DE102010034617A1

DE102010034617A1 - Verfahren zur Herstellung von Komponenten eines Wälzlagers

Info

Publication number: DE102010034617A1
Application number: DE201010034617
Authority: DE
Inventors: Rainer Messerschmidt; Holger Grieser
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2012-02-23

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten eines Wälzlagers offenbart Zumindest ein Umformschritt oder zumindest ein Schneidschritt bei der Herstellung erfolgt durch die Zusammenwirkung eines gepulsten elektromagnetischen Feldes mit einem strukturierenden Element. Bei den Komponenten des Wälzlagers handelt es sich um einen Wälzlagerkäfig (80) und/oder zumindest einen Lagerring. Das strukturierende Element ist als Dorn (20) oder Gesenk (30) ausgebildet. Durch den elektromagnetischen Puls wird ein zu bearbeitendes Werkstück (10) auf den Dorn (20) komprimiert oder in das Gesenk (30) expandiert. In ein und demselben Bearbeitungsschritt können beispielsweise Wälzkörpertaschen (81) aus dem Wälzlagerkäfig (80) geschnitten und Versteifungsstege am Wälzlagerkäfig (80) ausgeformt werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten eines Wälzlagers. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, in welchem ein Werkstück durch die Zusammenwirkung eines gepulsten elektromagnetischen Feldes mit wenigstens einem strukturierenden Element bearbeitet wird.
Hintergrund der Erfindung
Die Druckschrift „Die Elektromagnetische Puls Technologie im industriellen Einsatz” von Dr.-Ing. Ralph Schäfer und Dr.-Ing. Pablo Pasquale, PSTproducts GmbH, Alzenau (www.pstproducts.com) beschreibt die Grundprinzipien und verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Elektromagnetischen Puls-Technologie (EMPT), insbesondere das Umformen, das formschlüssige Fügen und das stoffschlüssige Fügen von Werkstücken. Es wird auch ein Beispiel angeführt, bei welchem eine Crashbox-Struktur aus einem Aluminiumrohr geformt und im gleichen Arbeitsgang die Anschlusslöcher ausgeschnitten werden. Die mittels EMPT durchgeführten Schnitte weisen eine hohe Schnittgüte auf. Die Schnittkanten zeigen keine Gratbildung.
Die Gebrauchsmusterschrift DE 20 2004 020 792 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung eines Deformationselements für ein Kraftfahrzeug aus einer Hohlkörperstruktur sowie ein damit hergestelltes Deformationselement. Die Sollverformungstrukturen des Deformationselementes werden dabei mittels eines elektromagnetischen Pulsverformungsverfahrens in die Hohlkörperstruktur eingeformt.
Das US-Patent 6,708,542 B1 beschreibt die Formgebung einer Metallplatte durch einen Prozess, welcher Schneidvorgänge und/oder Durchlöcherungsvorgänge umfasst. Die Platte wird durch eine kurzzeitig einwirkende hohe Kraft in eine Form gedrückt, welche Öffnungen oder Begrenzungen aufweist. Die Platte wird dabei entlang der Ränder der Öffnungen oder Begrenzungen durchtrennt. Die Kraft kann dabei eine gepulste magnetische Kraft sein oder aus einer elektrischen Entladung in einem Fluid resultieren.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 196 02 951 A1 offenbart ein Verfahren zum Formändern von Werkstücken durch das in einer Hochstromschleife erzeugte Magnetfeld eines Strom-Impulses. Dabei wird eine spezielle Pulsform angegeben, so dass Rohre und rohrförmige Werkstücke mit hoher Genauigkeit und Formtreue verformt und/oder miteinander verbunden werden können.
Nach dem Stand der Technik werden Wälzlagerkäfige häufig umformtechnisch hergestellt, und die Wälzkörpertaschen ausgestanzt oder ausgefräst. Es ist auch möglich, die Wälzkörpertaschen mit einem Laser auszuschneiden. Die Verfahren nach dem Stand der Technik weisen einige Nachteile auf: Werden die Wälzkörpertaschen gestanzt, so ist für jede Größe und Form ein eigenes Werkzeug nötig. Beim Laserschneiden und beim Fräsen ist die Bearbeitungsdauer nicht unerheblich. Ferner wird beim Laserschneiden das umgebende Material des Wälzlagerkäfigs thermisch beeinflusst, wodurch es zu einer unerwünschten Formveränderung und/oder negativen Beeinflussung der Materialeigenschaften kommen kann. Außerdem ist bei Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik oftmals eine Nachbearbeitung der Schnittkanten erforderlich, was den Zeit- und Kostenaufwand erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für die Herstellung von Komponenten eines Wälzlagers anzugeben, welches einfach und kostengünstig ist, weil die Bearbeitungsdauer kurz ist, eine Nachbearbeitung entfällt und auch keine Form- und/oder Materialveränderungen im Bereich von Schnittkanten auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, welches die Merkmale im Anspruch 1 umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Komponenten eines Wälzlagers zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Umformungsschritt eines Werkstücks und/oder mindestens ein Schneidvorgang an einem Werkstück durch die Zusammenwirkung eines gepulsten elektromagnetischen Feldes mit wenigstens einem strukturierenden Element erfolgt. Bei den erwähnten Komponenten eines Wälzlagers handelt es sich bevorzugt um einen Wälzlagerkäfig des jeweiligen Wälzlagers und/oder um wenigstens einen Lagerring des Wälzlagers. Das Werkstück ist vorzugsweise ein Halbzeug an dem in manchen Ausprägungen des Verfahrens bereits zumindest ein anderweitiger Fertigungsschritt erfolgt ist.
