DE102012202104A1

DE102012202104A1 - Herstellung eines Wälzlagerkäfigs oder eines Wälzlagerkäfigsegments mittels Metallpulverspritzgießen

Info

Publication number: DE102012202104A1
Application number: DE201210202104
Authority: DE
Inventors: Josef Stork; Bernd Eich
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konzept zur Herstellung wenigstens eines Wälzlagerkäfigsegments (20-1; 20-2) für einen Wälzlagerkäfig (20), mit einem ersten und einem zweiten in einem axialen Abstand angeordneten Umfangssteg (21-1; 21-2) und wenigstens einem den ersten und den zweiten Umfangssteg verbindenden Verbindungssteg (23), wobei zwei in Umfangsrichtung benachbart angeordnete Wälzlagerkäfigsegmente des Wälzlagerkäfigs wenigstens eine Wälzkörpertasche (24) zur Aufnahme eines Wälzkörpers bilden, wobei das wenigstens eine Wälzlagerkäfigsegment (20-1; 20-2) aus einer Metallpulverspritzgussmasse vermittels eines Metallpulverspritzgießprozesses (MIM = Metal Powder Injection Moulding) geformt bzw. hergestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lagerkäfig für Wälzlager, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Lagerkäfigs oder eines Lagerkäfigsegments desselben mittels Metallpulverspritzgießen (MIM = Metal Powder Injection Molding), welches auch als Metallformspritzen bezeichnet werden kann.
Lagerkäfige für Wälzlager bestehen im Allgemeinen aus zwei in einem axialen Abstand gegenüberliegend angeordneten Seitenringen und mehreren, diese Seitenringe verbindenden und in einer Umfangsrichtung des Lagerkäfigs hintereinander angeordneten Axialstegen, welche paarweise Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern bilden. Ein Lagerkäfig hält die Wälzkörper mittels der dafür vorgesehenen Wälzkörpertaschen auf Abstand zueinander und verhindert eine unmittelbare Berührung benachbarter Wälzkörper, was Reibung und damit verbundene Wärmeentwicklung im Lager typischerweise verringert. Er sorgt außerdem für eine gleichmäßige Verteilung der Wälzkörper über einen gesamten Umfang des Käfigs bzw. Wälzlagers und ermöglicht somit eine gleichmäßige Lastverteilung sowie einen ruhigen und gleichmäßigen Lauf.
Wälzlagerkäfige werden im Betrieb durch Reibungs-, Zerr- und Trägheitskräfte mechanisch stark beansprucht. Dazu können unter Umständen auch chemische Einwirkungen durch bestimmte Zusätze und Substanzen kommen. Formgebung und Werkstoffwahl sind deshalb für eine Funktionstüchtigkeit des Käfigs ebenso wie für eine Betriebszuverlässigkeit des Lagers, insgesamt von entscheidender Bedeutung.
Typischerweise umfassen Wälzlagerkäfige gepresste Käfige und Massivkäfige. Gepresste Käfige für Wälzlager werden meist aus Stahlblech, in einigen Fällen auch aus Messingblech, gefertigt. Massivkäfige für Wälzlager können beispielsweise aus Messing, Stahl, Aluminium, Polymeren oder Phenolharz hergestellt sein.
Kunststoffmassivkäfige werden zumeist mittels Spritzgussverfahren gefertigt und zeichnen sich durch eine günstige Kombination von Festigkeit und Elastizität aus. Bei Kunststoffen für herkömmlich gespritzte Wälzlagerkäfige kann es sich beispielsweise um Polyamid 66, Polyamid 46, Polyetheretherketon (PEEK), Phenolharz oder auch einen anderen Polymerwerkstoff handeln. Gute Gleiteigenschaften von Kunststoff auf geschmierten Stahlflächen und eine geringe Rauheit der Käfigoberflächen an Berührungsstellen mit Wälzkörpern haben eine niedrige Käfigreibung, eine entsprechend geringe Wärmeentwicklung im Lager und einen kaum messbaren Verschleiß zur Folge. Wegen der geringen Werkstoffdichte bleiben auch Kräfte aus der Massenträgheit des Käfigs klein. Dank sehr guter Notlaufeigenschaften von Kunststoffkäfigen bleibt ein Wälzlager selbst bei völligem Versagen der Schmierung noch für einige Zeit funktionsfähig, ohne dass es zum Blockieren des Lagers oder zu weiteren Folgeschäden kommt.
