DE102011007346A1

DE102011007346A1 - Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagers

Info

Publication number: DE102011007346A1
Application number: DE102011007346A
Authority: DE
Inventors: Günter Schwarm; Hans-Jürgen Friedrich; Heinz Breunig
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: DE102011007346B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagers (1), das einen Innenring (2) und einen Außenring (3) umfasst, wobei der Innenring (2) eine äußere konvexe Oberfläche (4) aufweist und wobei der Außenring (3) mit einer radial innenliegenden Oberfläche (5) den Innenring (2) so einfasst, dass er hinsichtlich des Innenrings (2) einen Hinterschnitt in axialer Richtung (a) bildet. Um in präziser und kostengünstiger Weise das Gleitlager zu fertigen, sieht die Erfindung vor, dass das Verfahren die Schritte aufweist: a) Herstellen des Innenrings (2) mit der konvexen Oberfläche (4) und Herstellen des Außenrings (3) mit einer radial innenliegenden Oberfläche (5'), die so gestaltet ist, dass der Außenring (3) hinsichtlich des Innenrings (2) noch keinen Hinterschnitt bildet; b) Zusammenführen des Innenrings (2) und des Außenrings (3) in die relative endgültige axiale Position; c) Plastisches Verformen des Außenrings (3), so dass zumindest Abschnitte (6, 7) des Außenrings (3) radial nach innen verlagert werden und hinsichtlich des Innenrings (2) den Hinterschnitt in axialer Richtung (a) bilden, wobei die Verformung durch Aufbringung eines elektromagnetischen Pulses in das Material des Außenrings (3) verursacht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagers, das einen Innenring und einen Außenring umfasst, wobei der Innenring eine äußere konvexe Oberfläche aufweist und wobei der Außenring mit einer radial innenliegenden Oberfläche den Innenring so einfasst, dass er hinsichtlich des Innenrings einen Hinterschnitt in axialer Richtung bildet.
Die Herstellung eines solchen Gleitlagers stellt gewisse Probleme dar, weil der Außenring des Lagers in der fertig montierten Anordnung den radial außen konvex ausgebildeten Innenring so einfassen soll, dass in beide axiale Richtungen Hinterschnitt besteht, d. h. der Außenring soll relativ zum Innenring des Lagers in Achsrichtung nicht beweglich sein, zumindest nicht über das axiale Lagerspiel hinaus.
Mögliche Lösungen sind zweiteilige Ausbildungen des Außenrings oder mehr oder weniger aufwändige und komplexe Montageverfahren unter Einsatz von Umformoperationen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass es in einfacher, präziser und kostengünstiger Weise möglich wird, das Gleitlager zu fertigen.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist:

a) Herstellen des Innenrings mit der konvexen Oberfläche und Herstellen des Außenrings mit einer radial innenliegenden Oberfläche, die so gestaltet ist, dass der Außenring hinsichtlich des Innenrings noch keinen Hinterschnitt in axialer Richtung bildet;
b) Zusammenführen des Innenrings und des Außenrings in die relative axiale Position, die der endgültigen relativen Lage entspricht;
c) Plastisches Verformen des Außenrings, so dass zumindest Abschnitte des Außenrings radial nach innen verlagert werden und hinsichtlich des Innenrings den Hinterschnitt in axialer Richtung bilden, wobei die Verformung durch Aufbringung eines elektromagnetischen Pulses in das Material des Außenrings verursacht wird.

Die Herstellung des Außenrings gemäß Schritt a) erfolgt bevorzugt durch einen Drehvorgang. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die radial innenliegende Oberfläche des Außenrings zumindest abschnittsweise zunächst eine zylindrische Kontur aufweist.
Nach der Herstellung des Außenrings gemäß Schritt a) und vor Schritt b) wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Verbundbuchse im radial innenliegenden Bereich des Außenrings platziert. Die Verbundbuchse kann dabei aus einem Verbundwerkstoff oder aus einem Gleitgewebe bestehen. Besonders bevorzugt weist das Gleitgewebe ein Basismaterial, insbesondere ein Harz, und ein Fasermaterial, insbesondere PTFE-Fasern und/oder Verstärkungsfasern, auf. Die Verbundbuchse kann in einer hierfür in den Außenring eingebrachten Ausnehmung angeordnet werden.
