälzlager werden in nahezu allen Bereich der Technik eingesetzt. Dabei sind Wälzlager oftmals genormte austauschbare Maschinenelemente. Ihre hohe Tragfähigkeit bei geringer Bauhöhe ermöglicht gedrängte und leichte Konstruktionen. Dies wird unter anderem durch durchhärtbare Wälzlagerstähle mit einem durchschnittlichen Gehalt von 1 % Kohlenstoff erreicht, wobei der Standardstahl 100Cr6 ist. Dies wirkt wiederum nachteilig, wenn beispielsweise der Wunsch nach einer Schweißbefestigung des Wälzlagers in seiner Einbauumgebung besteht.
Aus der US 2004/0089698 A1 ist die Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil eines Gleichlaufgelenks und einem Wellenzapfen bekannt, die durch ein Magnetimpulsschweißverfahren oder ein Sprengimpulsschweißverfahren erzeugt ist, wobei bei beiden Verfahren eine Verschweißbarkeit der beiden miteinander zu verbindenden Materialien gegeben sein muss und beim Magnetimpulsschweißverfahren noch zusätzlich eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit der Materialien hinzutreten muss.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Bauelement einer Wälzlagerung bzw. ein Verfahren zum Herstellen des Bauelements zu schaffen, so dass das Bauelement unter anderem bei genormten bzw. standardisierten Außenabmessungen universellen Befestigungsmethoden zugänglich ist.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Bauelements durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch den Gegenstand des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 beinhaltet ein Bauelement einer Wälzlagerung folgende Merkmale:

– Ein erstes Element, auf dem Wälzkörper zum Abrollen vorgesehen sind, und ein zweites Element,
– die beiden Elemente sind wenigstens in einem Bereich, in dem sie miteinander verbunden sind, aus einem Stahlmaterial ausgebildet,
– die beiden Elemente sind miteinander schockverschweißt, so dass die Oberflächenatome der beiden Elemente in besagtem Bereich auf Atomabstand angenähert sind und eine metallische Bindung eingehen, und
– das Stahlmaterial des ersten Elements ist ein durchhärtbarer Wälzlagerstahl und weist einen derartigen Kohlenstoffanteil auf, dass es nur schlecht oder gar nicht schmelzverschweißbar ist, und das Stahlmaterial des zweiten Elements weist einen Kohlenstoffanteil für eine gute Schmelzverschweißbarkeit auf.

Durch die bauliche Einheit des ersten und des zweiten Elements ist es möglich, ein Bauelement einer Wälzlagerung zu erzeugen, beispielsweise einen Lageraußen- oder -innenring, das weiterhin genormten bzw. standardisierten Abmessungen genügt, aber beispielsweise für den Fall, dass beide Elemente ringartig ausgebildet sind und das zweite Element, radial außen angeordnet, aus einem schmelzschweißbaren Stahl hergestellt ist, das Bauelement außenmantelseitig durch ein klassisches bzw. konventionelles Schmelzverschweißen mit seiner Einbauumgebung verbunden werden kann.
Dabei ist das klassische bzw. konventionelle Schmelzschweißen im Gegensatz zum sogenannten Schockverschweißen zu sehen. Besonderer Vorteil der Schockschweißverfahren gegenüber den klassischen bzw. konventionellen Schmelzschweißverfahren ist dabei, dass auch unterschiedliche metallische Werkstoffkombinationen wie z.B. Aluminium und Stahl oder Kupfer und Messing miteinander verschweißt werden können. Damit sind beim Schockverschweißen anders als beim klassischen bzw. konventionellen Schmelzverschweißen die beiden Elemente insbesondere auch dann fest und dauerhaft miteinander verbindbar, wenn das erste Element aus einem dem klassischen bzw. konventionellen Schmelzverschweißen nicht zugänglichen Stahlmaterial, beispielsweise einem Wälzlagerstahl ausgebildet ist.
Zu der Gruppe der Schockschweißverfahren zählt beispielsweise das Verfahren des Magnetimpulsschweißens. Beim Magnetimpulsschweißen wird ein hinreichend elektrisch leitfähiges Werkstück durch ein Magnetimpulsfeld derart beschleunigt, dass bei der anschließenden Kollision mit dem Fügepartner eine Kaltverschweißung entsteht. Dabei werden die Oberflächenatome der Fügepartner während der Kollision auf Atomabstand angenähert, so dass sie eine metallische Bindung eingehen, wobei beim Aufprall die für Schockschweißverfahren charakteristische wellenförmige Grenzlinie entsteht.
Weiterhin zählt zu der Gruppe der Schockschweißverfahren auch das Sprengschweißen, wobei beim Sprengschweißen gegenüber dem Magnetimpulsschweißen zur Bereitstellung der notwendigen Energien größere Sicherheitsvorkehrungen zu treffen sind.