Massivkäfige aus Metall erlauben demgegenüber höhere Drehzahlen und können erforderlich sein, wenn zusätzlich zu reinen Umlaufbewegungen beispielsweise auch hohe Beschleunigungskräfte auftreten. Im Gegensatz zu Kunststoffmassivkäfigen erfolgt die Herstellung von Metallmassivkäfigen herkömmlicherweise durch zerspanende Verfahren, wie z. B. Drehen oder Fräsen.
Für Wälzlagerkäfige sind die verschiedensten Fertigungstechnologien für die Serienproduktion bekannt und kommen in der Industrie zur Anwendung. So sind für Stahlkäfige Umformverfahren üblich, die jedoch den Nachteil aufweisen, nur für niedrig legierte Stähle und damit für geringe Festigkeiten wirtschaftlich machbar zu sein. Bei der Anwendung für hochfeste Stähle steigen die Fertigungsschwierigkeiten und damit die Herstellkosten überproportional an. Auf der anderen Seite sind Spritzverfahren für Polymerwerkstoffe üblich, die eine hohe Wirtschaftlichkeit gewährleisten, die jedoch durch die Eigenschaften der Kunststoffe ebenfalls Grenzen für die Festigkeit zeigen.
In der Entwicklung für die Automobilindustrie, die sich verstärkt bemüht, die Effizienz von Verbrennungsmotoren zu verbessern, werden in jüngster Zeit auch Anwendungsfälle für Wälzlager untersucht, die traditionell durch Gleitlager besetzt waren. Hierzu gehören in erster Linie die Lagerung von Kurbelwellen und weitergehend auch die von Pleuellagern. Bei der Lagerung von Pleuel treten konzeptbedingt sehr hohe Belastungen für einen Wälzlagerkäfig auf, die solche Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften stellen, dass sie mit bisher verwendeten Käfigmaterialien nicht mehr erfüllt werden können. Mit herkömmlichen zerspanenden Verfahren hergestellte titanhaltige Wälzlagerkäfige, z. B. mittels einer Titanlegierung wie TiAl6V4, könnten diese erhöhten Anforderungen zwar grundsätzlich erfüllt werden, jedoch sind sie in den von der Automobilindustrie geforderten Stückzahlen mit den klassischen zerspanenden Herstellungsverfahren nicht wirtschaftlich herzustellen. Dies bezieht sich nicht nur auf die genannten Käfige aus Titanlegierungen, sondern auch auf andere denkbare Metallkäfige aus hochfesten Werkstoffen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, um hoch beanspruchbare Metallmassivkäfige wirtschaftlich in großen Stückzahlen zu produzieren.
Es ist ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, die oben gestellte Aufgabe durch eine Herstellung von hochfesten Metallmassivkäfigen mittels Metallpulverspritzgießen (MIM), welches auch als Metallformspritzen oder Metallpulverspritzen bezeichnet werden kann, zu lösen. MIM ist als ein Verfahren zur Massenherstellung von metallischen Bauteilen bekannt, welches insbesondere zur Herstellung von hochfesten metallischen Bauteilen für die Medizintechnik, aber auch für die Raumfahrtindustrie eingesetzt wird. Ausgehend von der Pulvermetallurgie wurden Verfahren entwickelt, Metalllegierungen, ähnlich wie Kunststoffe, abzuspritzen. Das MIM-Verfahren erlaubt es, kleine bis mittelgroße, komplex geformte Teile in hohen Stückzahlen kostengünstig und automatisiert herzustellen. Das MIM-Verfahren liefert Bauteile mit einer Dichte von 97–99 % der theoretischen Dichte, wobei durch ein nachträgliches heißisostatisches Pressen (Nachverdichten) der Körper sogar eine Dichte von bis zu 100 % erzielt werden kann. Das Verfahren umfasst eine Verdüsung eines Metalls bzw. einer Metalllegierung in eine geeignete Partikelgröße, wie z. B. 5–300 µm Durchmesser. Das so gewonnene Metallpulver wird anschließend mittels eines Bindersystems zu einem so genannten Feedstock plastifiziert, welcher in einem Kneter homogenisiert werden kann. Danach wird der Feedstock in eine Spritzgussmaschine eingefüllt. Beispielsweise vermittels einer Schnecke kann eine thermoplastische Masse in ein teilbares Formenwerkzeug bzw. Spritzwerkzeug eingespritzt werden. Nach Beendigung der Formfüllung erstarrt die Flüssigphase wieder und ermöglicht eine Entnahme eines Bauteilrohlings, welcher auch als Grünling oder Grünteil bezeichnet wird, aus dem Spritzwerkzeug. Die Grünteile können dann zuerst chemisch und anschließend thermisch entbindert werden, sowie im Autoklaven, einem gasdicht verschließbaren Druckbehälter, unter Druck und Temperatur zur endgültigen Abmessung und Festigkeit gebracht werden. Dieser MIM-Prozess führt im Normalfall zu Produkten mit finaler Form und Abmessung und erfordert keine oder nur geringe Nachbearbeitung.