Der Innenring wird gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vor der Durchführung von Schritt c) erwärmt. Dies hat zur Folge, dass nach dem Fertigungsverfahren, d. h. nach Abschluss des Schritts c) der Lagerinnenring abkühlen und sich zusammenziehen kann, was ein definiertes und reproduzierbares Lagerspiel schafft. Der Innenring wird bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 140°C bis 210°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 165°C und 185°C, erwärmt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass während der Durchführung des Schritts c) der Außenring an seiner einen axialen Stirnseite durch ein erstes Werkzeug axial abgestützt wird, während der Außenring an seiner anderen axialen Stirnseite durch ein zweites Werkzeug mit einer axial wirkenden Umformkraft beaufschlagt wird.
Das vorgeschlagene Verfahren kommt bevorzugt für die Herstellung von Gelenklagern zum Einsatz.
Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Verfahren der „elektromagnetischen Puls-Technologie” (EMPT) ist ein berührungsloses Fertigungsverfahren und dient insbesondere zum Umformen elektrisch leitfähiger Materialien. Wegen der geringen Prozesskosten und der hohen Standzeiten der entsprechenden Anlagen kann das Verfahren sehr vorteilhaft angewendet werden.
Stromdurchflossene Leiter erfahren in einem Magnetfeld die sog. Lorentzkraft. Ferner erzeugen auch stromdurchflossene Leiter selbst ein magnetisches Feld. Zwei parallele stromführende Leiter ziehen sich daher an, wenn die Richtung des Stromflusses in beiden Leitern gleich ist. Projiziert man dies auf einen innerhalb einer elektrischen Spule liegenden Ring, stellt die Spule einen Leiter dar, der Ring den anderen Leiter. Wenn die Spule mit Wechselstrom beaufschlagt wird, induziert das im Ring einen jeweils gegenläufigen Stromfluss, wodurch der Ring eine radial wirkende Kraft erfährt. Beim Wechseln der Stromflussrichtung in der Spule baut sich im Ring wiederum ein gegenläufiger Stromfluss auf. Somit bleibt die auf den Ring einwirkende Kraft richtungsmäßig konstant.
Die Umformung des Rings verläuft zeitversetzt zum Stromverlauf, was sich durch die Massenträgheit des bewegten Bauteils ergibt. In der ansteigenden Flanke eines sinusförmigen Stromverlaufs vergeht zunächst eine gewisse Zeit, bis eine Verschiebung des Rings hin zu einem kleineren Durchmesser erfolgt. In diesem Zeitraum bauen sich im Ring zunächst Spannungen auf, die einmal die Fließgrenze des Materials, dann aber auch die aus der Massenträgheit resultierenden Kräfte überwinden müssen. Wenn die Spannungen eine ausreichende Größe erreicht haben, tritt die Durchmesserverringerung im Ring ein. Anschließend kommt es zu einer deutlichen Beschleunigung der Durchmesserveränderung. Die Umformung ist noch vor dem Wechsel der Stromrichtung beendet.
Die für die Durchführung des Verfahrens benötigte Anlage besteht aus dem eigentlichen Umformwerkzeug in Form der elektrischen Spule sowie gegebenenfalls aus Feldformern und einem Pulsgenerator, der die benötigten Ströme bereitstellt. Die Spulen und Feldformer dienen zum Aufbringen des magnetischen Drucks auf das elektrisch leitfähige Material des Rings, der das Werkstück darstellt. Die Spule besteht aus einer oder aus mehreren Windungen aus einem hochfesten und leitfähigen Werkstoff (bevorzugt aus einer Kupferlegierung). Typische Spulenleiterquerschnitte liegen wegen der hohen Ströme meist im Bereich einiger zig bis einiger hundert Quadratmillimeter.
Der Feldformer ist zumeist mit mindestens einem radialen Schlitz versehen und gegen die Spule und den Ring (Werkstück) elektrisch isoliert. Der Feldformer und die Spule weisen an ihrer Wirkfuge die gleiche Länge auf. Die Spule induziert im Außenmantel des Feldformers einen Strom, der aufgrund des radialen Schlitzes auf die Innenbohrung des Feldformers geleitet wird. Der Durchmesser der Innenbohrung entspricht etwa dem Durchmesser des Rings (Werkstücks). Die Länge der Innenbohrung ist jedoch zumeist kleiner als die der Spule und bildet die sogenannte Schneide.