Weiterhin ist beispielsweise das Magnetimpulsschweißen auch hinsichtlich Nachhaltigkeitsaspekten gegenüber einem Schmelzschweißen von besonderem Vorteil, da sich beim Einsatz des Magnetimpulsschweißens ein um bis zu 90 % geringerer Energiebedarf gegenüber dem Schmelzschweißen ergibt. Weiterhin sind Magnetimpulsschweißverfahren in hohem Grade automatisierbar, womit mit Vorteil aufgrund der wenigen und exakt einstellbaren Prozessparameter eine hohe Reproduzierbarkeit sichergestellt ist. Hierdurch lassen sich weitere deutliche Kosteneinsparpotentiale bei der Produktherstellung realisieren.
Bei dem Bauelement gemäß Anspruch 1, das man sozusagen auch als Hybridbauelement bezeichnen kann, ist es mit besonderem Vorteil möglich, durch die beiden Elemente wunschgemäß unterschiedliche Materialeigenschaften in dem jeweiligen Elemente einzustellen, aber gleichzeitig ein aus den beiden Elementen zusammengesetztes, in sich fest zusammengefügtes Bauelement zu erzeugen.
Als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Herstellverfahren für einen Außenring eines einreihigen Radialrillenkugellagers folgende Schritte: Der Außenringrohling wird beispielsweise durch Drehoperationen in an sich bekannter Weise derart fertig gestellt, dass der Außenringrohling mit seiner im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnittsfläche innenmantelseitig mit einer radial umlaufenden Nut schalenförmigen Profils als Abrollbahn für die als Kugeln ausgebildeten Wälzkörper ausgebildet ist. Dabei ist der Außenringrohling beispielsweise aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 ausgebildet und noch ungehärtet.
Der derartige Außenringrohling wird daraufhin in eine Hülse eingebracht, die hinsichtlich des Außenringrohlings eine in etwa übereinstimmende axiale Ausdehnung aufweist und deren Innendurchmesser in etwa einem Außendurchmesser des Außenringrohlings entspricht. Dabei ist die Hülse insbesondere aus einem gut schmelzschweißbaren Stahl, insbesondere aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil kleiner 0,25 % ausgebildet.
Danach wird der Zusammenbau aus dem Außenringrohling und der Hülse auf einen zylindrischen Dorn aufgebracht, dessen Mantelfläche in etwa der Innenmantelfläche des Außenringrohlings außerhalb der schalenartigen Nut entspricht, wobei der Dorn wenigstens eine axiale Ausdehnung entsprechend der axialen Ausdehnung des Außenringrohlings und der Hülse aufweist. Der auf dem Dorn aufgebrachte Zusammenbau aus Außenringrohling und Hülse wird schließlich von einer beispielsweise teilbaren, elektromagnetischen Spule umgeben, so dass durch einen entsprechenden Strompuls in der Spule die Hülse mit dem Außenringrohling schockverschweißt wird.
Die durch Schockverschweißen miteinander verbundene Baueinheit aus Außenringrohling und Hülse wird dann den Außenringrohling betreffenden, in an sich bekannter Weise, beispielsweise einem thermischem Härteprozess unterzogen, wird also beispielsweise martensitisch durchgehärtet. Nach dem Härten wird die Baueinheit beispielsweise durch Schleifen und/oder Honen endbearbeitet, so dass aus der Baueinheit ein Lageraußenring erzeugt wird, dessen Abmessungen den gängigen normierten bzw. standardisierten Außenabmessungen für Rillenkugellager entsprechen. Dabei ist die Schleifbarkeit der Baueinheit durch die Hülse nicht eingeschränkt, da auch die Hülse durch das Härten eine Art von Vergütung und damit eine Festigkeitssteigerung erfährt, aber natürlich schmelzverschweißbar bleibt.
Beim vorausgehend beschriebenen Endbearbeiten können natürlich in an sich bekannter Weise am Übergang von den Stirnseiten hin zum Innenmantel Aufnahmebereiche für in das Rillenkugellager integrierte Dichtungen ausgebildet werden. In anderen Ausführungsformen kann die Hülse beispielsweise als Wellenfestlagerung in Pkw-Getrieben natürlich auch mit flanschartigen radialen Auskragungen ausgebildet sein oder auch in Form eines Lagerträgers oder Lagerschildes ausgebildet sein.
Gegenüber einem vollständig aus 100Cr6 hergestellten Außenring weist der nach dem vorausgehend beschriebenen Verfahren hergestellte Außenring den besonderen Vorteil auf, dass er bei gleichen Außenabmessungen infolge seiner Herstellung aus der Hülse aus gut schmelzschweißbarem Stahl und dem Außenringrohling an seinem Außenmantelbereich gut schmelzverschweißbar ist.