Es ist nun eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, hochfeste Metallmassivkäfige mittels eines MIM-Prozess herzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird dazu ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einen Wälzlagerkäfigsegments für einen Wälzlagerkäfig bereitgestellt. Das Wälzlagerkäfigsegment bzw. der Wälzlagerkäfig weist einen ersten und einen zweiten in einem axialen Abstand angeordneten Umfangssteg und wenigstens einen den ersten und den zweiten Umfangssteg verbindenden Verbindungssteg auf. Dabei bilden zwei in Umfangsrichtung benachbart angeordnete Wälzlagerkäfigsegmente des Wälzlagerkäfigs wenigstens eine Wälzkörpertasche zur Aufnahme eines Wälzkörpers, wie z. B. einer Rolle, einer Kugel, oder einer Nadel. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Formens des wenigstens einen Wälzlagerkäfigsegments aus einer Metallpulverspritzgussmasse vermittels eines Metallpulverspritzgießprozesses.
Mit dem genannten Verfahren können also zum einen entweder große Stückzahlen einzelner Wälzlagerkäfigsegmente, insbesondere für Lagerkäfige mit sehr großen Käfigdurchmessern, hergestellt werden. Die so hergestellten Käfigsegmente können dann beispielsweise auf Trägerringe aufgebracht werden, um daraus einen umlaufenden Lagerkäfig zu gewinnen. Gemäß anderen Ausführungsformen können mit dem Metallpulverspritzgießprozess auch komplette bzw. einstückige und hochfeste Metallmassivkäfige hergestellt werden.
Aufgrund der Empfindlichkeit und Sprödigkeit der durch den MIM-Prozess gewonnenen Grünteile, ist der Konstruktion der Käfigform und/oder der Werkzeugteile besondere Beachtung zu schenken. Entweder sollte die Käfig- oder Käfigsegmentform, und insbesondere die Käfigtaschen, hinterschnittfrei, d.h. ohne Vorsprünge oder Rückbiegungen an den Stegen, ausgeführt werden. Für derartige Ausführungsbeispiele umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Bereitstellens eines hinterschnittfreien Spritzwerkzeugs, das eine Form der wenigstens einen Wälzkörpertasche abbildet, und einen Schritt des Einspritzens der Metallpulverspritzgussmasse in das Spritzwerkzeug, um durch den Metallpulverspritzgießprozess wenigstens ein hinterschnittfreies Wälzlagerkäfigsegment bzw. eine hinterschnittfreie Wälzkörpertasche zu erhalten. Sollen andererseits hinterschnittene Wälzlagerkäfigsegmente bzw. Wälzkörpertaschen durch den MIM-Prozess realisiert werden, so ist es vorteilhaft, die Spritzwerkzeugteile, welche die Wälzkörpertaschen abbilden, geteilt auszuführen, sodass eine lastfreie Entformung des abgespritzten Käfigs/Grünteils erfolgen kann. Das bedeutet, dass bei derartigen Ausführungsformen für den Metallpulverspritzgießprozess ein Spritzwerkzeug verwendet wird, bei dem ein eine Wälzkörpertasche formender Radialschieber mehrteilig, wie z. B. zwei- oder dreiteilig, ausgebildet ist, um eine hinterschnittene Wälzkörpertaschengeometrie herstellen zu können.