In einer Klasse von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Werkstück durch das gepulste elektromagnetische Feld auf das strukturierende Element komprimiert. Dabei ist das strukturierende Element als Dorn ausgebildet, auf dessen Oberfläche formgebende Strukturen vorgesehen sind, welche die Ausformung des Werkstücks bei der Kompression auf den Dorn bestimmen. In bestimmten Ausführungsformen wird hierbei das gepulste elektromagnetische Feld durch eine Spule erzeugt, welche das Werkstück und den Dorn umgibt und koaxial mit dem Dorn angeordnet ist.
In einer anderen Klasse von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das strukturierende Element ein Gesenk, in welches das Werkstück durch das gepulste elektromagnetische Feld expandiert oder eingepresst wird. Im Gesenk sind dabei formgebende Strukturen ausgebildet, durch welche die Ausformung des Werkstücks bestimmt ist. Wird das Werkstück in das Gesenk expandiert, so sind Spule, Werkstück und Gesenk im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet, wobei die Spule in Ausführungsformen der Erfindung innerhalb des Werkstücks liegt. Wird das Werkstück allgemeiner in das Gesenk eingepresst, so finden auch andere Spulenformen und Spulenanordnungen Anwendung.
Um das Werkstück nach dem Bearbeitungsschritt mittels des elektromagnetischen Pulses einfach vom strukturierenden Element entfernen zu können, ist das strukturierende Element vorteilhaft mehrteilig und zerlegbar ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkenden Lorentz-Kraft. Die auf ein Werkstück einwirkenden Kräfte hängen demnach unter anderem von der im Werkstückmaterial durch den elektromagnetischen Puls induzierten Stromstärke ab. Dies bedeutet, dass die elektrische Leitfähigkeit des Materials ein für das Verfahren entscheidender Faktor ist. Werkstücke mit nicht hinreichender elektrischer Leitfähigkeit können dennoch nach Ausprägungen des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines elektromagnetischen Pulses bearbeitet werden. Dazu wird ein Treiber verwendet. Durch den elektromagnetischen Puls entsteht eine Lorentz-Kraft auf den Treiber und der Treiber überträgt dann diese Kraft auf das zu bearbeitende Werkstück. Der Treiber besteht dabei aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit, welche hinreichend groß ist, um eine für die Bearbeitung des Werkstücks ausreichende Kraft zu erzielen.
Bevorzugte Ausprägungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Herstellung von Wälzlagerkäfigen eingesetzt. Dabei werden insbesondere die Wälzkörpertaschen durch die Zusammenwirkung des gepulsten elektromagnetischen Feldes mit dem wenigstens einen strukturierenden Element, auf welchem entsprechende Schneidmatrizen ausgebildet sind, ausgeschnitten. Das Schneiden mittels des elektromagnetischen Pulsverfahrens ist schneller, als die Wälzkörpertaschen beispielsweise mit einem Laser zu schneiden oder auszufräßen und ermöglicht so einen höheren Durchsatz in der Produktion. Ferner sind die Schnittkanten gratfrei, so dass eine Nachbearbeitung entfällt, was ebenfalls zur Verkürzung der Herstellungsdauer beiträgt. Im Gegensatz zum Laserschneiden tritt beim elektromagnetischen Pulsverfahren auch kein thermischer Verzug des Materials des Werkstücks in der Umgebung der Schnittkante auf.
In vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens werden bei der Herstellung eines Wälzlagerkäfigs mittels elektromagnetischem Pulsverfahren im selben Arbeitsgang wie das Ausschneiden der Wälzkörpertaschen auch Versteifungsstege des Wälzlagerkäfigs ausgeformt.
In bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens ein Innenring oder wenigstens ein Außenring des Wälzlagers durch die Zusammenwirkung eines elektromagnetischen Pulses mit einem strukturierenden Element hergestellt.
