DE102010038938B4

DE102010038938B4 - Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings oder eines Wälzkörpers eines Wälzlagers

Info

Publication number: DE102010038938B4
Application number: DE201010038938
Authority: DE
Inventors: Josef Stork; Tristan Kaiser; Bernd Eich
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: DE102010038938A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings oder eines Wälzkörpers eines Wälzlagers. Um insbesondere für einfachere Anwendungen ein kostengünstiges Wälzlager zur Verfügung zu stellen, sieht das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte vor: a) Drehen des Lagerrings und/oder des Wälzkörpers aus einem Stahlgrundkörper, wobei der Lagerring mindestens eine Laufbahn für den Wälzkörper aufweist und wobei der Wälzkörper eine Lauffläche aufweist; b) nach dem Drehen des Lagerrings und/oder des Wälzkörpers: Härten des gedrehten Lagerrings und/oder des Wälzkörpers zumindest im Bereich der Laufbahn oder im Bereich der Lauffläche; c) Nach dem Härten des Lagerrings und/oder des Wälzkörpers: Fertigbearbeiten zumindest der Laufbahn des Lagerrings und/oder der Lauffläche des Wälzkörpers durch einen Strahlprozess und/oder durch einen Gleitschleifprozess, wobei die genannten Prozesse den letzten mechanischen Bearbeitungsschritt der Lagerringherstellung oder der Wälzkörperherstellung bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings oder eines Wälzkörpers eines Wälzlagers.
Die klassische Vorgehensweise bei der Herstellung eines Lagerrings ist die, wonach zunächst aus einem ringförmigen Stahlgrundkörper die Grobkontur des Lagerrings gedreht wird; das Profil der Laufbahn des Lagerrings, in der später die Wälzkörper abrollen, wird entsprechend gedreht. Anschließend erfolgt das Härten des Lagerrings. Aufgrund des Härtens entstehen in der Regel Härteverzüge, was es erforderlich macht, im Anschluss an das Härten die Lagerringe und insbesondere deren Laufbahn zu schleifen. Hierdurch wird nicht nur die exakte Geometrie der Laufbahn hergestellt; auch die Oberflächenqualität wird hierdurch auf ein hohes Niveau gebracht.
Ein solches Verfahren offenbart beispielsweise die DE 102 09 264 B4 . Ähnliche Lösungen werden in der DE 102 16 492 B4 , in der DE 697 19 046 T2 , in der DE 2 058 432 A1 und in der DE 10 2005 060 113 A1 offenbart.
In einigen der genannten Schriften wird auch auf den Einsatz des Gleitschleifens als zusätzliche Fertigungsoperation abgestellt. Stets ist allerdings ein spanendes Feinbearbeitungsverfahren (Schleifen oder Honen) vorgesehen, um die härteverzogene Laufbahn des Lagerrings auf die präzise Form zu bringen.
Analog wird bei der Herstellung von Wälzkörpern von Wälzlagern vorgegangen.
Der größte Kostenfaktor bei der Herstellung von Wälzlagerringen und Wälzkörpern in der erläuterten Art ist dabei die Schleifbearbeitung. Diese kann zwischen 50% und 80% der Fertigungskosten ausmachen. Allerdings wird das abschließende Schleifen für unentbehrlich gehalten, um sowohl eine ausreichende Oberflächenqualität als auch eine enge Toleranz für die Laufbahn zu erzielen. Das Schleifen wird freilich auch für erforderlich gehalten, um die Härteverzüge zu eliminieren.
Nachteilig ist, wie dargelegt, der relativ hohe Kostenanteil, der auf das Schleifen des Lagerrings und insbesondere dessen Laufbahn bzw. auf die Lauffläche der Wälzkörper entfällt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem Lagerringe für Wälzlager und Wälzkörper in kostengünstigerer Weise als bislang hergestellt werden können. Die Wälzlager sollen insbesondere für einfachere Anwendungen optimal einsetzbar sein, bei denen die Anforderungen an die Qualität der Laufpräzision nicht übermäßig hoch sind. Die Fertigungsmethode soll sich auch insbesondere für kleinere Losgrößen eignen, d. h. wenn keine allzu große Stückzahl der fraglichen Lager benötigt wird. Der Lagerring bzw. der Wälzkörper soll allerdings dennoch eine hinreichende Oberflächenqualität und eine ausreichende Formgenauigkeit aufweisen.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet:

a) Drehen des Lagerrings und/oder des Wälzkörpers aus einem Stahlgrundkörper, wobei der Lagerring mindestens eine Laufbahn für den Wälzkörper aufweist und wobei der Wälzkörper eine Lauffläche aufweist;
b) nach dem Drehen des Lagerrings und/oder des Wälzkörpers: Härten des gedrehten Lagerrings und/oder des Wälzkörpers zumindest im Bereich der Laufbahn oder im Bereich der Lauffläche;
c) Nach dem Härten des Lagerrings und/oder des Wälzkörpers: Fertigbearbeiten zumindest der Laufbahn des Lagerrings und/oder der Lauffläche des Wälzkörpers durch einen Strahlprozess und/oder durch einen Gleitschleifprozess, wobei die genannten Prozesse den letzten mechanischen Bearbeitungsschritt der Lagerringherstellung oder der Wälzkörperherstellung bilden,

