DE102010014960A1

DE102010014960A1 - Rolling elements, in particular in machine tool spindles and method for its production

Info

Publication number: DE102010014960A1
Application number: DE201010014960
Authority: DE
Inventors: Oswald Bayer; Dr. Beer Oskar
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2011-10-20
Also published as: WO2011128174A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager und ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers insbesondere für Werkzeugmaschinenspindeln mit zumindest zwei Laufringen mit jeweils einer Lauffläche, auf der über den Umfang angeordnete Wälzkörper abwälzen, und einem Kernbereich zur Aufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel in einem Maschinengehäuse. Um das Verschleißverhalten, die Maßstabilität und Festigkeit in der Anwendung und während des Herstellungsprozesses derartiger Wälzlager weiter zu erhöhen, werden beide Laufringe vollständig aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl hergestellt.The invention relates to a rolling bearing and a method for producing a rolling bearing, in particular for machine tool spindles, with at least two races, each with a running surface on which rolling elements arranged around the circumference roll, and a core area for receiving a machine tool spindle in a machine housing. In order to further increase the wear behavior, the dimensional stability and strength in the application and during the production process of such roller bearings, both races are made entirely of powder-metallurgy high-speed steel.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager und ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers insbesondere für Werkzeugmaschinenspindeln mit zumindest zwei Laufringen mit jeweils einer Lauffläche, auf der über den Umfang angeordnete Wälzkörper abwälzen, und einem Kernbereich zur Aufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel in einem Maschinengehäuse.The invention relates to a rolling bearing and a method for producing a rolling bearing, in particular for machine tool spindles with at least two races each having a tread roll on the arranged over the circumference rolling elements, and a core region for receiving a machine tool spindle in a machine housing.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Wälzlager für Werkzeugmaschinenspindeln haben bezüglich ihres Verschleißverhaltens und ihrer Festigkeit hohe Anforderungen zu erfüllen. Üblicherweise werden – wie beispielsweise aus der DE 103 48 608 A1 bekannt – Wälzlagerstähle wie 100Cr6 verwendet. Diese können beispielsweise zur Erhöhung von deren Festigkeit besonders wärmebehandelt, beispielsweise karbonitriert sein.Rolling bearings for machine tool spindles have to meet high demands with regard to their wear behavior and their strength. Usually - as for example from the DE 103 48 608 A1 known - bearing steel such as 100Cr6 used. These can be particularly heat treated, for example, to increase their strength, for example carbonitrided.

Im Weiteren werden durch die Verwendung von martensitischen Kaltarbeitsstählen, beispielsweise hochnitrierte Lagerstähle (HNS), beispielsweise CRONIDUR^® 30 höhere Beständigkeiten gegen Verschleiß und Materialermüdung erzielt.In addition, for example, highly nitrated bearing steels, for example, CRONIDUR ^® 30 achieved higher resistance against wear and material fatigue (HNS), by the use of martensitic cold work steels.

Um die vergleichsweise niedrige Belastungsgrenze gegenüber dauernden Verformungen infolge einer niedrigen Härte im Bereich einer Härte nach Rockwell (HRC) kleiner 60 zu verbessern, werden in der DE 10 2005 022 730 A1 für Anwendungen in einer Flugzeugturbine Lagerringe vorgeschlagen, die einen Kernbereich aus vergleichsweise weichem Standardstahl und einen die Lauffläche eines Laufrings bildenden Werkstoff aus pulvermetallurgisch hergestelltem Werkstoff aufweisen. Infolge der notwendigen Abstimmung der beiden Werkstoffe aufeinander in einem gemeinsamen Wärmebehandlungsverfahren sind die Eigenschaften für die im Betrieb hoch beanspruchte Laufringe für eine Anwendung in Werkzeugmaschinenspindeln nicht optimal.In order to improve the comparatively low load limit against permanent deformations due to a low hardness in the range of a hardness according to Rockwell (HRC) smaller than 60, in the DE 10 2005 022 730 A1 For applications in an aircraft turbine bearing rings proposed that have a core region of relatively soft standard steel and a running surface of a race-forming material made of powder metallurgy material. Due to the necessary coordination of the two materials on each other in a common heat treatment process, the properties for the highly stressed in operation races for use in machine tool spindles are not optimal.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist daher die vorteilhafte Weiterbildung eines Wälzlagers mit insbesondere gegen bleibende Verformung besonders resistenten Laufringen.The object of the invention is therefore the advantageous development of a rolling bearing with in particular against permanent deformation particularly resistant races.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers insbesondere für Werkzeugmaschinenspindeln mit zumindest zwei Laufringen mit jeweils einer Lauffläche, auf der über den Umfang angeordnete Wälzkörper abwälzen, und einem Kernbereich zur Aufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel in einem Maschinengehäuse gelöst, wobei beide Laufringe vollständig aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl hergestellt werden.The object is achieved by a method for producing a rolling bearing, in particular for machine tool spindles with at least two races, each with a running surface, roll on the arranged over the circumference rolling elements, and a core portion for receiving a machine tool spindle in a machine housing, both races completely made of powder metallurgy High speed steel are produced.