Zum einen wird hiermit das ungleichmäßige magnetische Feld der mehrwindigen Spule homogenisiert. Weiterhin werden die magnetischen Feldlinien auf den Schneidenbereich konzentriert. Hierdurch ist der auf die Spule wirkende magnetische Druck geringer als der auf das Werkstück wirkende Druck. Der Feldformer dient – wie erwähnt – in erster Linie zur Homogenisierung des magnetischen Feldes mehrwindiger Spulen, zur Konzentration der Feldlinien auf den Umformbereich und zur mechanischen Entlastung der Spule. Weiterhin stellt der Feldformer auch eine Möglichkeit dar, die Spule mit geringem Aufwand an eine neue Umformgeometrie anzupassen. Hierzu wird lediglich ein an das zu verformende Werkstück angepasster Feldformer in die Spule eingesetzt.
Ein Feldformer ist allerdings nicht zwingend notwendig; er dient bei einwindigen Spulen primär lediglich zur Erhöhung der Anlagenflexibilität.
Die zur Umformung metallischer Werkstoffe notwendigen magnetischen Drücke liegen im Bereich bis zu einigen hundert N/mm². Zur Erzeugung dieser Drücke ist es notwendig, gepulste Ströme im Bereich zwischen 100 kA bis teilweise weit über 1000 kA bereitzustellen. Hierzu dient der Pulsgenerator. Dieser besteht aus einer Kondensatorbatterie, einer Kondensatorladeeinrichtung und einem Hochstromschalter. Der Pulsgenerator bildet mit der Arbeitsspule des Umformsystems einen Schwingkreis.
Zur Verfahrensablauf sei folgendes bemerkt: Nachdem das Werkstück in Form des Rings – vorliegend also der Außenring des Gleitlagers – in der Spule positioniert ist, wird bei einem geöffnetem Hochstromschalter ein Ladeschalter geschlossen. Der Schwingkreis wird hiermit zunächst unterbrochen, die Kondensatorspannung nähert sich während einiger Sekunden der gewählten Ladespannung an. Sobald die Ladespannung erreicht ist, wird der Ladeschalter geöffnet und der Hochstromschalter geschlossen. Die im Kondensator gespeicherte Energie wird nun freigesetzt und bedingt einen sinusförmigen Stromverlauf in der Spule, der jedoch nach wenigen Schwingungszyklen abgeklungen ist. Die Entladefrequenz industriell eingesetzter Anlagen liegt zumeist zwischen 6 und 30 kHz.
Durch den erläuterten Vorgang besteht die Möglichkeit, ring- bzw. rohrförmige Strukturen zu komprimieren.
Somit kann ein gleichmäßiges Fügen des Außenrings des Gleitlagers insbesondere mit Gleitmaterial unter Berücksichtigung der erforderlichen Lagerluft in einem Arbeitsschritt erfolgen.
Der Fügevorgang des Außenrings kann auch erfolgen, indem axial mit einer Stanzpresse und in ein Werkzeug eingelegten Außenring eine Kraft aufgebracht wird, während das genannte EMPT-Verfahren ausgeführt wird.
Durch die Steuerung der Parameter des EMPT-Verfahrens kann der Umformgrad so beeinflusst werden, dass ein gewünschtes Lagerspiel entsteht. Hierbei können auch elastische Rückfedereffekte genutzt werden. Insoweit ist es nicht notwendig, den Innenring vor der Durchführung des Verfahrens zu temperieren.
Allerdings steht grundsätzlich zur Spieleinstellung auch die Temperierung des Innenrings zur Verfügung, die dann entsprechend gewählt wird.
Das erläuterte EMPT-Verfahren zeichnet sich durch verschiedene Vorteile aus: Zum einen ist ein nur geringerer Werkzeugverschleiß gegeben. Auch die Rüstzeiten sind gering. Die Lagerluft ist mit der erläuterten Vorgehenswiese prozesssicher einstellbar. Der Austrag an Werkstücken pro Zeit ist hoch.
Es treten im Vergleich mit anderen Herstellverfahren nur geringe Bodenschwingungen auf.
Es erfolgt eine gleichmäßige Umformung, die sich für die unterschiedlichsten Gleitmaterialien eignet.