Bei der Durchführung des Schritts c) sind bevorzugt zunächst ein Strahlprozess und dann ein Gleitschleifprozess vorgesehen.
Bei dem Strahlprozess können Abrasivpartikel mit einem Luftdruck von maximal 12 bar, vorzugsweise von maximal 8 bar, auf die zu strahlende Oberfläche aufgebracht werden. Hierdurch erfolgt ein relativ sanftes Strahlen. Beim Strahlprozess werden ferner bevorzugt Abrasivpartikel in Form von Korund verwendet. Die Abrasivpartikel haben mit Vorteil einen mittleren Durchmesser zwischen 15 μm und 60 μm, insbesondere zwischen 25 μm und 45 μm. Der Strahlprozess wird vorzugsweise für eine Zeitdauer zwischen 10 und 180 Sekunden durchgeführt.
Das Gleitschleifen erfolgt bevorzugt mittels Keramikschleifkörpern, wobei die Abmessungen der Keramikschleifkörper bevorzugt im Bereich zwischen 1 mm und 10 mm liegt und wobei das Gleitschleifen bevorzugt unter Verwendung eines Polier-Compounds erfolgt.
Besonders bevorzugt kommt ein härteverzugsarmer Stahl für den Lagerring und/oder für den Wälzkörper zum Einsatz. Der härteverzugsarme Stahl ist insbesondere ein durchhärtender korrosionsarmer Stahl, besonders bevorzugt ein Stahltyp gemäß der Stahl-Nummer 1.4108.
Das Härten des Stahls gemäß obigem Schritt b) erfolgt bevorzugt im Vakuum.
Wesentlich ist, dass nach dem Härten des Lagerrings kein Schleifen mit einer Schleifscheibe erfolgt, sondern dass der sich anschließende und gleichzeitig abschließende mechanische Bearbeitungsvorgang ausschließlich durch das Strahlen und/oder durch das Gleitschleifen erfolgt. Die Kombination von zunächst Strahlen und anschließendem Gleitschleifen hat sich dabei besonders bewährt.
Die erwähnten Parameter des Strahlens bedingen ein relativ sanftes Bearbeiten, an das sich das Gleitschleifen anschließt.
Insbesondere die Wälzkontaktfläche des Lagerrings, d. h. die Laufbahn für den Wälzkörper, wird in einem ersten Teil des Prozesses also sanft gestrahlt. Dabei wird das Strahlen in einer Strahlkabine mit Druckluft mit einem Druck von wenigen bar durchgeführt. Als Strahlmaterial kommt bevorzugt Korund zum Einsatz, umfassend kantige Partikel mit einem Durchmesser zwischen in etwa 25 und 45 μm. Das Strahlen erfolgt für eine Zeitdauer von einigen Sekunden bis wenigen Minuten, wobei dabei der Wälzlagerring bzw. der Wälzkörper in Rotation versetzt werden kann.
Nach dem ersten Teil des Prozesses wird der Wälzlagerring im zweiten Teil des Prozesses dann für beispielsweise mehrere Stunden gleitgeschliffen, wobei das Gleitschleifen mittels Keramikschleifkörpern mit Abmessungen im Bereich von wenigen bis einigen Millimeter und einem typischen Polier-Compound durchgeführt wird. Bei dem Gleitschleifen handelt es sich um ein rein mechanisches Abtragen.
Sehr vorteilhaft ist dabei die Kombination von sanftem Strahlen mit sich daran anschließendem Gleitschleifen insbesondere zur Bearbeitung von Wälzkontaktflächen. Eine Besonderheit dieser Vorgehensweise besteht darin, dass das sanfte Strahlen so gesteuert werden kann, dass eine isotrope Oberfläche der behandelten und gedrehten Oberfläche erzeugt werden kann, d. h. dass die durch das Drehen erzeugte Anisotropie jedenfalls teilweise beseitigt werden kann. Dadurch wird es möglich, durch das dem sanften Strahlen folgende Gleitschleifen Rauheitswerte zu erreichen, die kleiner sind als diejenigen, die durch Schleifen plus Honen erreichbar sind. Der Vorteil der isotropen Oberflächen ist dabei darin zu sehen, dass die anstelle der Drehriefen erzeugte Oberflächentopographie Schmiermittel im Wälzkontakt besser festhalten kann und damit die Schmierung verbessert.
Mit der vorgeschlagenen Vorgehensweise lässt sich in vorteilhafter Weise eine hinreichende Oberflächenqualität erreichen, ohne dass die Bearbeitung die hohen Kosten verursachen würde, wie es beim Schleifen mit einer Schleifscheibe der Fall wäre.
Die Verbesserungen des Drehens, die in den letzten Jahren erreicht wurde, machen sich in diesem Zusammenhang sehr positiv bemerkbar. Metallische Werkstücke können mittlerweise mit einer solchen Präzision gedreht werden, dass der erläuterte Prozess eine ausreichende Qualität eines Lagerrings zur Verfügung stellt. Dies gilt jedenfalls dann, wenn Standardgenauigkeiten („Katalogqualitäten”) ausreichen.
Weiterhin macht die Erfindung von dem Umstand Gebrauch, dass mittlerweile moderne Stähle sowie fortschrittliche Härteverfahren verfügbar sind, mit denen es möglich ist, nur noch geringe Härteverzüge oder sogar gar keine Härteverzüge mehr hinnehmen zu müssen.