Mit besonderem Vorteil kann dabei aber der bisherige Fertigungsablauf eines klassischen Laufbahnelements eines Wälzlagers nahezu unverändert beibehalten werden, was mit Vorteil vergleichsweise niedrige Investitionskosten bei einer Einführung des Verfahrens bedingt. Weiterhin sind mit dem vorgestellten Verfahren mit Vorteil auch beliebige Sonderbauformen der Wälzlager nach Kundenwunsch, beispielsweise Flanschlager möglich. Es ergibt sich somit mit Vorteil eine Designflexibilität. Gegenüber anderen Verfahren, bei denen ein vergleichbares Bauelement aus einem Einsatzstahl hergestellt, im Bereich der Abrollbahn aufgekohlt und einsatzgehärtet wird, ergibt sich bei dem vorausgehend vorgestellten Verfahren ferner der Vorteil, dass kein Abdecken beim Aufkohlen erforderlich ist und auch keine teueren Wärmebehandlungsverfahren notwendig sind.
In anderen Ausführungsformen muss es sich bei den beiden miteinander zu verbindenden Elementen nicht wie vorausgehend beispielhaft erläutert um zwei einstückig und materialeinheitlich ausgebildete Elemente handeln, sondern es ist durchaus ausreichend, dass die beiden Elemente wenigstens in einem Bereich, in dem sie miteinander schockverschweißt werden, aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sind. Dabei kann das elektrisch leitfähige Material wenigstens bei einem der Elemente als eine Art Schicht oder Beschichtung, beispielsweise aus Kupfer, auf wenigstens einem weiteren, von besagtem elektrisch leitfähigen Material unterschiedlichen Material des Elements, beispielsweise einem Wälzlagerstahl, ausgebildet sein.

Claims

Bauelement einer Wälzlagerung, umfassend folgende Merkmale: – Ein erstes Element, auf dem Wälzkörper zum Abrollen vorgesehen sind, und ein zweites Element, – die beiden Elemente sind wenigstens in einem Bereich, in dem sie miteinander verbunden sind, aus einem Stahlmaterial ausgebildet, – die beiden Elemente sind miteinander schockverschweißt, so dass die Oberflächenatome der beiden Elemente in besagtem Bereich auf Atomabstand angenähert sind und eine metallische Bindung eingehen, und – das Stahlmaterial des ersten Elements ist ein durchhärtbarer Wälzlagerstahl und weist einen derartigen Kohlenstoffanteil auf, dass es nur schlecht oder gar nicht schmelzverschweißbar ist, und das Stahlmaterial des zweiten Elements weist einen Kohlenstoffanteil für eine gute Schmelzverschweißbarkeit auf.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines der Bauelemente vollständig aus dem Stahlmaterial ausgebildet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Schockverschweißen durch eine entsprechende Kollision der beiden Elemente mit Hilfe eines Magnetimpuls- oder Explosionsverfahrens erzeugt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Stahlmaterial des ersten Elements einem Kohlenstoffanteil größer 0,6 Gew.-%, insbesondere größer 0,8 Gew.-% aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Stahlmaterial des ersten Elements 100Cr6 umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Stahlmaterial des zweiten Elements einen Kohlenstoffanteil kleiner 0,3 Gew.-%, insbesondere kleiner 0,25 Gew.-% aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite Element aus einem Blech ausgebildet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das zweite Element als ein Lagerträger oder Lagerschild ausgebildet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erste und/oder das zweite Element ring- oder hohlzylinderartig ausgebildet sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei wenigstens ein Teilbereich einer Mantelfläche eines der Elemente mit wenigstens einem Teilbereich einer Mantelfläche des anderen Elements schockverschweißt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eines der Elemente das andere wenigstens teilweise umschließend angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelements einer Wälzlagerung, beinhaltend folgende Merkmale: – Ein erstes Element, auf dem Wälzkörper zum Abrollen vorgesehen sind, und ein zweites Element, werden wenigstens in einem Bereich, in dem sie miteinander verbunden werden, aus einem Stahlmaterial ausgebildet, – das Stahlmaterial des ersten Elements ist ein durchhärtbarer Wälzlagerstahl und weist einen derartigen Kohlenstoffanteil auf, dass es nur schlecht oder gar nicht schmelzverschweißbar ist, und das Stahlmaterial des zweiten Elements weist einen Kohlstoffanteil für eine gute Schmelzverschweißbarkeit auf, und – die beiden Elemente werden miteinander schockverschweißt, so dass die Oberflächenatome der beiden Elemente in besagtem Bereich auf Atomabstand angenähert sind und eine metallische Bindung eingehen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das erste Element ein noch ungehärtetes aber härtbares Stahlmaterial umfasst und dem Schockverschweißen nachfolgend das Bauelement hinsichtlich des ersten Elements härtebehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei dem Härtebehandeln nachfolgend das Bauelement endbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Endbearbeiten ein Schleifen und/oder Honen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das erste Element einem härtbaren Wälzlagerstahl und das Härtebehandeln ein thermisches Härten umfasst.