Der Prozess kann einfach automatisiert werden. Die Werkzeuglage (horizontal bzw. vertikal) ist frei wählbar.
Möglich ist auch im gegebenen Falle ein gleichzeitiges Verschweißen des Außenrings mit einem Anbauteil möglich (C-Lager-Variante).
Das Lager unterliegt einer geringeren Beanspruchung hinsichtlich der Verbindung Tragkörper – Gleitschicht bei der Ausführungsform mit axialer Krafterzeugung, wodurch sich eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Lagers ergibt. Auch kann ein erhöhter Traganteil im Lager erreicht werden.
Durch den Umformprozess kann auch vorgesehen werden, dass die zunächst noch als gerolltes Teil vorliegende Verbundbuchse an der Stoßstelle verschweißt.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 den Radialschnitt eines Außenrings, einer Verbundbuchse und eines Innenrings eines Gelenklagers,
2 die drei in 1 dargestellten Teile in ihrer relativen axialen Endlage,
3 die Anordnung gemäß 2, eingebracht in eine Spulenanordnung zur Durchführung der elektromagnetischen Puls-Technologie vor der Umformung,
4 die Anordnung gemäß 2, eingebracht in die Spulenanordnung gemäß 3 nach der Umformung,
5 die Anordnung gemäß 2, eingebracht in eine andere Spulenanordnung zur Durchführung der elektromagnetischen Puls-Technologie vor der Umformung,
6 die Anordnung gemäß 2, eingebracht in die Spulenanordnung gemäß 5 während bzw. nach der Umformung.
In 1 sind drei Teile in Explosionsansicht zu sehen, die ein Gelenklager bilden, nämlich ein Innenring 2, ein Außenring 3 und eine Verbundbuchse B. Es handelt sich hier um die Ausgestaltung der Teile, wie sie vor einem Umformvorgang gegeben ist, durch den das fertige Gelenklager hergestellt wird. Der Innenring 2 weist eine äußere konvexe Oberfläche 4 auf. Der Außenring 3 hat in seinem radial inneren Bereich eine zylindrische radial innenliegende Oberfläche 5'. In diese ist vorliegend eine Ausnehmung 9 eingedreht, in der die hohlzylindrische Verbundbuchse 8 eingesetzt werden kann; hierzu kann die Verbundbuchse gegebenenfalls an einer Umfangsstelle einen Schlitz aufweisen. Möglich ist es aber auch, dass die Tiefe der Ausnehmung 9 so gering ist, dass die Verbundbuchse 8 durch elastische Verformungen des Außenrings 3 und/oder der Verbundbuchse 8 in die Ausnehmung 9 montiert werden kann.
Durch die zylindrische Ausgestaltung der radial innenliegenden Oberfläche 5' des Außenrings 3 ist es möglich, die drei Teile 2, 3 und 8 ohne Ausübung einer Verformung zu montieren und in die axiale Relativposition zu verbinden, wie sie in 2 dargestellt ist. D. h. der Außenring 3 (samt Verbundbuchse 8) ist bezüglich des konvex ausgebildeten Innenrings 2 in axiale Richtung a hinterschnittsfrei.
Zur Herstellung des Gelenklagers 1 wird die Anordnung gemäß 2 in eine Spule 12 eingebracht, wie es 3 illustriert. Die Spule 12 ist zur Durchführung der elektromagnetischen Puls-Technologie (EMPT) ausgestattet, wie sie oben beschrieben wurde. Demgemäß wird eine Umformkraft auf das Material des Außenrings 3 ausgeübt, die in 4 durch Pfeile angedeutet ist. Jedenfalls die Abschnitte 6 und 7 des Außenrings 3 werden hierdurch radial nach innen plastisch verformt, so dass die radial innenliegende Oberfläche 5 des Außenrings 3 (und entsprechend die der Verbundbuchse 8) eine konkave Gestalt einnehmen und sich an die, äußere konvexe Oberfläche 4 des Innenrings 2 anlegen kann.
Der Innenring 2 kann, muss aber nicht, vor der Platzierung in der Spule 12 erwärmt werden. Kühlt er nach der Durchführung der Umformung des Außenrings 3 ab und zieht er sich zusammen, bildet sich demgemäß ein Lagerspiel definierter Größe aus. Ein definiertes Lagerspiel kann grundsätzlich auch durch die Steuerung der Parameter des EMPT-Verfahrens erreicht werden.