In Ausprägungen des Verfahrens weist ein Werkstück, aus dem wenigstens eine Komponente eines Wälzlagers hergestellt wird, eine Materialstärke größer als 10 Millimeter auf.
In bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Einwirkung des gepulsten elektromagnetischen Feldes auf ein Werkstück oder auf einen Treiber durch Feldformer beeinflusst. Durch Feldformer wird beispielsweise die auf bestimmte Bereiche des Werkstücks oder Treibers einwirkende Feldstärke gegenüber der auf andere Bereiche des Werkstücks einwirkenden Feldstärke erhöht. Auf diese Weise kann die räumliche Verteilung der auf das Werkstück oder den Treiber einwirkenden Kraft beeinflusst werden.
Nachfolgend wird die Erfindung und ihre Vorteile an Hand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1a zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Anordnung zur Kompression eines Werkstücks auf einen Dorn.
1b zeigt eine zur 1a analoge Anordnung, jedoch unter Einsatz eines Treibers.
2a zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Anordnung zur Expansion eines Werkstückes in ein Gesenk.
2b zeigt eine zur 2a analoge Anordnung, jedoch unter Einsatz eines Treibers.
3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Anordnung zur Kompression eines Werkstücks auf einen Dorn, wobei Feldformer vorgesehen sind.
4 zeigt eine Wälzkörpertasche, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeschnitten werden kann.
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Bei den Figuren handelt es sich um schematische Darstellungen, so dass insbesondere die in den Figuren erscheinenden Größenverhältnisse von Elementen zueinander nicht den tatsächlichen Größenverhältnissen der jeweiligen Elemente zu entsprechen brauchen.
1a zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung, mit welcher ein Werkstück 10 durch einen elektromagnetischen Puls auf einen Dorn 20 komprimiert werden kann. Der elektromagnetische Puls wird dabei von einer Spule 100 erzeugt. Das Werkstück 10 kann beispielsweise zylindrisch oder kegelförmig sein. In anderen Ausführungsformen sind auch andere Werkstückprofile denkbar, etwa Vierkantprofile oder weitere, einem Fachmann geläufige Profile. Der Dorn weist dabei jeweils einen passenden Querschnitt auf. In der dargestellten Ausführungsform sind Dorn 20, Werkstück 10 und Spule 100 koaxial. Am Dorn 20 sind eine Schneidmatrix 21, mit welcher bei Kompression des Werkstücks 10 eine Wälzkörpertasche aus dem Werkstück 10 geschnitten wird, sowie eine Formleiste 22, durch welche bei Kompression des Werkstücks 10 ein Versteifungssteg im Werkstück 10 ausgeformt wird, gezeigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit beschränkt sich die Darstellung auf eine Formleiste 22 und eine Schneidmatrix 21. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass je nach den Erfordernissen des Wälzlagerkäfigs, der aus dem Werkstück 10 entstehen soll, eine entsprechende Anzahl an Schneidmatrizen 21 und Formleisten 22 auf der Oberfläche des Dorns 20 vorgesehen und den Erfordernissen entsprechend angeordnet sind. Mit der gezeigten Anordnung werden in ein und demselben Arbeitsgang bei Kompression des Werkstückes 10 die Wälzkörpertaschen aus dem Werkstück 10 geschnitten und die Versteifungsstege ausgeformt.
Vorteilhaft ist der Dorn 20 mehrteilig ausgebildet, so dass er zur Erleichterung der Abnahme des Werkstücks 10 vom Dorn 20 nach der Bearbeitung zerlegt werden kann.
1b zeigt eine Anordnung, welche weitgehend der 1a entspricht, in der bereits die meisten Elemente beschrieben sind. In der Ausführungsform der 1b ist zusätzlich ein Treiber 40 vorgesehen. Der Treiber 40 wird durch einen von der Spule 100 erzeugten elektromagnetischen Puls komprimiert, und komprimiert dadurch seinerseits das Werkstück 10. Die elektrische Leitfähigkeit des Treibers 40 ist dabei hinreichend hoch, um eine für die Verformung des Werkstücks 10 ausreichende Kraft zu erzielen. Durch die Verwendung eines Treibers 40 ist es möglich, auch Werkstücke 10 zu bearbeiten, die selbst keine für die Erzielung einer zu ihrer Verformung erforderlichen Kraft hinreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wie z. b. Werkstücke 10 aus bestimmten Stählen oder auch aus Kunststoffen.