Durch die Verwendung von ursprünglich für die spanende Fertigung vorgesehenem Schnellarbeitsstahl (HSS) in Laufringen von Wälzlagern wird eine hohe Härte, Verschleißbeständigkeit und Warmfestigkeit erzielt. Eine mögliche Versprödung durch den hohen Kohlenstoffgehalt derartiger Schnellarbeitsstähle, die sich in Laufringen von Wälzlagern negativ auswirken kann, wird durch die Herstellungsmethode der Laufringe in Form einer pulvermetallurgischen Herstellung wesentlich verringert. Beispielsweise wird bei derartigen Verfahren der Schnellarbeitsstahl verdüst und daraus entstehende Partikel unter Druck und Temperatur verdichtet. Hieraus entsteht trotz hohem Kohlenstoffgehalt ein sehr feines isotropes Gefüge, das in Verbindung mit der hohen Reinheit des Schnellarbeitsstahls eine hohe Materialermüdungsfestigkeit ermöglicht. Auf diese Weise wird an den Laufbahnen eine derartige Materialermüdungsfestigkeit erzielt, dass bei Überrollung selbst mit vergleichsweise harten Wälzkörpern beispielsweise aus Keramik gearbeitet werden kann, ohne die Lebensdauer der Wälzlager zu verringern. Durch das isotrope Gefüge entstehen Werkstücke ohne wesentliche Vorzugsrichtung, so dass die daraus hergestellten Laufringe während einer gegebenenfalls stattfindenden Wärmebehandlung und einer spanenden Endbearbeitung störende Verzüge gering gehalten und dadurch die Fertigungskosten durch hohe Genauigkeit der Fertigungsschritte und einen verringerten Endbearbeitungsaufwand gesenkt werden können.The use of high-speed steel (HSS) in rolling bearing bearings, originally intended for machining, results in high hardness, wear resistance and heat resistance. A possible embrittlement due to the high carbon content of such high-speed steels, which can have a negative effect on roller bearings of rolling bearings, is significantly reduced by the manufacturing method of the races in the form of powder metallurgy production. For example, in such processes the high-speed steel is sprayed and particles resulting therefrom are compressed under pressure and temperature. This results in a very fine isotropic microstructure despite the high carbon content, which, in combination with the high purity of the high-speed steel, enables high fatigue resistance. In this way, such a material fatigue strength is achieved on the raceways, that can be worked on overrolling even with comparatively hard rolling elements, for example of ceramic, without reducing the life of the bearings. The isotropic structure results in workpieces without any significant preferred direction, so that the races made therefrom during a possibly occurring heat treatment and a machining finish disturbing delays kept low and thereby the manufacturing costs can be reduced by high accuracy of the manufacturing steps and a reduced finishing costs.

Zusätzlich wird durch die Verwendung eines Schnellarbeitsstahls in Verbindung mit einer pulvermetallurgischen Herstellung die Härte der Laufringe gesteigert, so dass Wälzlager mit Härten nach Rockwell größer 65 HRC erzielt werden können. Durch die Einstellung derartiger Härten nähern sich die Härten zwischen den Laufringen und den vorzugsweise aus Keramikmaterial hergestellten Wälzkörper an. Selbst bei hohen Drehzahlen und damit insbesondere bei Mischreibung entstehenden hohen Temperaturen am Wälzkontakt zwischen Laufbahnen der Laufringe und den Wälzkörpern bleiben die Laufringe wegen der hohen Warmhärte des verwendeten Materials aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl verschleißfest.In addition, the use of high-speed steel in conjunction with powder metallurgy production increases the hardness of the races so that rolling bearings with Rockwell hardness greater than 65 HRC can be achieved. By setting such hardness, the hardness approaches between the races and the rolling elements preferably made of ceramic material. Even at high speeds and thus especially at mixed friction resulting high temperatures at the rolling contact between raceways of the races and the rolling elements remain the races because of the high thermal hardness of the material used from powder metallurgy produced high speed steel wear resistant.

Weiterhin ist die hohe Härte des vorgeschlagenen Materials mit einem gesteigerten Elastizitätsmodul verbunden, so dass die Steifigkeit des Wälzkontakts und damit des Wälzlagers verbunden, so dass das Wälzlager selbst unter hoher Belastung die Werkzeugspindel gegenüber dem Maschinengehäuse exakt führt und damit eine hochpräzise Fertigung mit der Werkzeugmaschine ermöglicht.Furthermore, the high hardness of the proposed material is associated with an increased modulus of elasticity, so that the rigidity of the rolling contact and thus of the rolling bearing connected, so that the rolling bearing, even under high load, the tool spindle against the Precise machine housing leads and thus enables high-precision production with the machine tool.