Hierbei ist insbesondere an den Einsatz härteverzugsarmer Stähle wie z. B. an einen durchhärtenden korrosionsarmen Stahl (vakuumgehärtet), besonders bevorzugt vom Stahltyp gemäß der Stahl-Nummer 1.4108, gedacht. Die Stähle werden auf die für die Wälzlagerringe erforderlichen Maßtoleranzen gedreht, anschließend verzugsarm gehärtet und dann mit kombiniertem Strahlen und Gleitschleifen zur Erzielung einer ausreichenden Oberflächenqualität bearbeitet.
Die vorgeschlagene Verfahrensweise erlaubt eine wesentliche Verminderung der Herstellkosten eines Lagerrings insbesondere bei geringen Stückzahlen, wobei eine Halbierung der Kosten im Vergleich mit der herkömmlichen Herstellung erreichbar ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 einen Stahlgrundkörper eines Lagerrings (im Radialschnitt) während des Drehens,
2 den gedrehten Lagerring während des Härtens,
3 den gehärteten Lagerring während des Strahlens,
4 den gestrahlten Lagerring während des Gleitschleifens und
5 den fertigen Lagerring.
In 1 ist im Radialschnitt ein ringförmiger Stahlgrundkörper 2 zu sehen, aus dem ein Lagerinnenring gefertigt werden soll. Dargestellt ist ein Drehstahl 6, mit dem der ringförmige Stahlgrundkörper 2 spanend bearbeitet wird.
Nach dem Drehen hat der Lagerring 2 die in den weiteren 2 bis 5 skizzierte Kontur (dargestellt ist jeweils der Radialschnitt des Lagerrings). Hiernach weist der Lagerring 2 eine Laufbahn 3 auf, in der beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Lagerrings ein nicht dargestellter Wälzkörper (Kugel) abrollen kann.
In 2 ist angedeutet, dass der Lagerring 2 einer Erhitzung ausgesetzt ist, an die sich ein Abkühlen anschließt. Demgemäß schließt sich an das Drehen gemäß 1 ein Härten an.
Ist dies vollzogen, wird – gemäß 3 – der Lagerring 2 und insbesondere die Laufbahn 3 einem Strahlprozess unterzogen. Hierbei werden Abrasivpartikel 4 unter Verwendung eines Luft-Trägerstahls mit einem Druck p auf die Oberfläche der Laufbahn 3 geschossen. Dies erfolgt allerdings mit einem relativ geringen Druck p mittels einer Strahldüse 7, wobei der Druck p nur wenige bar beträgt.
Im Anschluss an das Strahlen erfolgt ein Gleitschleifen des Lagerings 2, was in 4 illustriert ist. Beim Gleitschleifen werden Keramikschleifkörper 5 eingesetzt, die Bestandteil eines Polier-Compounds sind.
Der fertige Lagerring 1 ist in 5 skizziert.
Analog kann bei der Fertigung eines Wälzkörpers eines Wälzlagers vorgegangen werden.
Das Härten des Lagerrings 1 erfolgt durch Vakuumhärten. Hierunter versteht man die Erwärmung des Lagerrings in einem dichten Kessel, wobei durch Abpumpen der Luft ein Vakuum von bis zu 10^–3 mbar erzeugt wird. Anschließend wird die zu härtende Charge bis auf Härtetemperatur erwärmt. Das Abschrecken der Teile kann durch Einblasen von gasförmigem Stickstoff bis zu einem Druck von 6 bar erfolgen. Bei höheren Temperaturen, wie sie im Vakuumofen zumeist gefahren werden (üblicher Temperaturbereich beim Härten: 850 bis 1.200°C) bietet das Vakuum einen guten Schutz vor Verzunderung bzw. Oxidation.
Das Härten im Vakuum ist besonders für stark verzugsempfindliche Präzisionsbauteile geeignet. Als Abschreckmedium wird zumeist Stickstoff eingesetzt. Durch Veränderung des Abschreckdrucks (bis 6 bar) und der Richtung des Kühlgasstroms kann für jedes Werkstück der optimale Härteprozess eingestellt werden.
Als Stahl für den Lagerring 1 wird beispielsweise Stahl des Typs N360 aus dem Hause Böhler eingesetzt.
Ferner ist ein Stahl bevorzugt, wie er unter der Nummer 1.4108 vertrieben wird. Es handelt sich dabei bevorzugt um einen korrosionsbeständigen martensitischen Stahl, der im Vergleich zu konventionell hergestellten Cr- oder CrMo-Stählen verbesserte Korrosions- und Zähigkeitseigenschaften bei hoher Härte bzw. Druckfestigkeit aufweist.
Zum verwendeten Stahl sei noch folgendes bemerkt: Es existiert eine Vielzahl von Kombinationen aus Stahlsorte und Härteverfahren, die die vorliegenden Anforderungen erfüllen und härteverzugarm sind. Ein Beispiel ist der genannte Stahl mit der Bezeichnung 1.4108, wobei dieser vakuumgehärtet wird.
Des Weiteren können die hier benötigten Anforderungen auch bei Verwendung von durchhärtenden Stählen, wie z. B. 100Cr6, und durch geeignete Gasfeldabschreckung erfüllt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung nitrierbarer Stähle, wie zum Beispiel von Stahl des Typs 1.3563 mit Nitrierhärtung.
Demgemäß ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Kombination von Stahltyp und Härteverfahren relevant, so dass die auftretenden Härteverzüge im Bereich der Genauigkeit von Normlagern bleiben.
Bezugszeichenliste