2a zeigt eine Anordnung, bei der das Werkstück 10 durch eine innenliegende Spule 100 auf ein Gesenk 30 expandiert wird. Am Gesenk sind eine Ausbuchtung 32, durch welche bei Expansion des Werkstücks 10 ein Versteifungssteg im Werkstück 10 ausgeformt wird, sowie eine Schneidmatrix 31, durch welche bei Expansion des Werkstücks 10 eine Wälzkörpertasche aus dem Werkstück 10 geschnitten wird, gezeigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit beschränkt sich die Darstellung auf eine Ausbuchtung 32 und eine Schneidmatrix 31. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass je nach den Erfordernissen des Wälzlagerkäfigs, der aus dem Werkstück 10 entstehen soll, eine entsprechende Anzahl an Schneidmatrizen 31 und Ausbuchtungen 32 am Gesenk 30 vorgesehen und den Erfordernissen entsprechend angeordnet sind. Mit der gezeigten Anordnung werden in ein und demselben Arbeitsgang bei Expansion des Werkstückes 10 die Wälzkörpertaschen aus dem Werkstück 10 geschnitten und die Versteifungsstege ausgeformt.
Vorteilhaft ist das Gesenk 30 mehrteilig ausgebildet, so dass es zur Erleichterung der Entnahme des Werkstücks 10 aus dem Gesenk 30 nach der Bearbeitung zerlegt werden kann.
2b zeigt eine Anordnung, welche weitgehend der 2a entspricht, in der bereits die meisten Elemente beschrieben sind. In der Ausführungsform der 2b ist zusätzlich ein Treiber 40 vorgesehen. Der Treiber 40 wird durch einen von der Spule 100 erzeugten elektromagnetischen Puls expandiert, und expandiert dadurch seinerseits das Werkstück 10. Ansonsten gelten hinsichtlich des Treibers 40 die zu den Ausführungen zur 1b analogen Anmerkungen.
3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Anordnung, mit welcher ein Werkstück 10 durch einen von einer Spule 100 erzeugten elektromagnetischen Puls auf einen Dorn 20 komprimiert werden kann. In der gezeigten Ausführungsform sind am Dorn 20 Formleisten 22 vorgesehen. Ebenso können in anderen Ausführungsformen stattdessen oder zusätzlich auch Schneidmatrizen vorgesehen sein. Im Inneren der Spule 100 sind in dieser Ausführungsform Feldformer 50 angeordnet. Durch die Feldformer 50 wird eine Veränderung der Feldstärke des elektromagnetischen Pulses in bestimmten Bereichen des Werkstückes 10, und damit eine Veränderung der auf die jeweiligen Bereiche des Werkstücks 10 einwirkenden Kraft, bewirkt. In der gezeigten Ausführungsform wird die Feldstärke im Bereich der Vorsprünge 51 gegenüber der Feldstärke in anderen Bereichen verstärkt. Auf diese Weise kann die Verformung des Werkstückes 10 gezielt beeinflusst werden.
4 zeigt einen Abschnitt eines Wälzlagerkäfigs 80, in welchem sich eine Wälzkörpertasche 81 befindet. Ein solcher Wälzlagerkäfig 80 kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, bei dem auch die Wälzkörpertasche 81 ausgeschnitten wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung der Wälzlagerkäfige 80 diverser Wälzlagertypen, z. B. für die Wälzlagerkäfige 80 von Kegelrollenlagern, Zylinderrollenlagern oder Pendelrollenlagern.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es ist für einen Fachmann jedoch selbstverständlich, dass konstruktive Änderungen und Abwandlungen möglich sind, ohne den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202004020792 U1 [0003]
US 6708542 B1 [0004]
DE 19602951 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Komponenten eines Wälzlagers, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Umformungsschritt eines Werkstücks (10) und/oder mindestens ein Schneidvorgang eines Werkstücks (10) durch die Zusammenwirkung eines gepulsten elektromagnetischen Feldes mit wenigstens einem strukturierenden Element erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das strukturierende Element ein Dorn (20) ist, auf den das Werkstück (10) durch das gepulste elektromagnetische Feld komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das strukturierende Element ein Gesenk (30) ist, in welches das Werkstück (10) durch das gepulste elektromagnetische Feld expandiert oder eingepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das strukturierende Element mehrteilig und zerlegbar ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Treiber (40) eingesetzt wird, der das Werkstück (10) komprimiert oder expandiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wälzlagerkäfig (80) hergestellt wird und Wälzkörpertaschen (81) durch die Zusammenwirkung des gepulsten elektromagnetischen Feldes mit dem wenigstens einen strukturierenden Element, auf welchem entsprechende Schneidmatrizen (21, 31) ausgebildet sind, ausgeschnitten werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei am Wälzlagerkäfig (80) im selben Arbeitsgang wie das Ausschneiden der Wälzkörpertaschen auch Versteifungsstege ausgeformt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Innenring oder wenigstens ein Außenring des Wälzlagers hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komponenten des Wälzlagers aus Werkstücken (10) mit einer Materialstärke größer als 10 Millimeter hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einwirkung des gepulsten elektromagnetischen Feldes auf ein Werkstück (10) durch wenigstens einen Feldformer (50) beeinflusst wird.