In den 5 und 6 ist eine Weiterbildung des Verfahrens skizziert, wie es in 3 und 4 dargestellt ist. Demgemäß wird ein stempelartiges erstes Werkzeug 10 an eine Stirnseite des Außenrings 3 angesetzt. Ein zweites Werkzeug 11 (nur angedeutet) wird an die andere Stirnseite des Außenrings 3 angesetzt und beaufschlagt diese mit einer Umformkraft (angedeutet durch die in axiale Richtung a weisenden Pfeile).
Die Umformung des Außenrings 3 in die gewünschte Form kann damit unterstützt werden, während durch die Spule die elektromagnetische Puls-Technologie durchgeführt wird.
Die Verbundbuchse kann aus einem Harz bestehen, in das PTFE-Fasern und Verstärkungsfasern (z. B. Kohlenstoff- oder Glasfasern) eingelagert sind. Nach dem Umformvorgang gemäß 4 bzw. 6 kann dann noch ein Aushärtevorgang im Gleitgewebe erforderlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Gleitlager (Gelenklager)
2: Innenring
3: Außenring
4: äußere konvexe Oberfläche
5: radial innenliegende Oberfläche
5': zylindrische radial innenliegende Oberfläche
6: Abschnitt
7: Abschnitt
8: Verbundbuchse
9: Ausnehmung
10: erstes Werkzeug
11: zweites Werkzeug
12: elektrische Spule
a: axiale Richtung

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagers (1), das einen Innenring (2) und einen Außenring (3) umfasst, wobei der Innenring (2) eine äußere konvexe Oberfläche (4) aufweist und wobei der Außenring (3) mit einer radial innenliegenden Oberfläche (5) den Innenring (2) so einfasst, dass er hinsichtlich des Innenrings (2) einen Hinterschnitt in axialer Richtung (a) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: a) Herstellen des Innenrings (2) mit der konvexen Oberfläche (4) und Herstellen des Außenrings (3) mit einer radial innenliegenden Oberfläche (5'), die so gestaltet ist, dass der Außenring (3) hinsichtlich des Innenrings (2) noch keinen Hinterschnitt in axialer Richtung (a) bildet; b) Zusammenführen des Innenrings (2) und des Außenrings (3) in die relative axiale Position, die der endgültigen relativen Lage entspricht; c) Plastisches Verformen des Außenrings (3), so dass zumindest Abschnitte (6, 7) des Außenrings (3) radial nach innen verlagert werden und hinsichtlich des Innenrings (2) den Hinterschnitt in axialer Richtung (a) bilden, wobei die Verformung durch Aufbringung eines elektromagnetischen Pulses in das Material des Außenrings (3) verursacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Außenrings (3) gemäß Schritt a) von Anspruch 1 durch einen Drehvorgang erfolgt oder einen solchen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Außenrings (3) gemäß Schritt a) von Anspruch 1 so erfolgt, dass die radial innenliegenden Oberfläche (5') zumindest abschnittsweise eine zylindrische Kontur aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung des Außenrings (3) gemäß Schritt a) von Anspruch 1 und vor Schritt b) von Anspruch 1 eine Verbundbuchse (8) im radial innenliegenden Bereich des Außenrings (3) platziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundbuchse (8) aus einem Verbundwerkstoff oder aus einem Gleitgewebe besteht, wobei das Gleitgewebe vorzugsweise ein Basismaterial, insbesondere ein Harz, und ein Fasermaterial, insbesondere PTFE-Fasern und/oder Verstärkungsfasern, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundbuchse (8) in einer hierfür in den Außenring (3) eingebrachten Ausnehmung (9) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (2) vor der Durchführung von Schritt c) nach Anspruch 1 erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (2) auf eine Temperatur zwischen 140°C bis 210°C, vorzugsweise zwischen 165°C und 185°C, erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung des Schritts c) nach Anspruch 1 der Außenring (3) an seiner einen axialen Stirnseite durch ein erstes Werkzeug (10) axial abgestützt wird, während der Außenring (3) an seiner anderen axialen Stirnseite durch ein zweites Werkzeug (11) mit einer axial wirkenden Umformkraft beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit ihm ein Gleitlager in Form eines Gelenklagers gefertigt wird.