1: Lagerring
2: Stahlgrundkörper
3: Laufbahn
4: Abrasivpartikel
5: Keramikschleifkörper
6: Drehstahl
7: Strahldüse
p: Luftdruck

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings (1) oder eines Wälzkörpers eines Wälzlagers, das die Schritte aufweist: a) Drehen des Lagerrings (1) und/oder des Wälzkörpers aus einem Stahlgrundkörper (2), wobei der Lagerring (1) mindestens eine Laufbahn (3) für den Wälzkörper aufweist und wobei der Wälzkörper eine Lauffläche aufweist; b) nach dem Drehen des Lagerrings (1) und/oder des Wälzkörpers: Härten des gedrehten Lagerrings und/oder des Wälzkörpers zumindest im Bereich der Laufbahn (3) oder im Bereich der Lauffläche; c) Nach dem Härten des Lagerrings (1) und/oder des Wälzkörpers: Fertigbearbeiten zumindest der Laufbahn (3) des Lagerrings (1) und/oder der Lauffläche des Wälzkörpers durch einen Strahlprozess und/oder durch einen Gleitschleifprozess, wobei die genannten Prozesse den letzten mechanischen Bearbeitungsschritt der Lagerringherstellung oder der Wälzkörperherstellung bilden, wobei nach dem Härten des Lagerrings (1) und/oder des Wälzkörpers gemäß Schritt c) kein Schleifen der Laufbahn (3) des Lagerrings (1) und/oder der Lauffläche des Wälzkörpers mit einer Schleifscheibe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Schritts c) gemäß Anspruch 1 zunächst ein Strahlprozess und dann ein Gleitschleifprozess durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Strahlprozess Abrasivpartikel (4) mit einem Luftdruck (p) von maximal 12 bar, vorzugsweise von maximal 8 bar, auf die zu strahlende Oberfläche aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Strahlprozess Abrasivpartikel (4) in Form von Korund verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrasivpartikel (4) einen mittleren Durchmesser zwischen 15 µm und 60 µm, insbesondere zwischen 25 µm und 45 µm, aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, der Strahlprozess für eine Zeitdauer zwischen 10 und 180 Sekunden durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschleifen mittels Keramikschleifkörpern (5) erfolgt, wobei die Abmessungen der Keramikschleifkörper (5) bevorzugt im Bereich zwischen 1 mm und 10 mm liegt und wobei das Gleitschleifen bevorzugt unter Verwendung eines Polier-Compounds erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein härteverzugsarmer Stahl für den Lagerring (1) und/oder für den Wälzkörper verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der härteverzugsarme Stahl ein durchhärtender korrosionsarmer Stahl ist, besonders bevorzugt Stahltyp gemäß der Stahl-Nummer 1.4108 oder 1.3563.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten gemäß Schritt b) von Anspruch 1 im Vakuum erfolgt.