Durch eine für die Schnellarbeitsstähle vorteilhafterweise vorgesehene Wärmebehandlung wird ein niedriger Austenitgehalt erzielt, der zu einer hohen Maßhaltigkeit während der Herstellung und des Betriebs des Wälzlagers führen kann.By a heat treatment advantageously provided for the high-speed steels, a low austenite content is achieved, which can lead to a high dimensional stability during the production and operation of the roller bearing.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel können in dem Verfahren Rohformen der Laufringe mittels der pulvermetallurgischen Herstellung in Form einer endkonturnahen Fertigungskontur gebildet werden. Hierzu kann ein sogenanntes „NearNetshape”-Verfahren eingesetzt werden. Anschließend können die endkonturnahen Fertigungskonturen der Laufringe einem Wärmebehandlungsverfahren unterzogen und eine Endform der Lagerringe spanend erzeugt werden.According to an advantageous embodiment, raw shapes of the races can be formed in the process by means of powder metallurgy production in the form of a near-net shape production contour. For this purpose, a so-called "near net shapes" method can be used. Subsequently, the near-net shape manufacturing contours of the races can be subjected to a heat treatment process and a final shape of the bearing rings produced by machining.

Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Wälzlager insbesondere für Werkzeugmaschinenspindeln mit zumindest zwei Laufringen mit jeweils einer Lauffläche, auf der über den Umfang angeordnete Wälzkörper abwälzen, und einem Kernbereich zur Aufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel in einem Maschinengehäuse gelöst, wobei beide Laufringe vollständig aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl hergestellt sind. Ein derartiges Wälzlager zeichnet sich insbesondere durch Laufringe aus, die infolge der pulvermetallurgischen Herstellung einen Restaustenitgehalt kleiner 3 Prozent aufweisen.The object is also achieved by a rolling bearing, in particular for machine tool spindles with at least two races, each with a running surface, roll on the circumferentially arranged rolling elements, and a core portion for receiving a machine tool spindle in a machine housing, both races are made entirely of powder metallurgy produced high speed steel , Such a rolling bearing is characterized in particular by races, which have a Restaustenitgehalt less than 3 percent due to the powder metallurgy production.

Weiterhin kann durch das beschriebene Verfahren ein hoher Karbidgehalt erzielt werden, wobei ein Durchmesser von in dem Schnellarbeitsstahl enthaltenen Karbiden kleiner 10 Mikrometern ist, so dass eine Versprödung von Lagerringen trotz des hohen Karbidgehalts vermieden werden kann. Die Laufringe eines Wälzlagers zeichnen sich weiterhin durch eine Härte größer gleich 65 HRC aus. Der Elastizitätsmodul der Laufringe kann auf größer 210 000 MPa eingestellt werden.Furthermore, a high carbide content can be achieved by the described method, wherein a diameter of carbides contained in the high-speed steel is less than 10 microns, so that embrittlement of bearing rings can be avoided despite the high carbide content. The races of a rolling bearing are characterized by a hardness greater than or equal to 65 HRC. The elastic modulus of the races can be set to greater than 210,000 MPa.

Es versteht sich, dass in weiteren Ausführungsbeispielen neben Wälzlagern mit Laufringen aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl und aus keramischem Material gebildeten Wälzkörpern auch Wälzlager mit Wälzkörpern aus anderen Materialien insbesondere aus dem Material der Laufringe vorteilhaft sein können. Im Weiteren können die vorgeschlagenen Wälzlager der Form üblicher, bekannter Wälzlager entsprechen und gegebenenfalls bezüglich ihren Abmessungen kompatibel zu diesen eingesetzt werden. In alternativen Ausführungsformen können entsprechende Wälzlager durch ihre verbesserten Eigenschaften mit geringeren Abmessungen gegenüber Wälzlagern, deren Laufringe aus üblichen Materialien wie 100Cr6 und Cronidur^® 30 gefertigt sind, ausgeführt werden.It is understood that in other embodiments, in addition to rolling bearings with races made of powder metallurgy produced high-speed steel and rolling elements formed of ceramic material and rolling bearings with rolling elements of other materials, in particular from the material of the races can be advantageous. Furthermore, the proposed rolling bearings may correspond to the shape of conventional rolling bearings known and may be used with respect to their dimensions compatible with these. In alternative embodiments, respective bearings can be carried out by their improved properties with smaller dimensions compared with roller bearings whose races are made of conventional materials such as 100Cr6 and Cronidur ^® 30.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird anhand der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is based on the in the 1 and 2 shown embodiments explained in more detail. Showing:

1 eine Aufnahme des Materialgefüges eines herkömmlichen Lagerwerkstoffs nach einem Polieren und Anätzen der Materialoberfläche mittels eines Lichtmikroskops
und 1 a recording of the material structure of a conventional bearing material after polishing and etching the material surface by means of a light microscope
and

2 eine Aufnahme des Materialgefüges des erfindungsgemäßen Werkstoffs nach derselben Methode. 2 a recording of the material structure of the material according to the invention by the same method.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

1 zeigt eine mittels eines Lichtmikroskops aufgenommene Aufnahme einer angeschliffenen und anschließend beispielsweise mittels verdünnter Salpetersäure angeätzten Oberfläche eines Prüfstücks aus Standardmaterial – hier dem wärmebehandelten Wälzlagerstahl M50. Wie aus dem Abbildungsmaßstab und der Vergleichslänge von 20 μm hervorgeht, sind die hell dargestellten Karbidpartikel lateral und daher im Prüfstück auch über das Volumen ungleichmäßig angeordnet und haben eine Erstreckung bis zu 25 μm. Durch die Herstellung des Materials mit mehreren Kalt- oder Warmwalzschritten erhält das Material eine Vorzugsrichtung mit unterschiedlich dicht verteilten Karbidpartikeln. Dadurch sind die Eigenschaften im mikroskopischen Bereich inhomogen. Diese mikroskopischen Eigenschaften wirken sich makroskopisch durch geringere Härten, verschlechterte Elastizitätsmodule und erhöhten Verschleiß aus. 1 shows a recorded by means of a light microscope recording of a ground and then etched, for example, by means of dilute nitric acid surface of a test piece of standard material - here the heat treated bearing steel M50. As can be seen from the image scale and the comparison length of 20 microns, the bright carbide particles are laterally and therefore arranged unevenly in the test piece over the volume and have an extension of up to 25 microns. By producing the material with several cold or hot rolling steps, the material is given a preferential direction with differently densely distributed carbide particles. As a result, the properties are inhomogeneous at the microscopic level. These microscopic properties are macroscopically affected by lower hardness, decreased elastic modulus, and increased wear.

2 zeigt eine entsprechende Aufnahme des Materialgefüges des erfindungsgemäßen Materials aus mittels eines pulvermetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstahls mittels eines Lichtmikroskops nach entsprechender Behandlung der 1 bei gleicher Vergrößerung. Es wird deutlich, dass die Partikelgröße der hell dargestellten Karbidpartikel im Bereich zwischen 5–6 μm liegt und dass diese gleichmäßig über das Volumen des Prüfstücks verteilt sind. Im Weiteren sind diese im Wesentlichen kugelförmig und weisen einen nahezu einheitlichen Durchmesser auf. Diese feine und homogene Gefüge bewirkt eine gegenüber schmelzmetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstählen höhere statische und dynamische Festigkeit und ein isotropes Materialverhalten. 2 shows a corresponding recording of the material structure of the material of the invention by means of a powder metallurgically produced high-speed steel by means of a light microscope after appropriate treatment of 1 at the same magnification. It can be seen that the particle size of the brightly colored carbide particles is in the range between 5-6 μm and that they are evenly distributed over the volume of the test piece. Furthermore, these are substantially spherical and have a nearly uniform diameter. This fine and homogeneous microstructure produces a higher static and dynamic strength and an isotropic material behavior compared to high-speed steels produced by melt metallurgy.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10348608 A1 [0002]
DE 102005022730 A1 [0004]

Claims

A method for producing a rolling bearing, in particular for machine tool spindles with at least two races, each with a tread roll on the arranged over the circumference rolling elements, and a core portion for receiving a machine tool spindle in a machine housing, characterized in that both races made entirely of powder metallurgy produced high-speed steel become.

A method according to claim 1, characterized in that raw shapes of the races are formed by means of the powder metallurgical production in the form of a near net shape production contour.

A method according to claim 2, characterized in that the near-net shape production contour is subjected to a heat treatment process.

A method according to claim 3, characterized in that a final shape of the bearing rings is produced by machining.

Rolling bearings in particular for machine tool spindles with at least two races, each with a tread roll on the arranged over the circumference rolling elements, and a core portion for receiving a machine tool spindle in a machine housing according to one of claims 1 to 4, characterized in that both races completely made of powder metallurgy High speed steel are made.

Rolling bearing according to claim 5, characterized in that the races have a retained austenite content of less than 3 percent.

Rolling bearing according to one of claims 5 or 6, characterized in that a diameter of carbides contained in the high-speed steel is less than 10 micrometers.

Rolling bearing according to one of claims 5 to 7, characterized in that the races have a hardness greater than or equal to 65 HRC.

Rolling bearing according to one of claims 5 to 8, characterized in that the elastic modulus of the races is greater than 210 000 MPa.