Typische, geeignete Materialien für die metallische Komponente beim Metallpulverspritzgießverfahren sind rostfreier Stahl, Karbonstahl, Werkzeugstahl oder Legierungsstahl, aber auch Ferrit, Wolframkarbid und Mischungen aus Kupfer/Bronze, Kobalt/Chrom oder auch Wolfram/Kupfer. Von besonderem Interesse für die Herstellung von Lagerkäfigen sind Eisenbasiswerkstoffe, wie Stahllegierungen, insbesondere 100Cr6. Des Weiteren sind für hochfeste Metallmassivkäfige Nichteisenwerkstoffe, wie Leichtmetalle, insbesondere Titanlegierungen, wie z. B. TiAl6V4, interessant. Das heißt, die Metallpulverspritzgussmasse kann einen Eisenbasiswerkstoff, wie z. B. eine Stahllegierung, insbesondere 100Cr6, oder einen Nichteisenwerkstoff, wie z. B. Bronze, Kupfer, Messing oder ein Leichtmetall, insbesondere eine Titanlegierung TiAl6V4, umfassen bzw. aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein vermittels eines MIM-Prozesses hergestelltes Wälzlagerkäfigsegment für einen Wälzlagerkäfig bereitgestellt. Ein derartiges Wälzlagerkäfigsegment bzw. ein kompletter Wälzlagerkäfig weist also eine für einen MIM-Prozess typische Material- bzw. Gefügestruktur mit 97–99 % Dichte auf, woraus eine relativ hohe Porosität folgt.
Ein mittels eines MIM-Prozesses hergestellter Metallmassivkäfig bzw. ein diesem zugrunde liegendes Käfigsegment ist gemäß Ausführungsbeispielen dadurch gekennzeichnet, dass eine Käfigquerschnittsform in einer Ebene senkrecht zur Wälzkörpertaschenhauptsymmetrieachse eine Rechteckform mit abgerundeten Ecken darstellt. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen mechanisch bearbeiteten Wälzlagerkäfigen, welche in den Taschenecken Freistiche aufweisen müssen, um eine Bearbeitbarkeit der Käfigtaschenseitenflächen gewährleisten zu können. Freistiche als Innen- und/oder Außeneinstiche dienen an Absätzen von Fräs- oder Drehteilen, die geschliffen werden sollen, dazu, dass eine Schleifscheibenkante frei auslaufen kann. Sie verringern auch die sonst an scharfen Übergängen auftretende Kerbwirkung. Ein Wälzlagerkäfigsegment bzw. ein Wälzlagerkäfig gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst also einen ersten und einen zweiten in einem axialen Abstand angeordneten Umfangssteg und wenigstens einen den ersten und den zweiten verbindenden Verbindungssteg, wobei zwei in Umfangsrichtung benachbart angeordnete Wälzlagerkäfigsegmente wenigstens eine Wälzkörpertasche zur Aufnahme eines Wälzkörpers, wie z. B. einer Zylinderrolle, bilden. Ein Eckbereich einer Wälzkörpertasche zwischen einem in Umfangsrichtung, d. h. tangential, verlaufenden Umfangssteg und dem in axialer Richtung verlaufenden Verbindungssteg ist also gemäß Ausführungsbeispielen abgerundet ausgebildet, mit einem Krümmungsradius, der größer ist als ein Krümmungsradius einer Ecke bzw. Kante von einem in der Wälzkörpertasche geführten Wälzkörper. Dabei meint die Ecke bzw. Kante des Wälzkörpers eine Ecke zwischen einer Stirnfläche und einer Lauffläche bzw. Mantelfläche einer Rolle, Tonne oder Nadel. Der Krümmungsradius einer Wälzkörpertaschenecke kann dabei beispielsweise größer oder gleich 0,1 mm sein. Derartige abgerundete Wälzkörpertaschenecken bieten den Vorteil, dass die Käfigtaschen mit abgerundeten Ecken für gefährdete Materialquerschnitte größere Flächen zur Verfügung stellen, im Gegensatz zu den herkömmlichen mechanisch bearbeiteten Käfigen, bei denen diese kritische Querschnitte durch die Freistiche reduziert werden und somit Schwachstellen in den Käfigkonstruktionen darstellen. Gemäß Ausführungsbeispielen können durch die Herstellung von Metallmassivkäfigen mittels eines MIM-Prozesses die gefährdeten minimalen Querschnitte signifikant, beispielsweise in einem Bereich um ca. 40 %, vergrößert werden. Dabei kann eine Käfigtaschenform mit Radien in den Taschenecken nur durch einen MIM-Spritzprozess verwirklicht werden. Mit anderen, herkömmlichen mechanischen Bearbeitungsprozessen, wie z. B. Drehen und/oder Fräsen, ist eine derartige Verbesserung der kritischen Stegquerschnittsflächen und der damit einhergehenden Festigkeitsverbesserung des gesamten Käfigs nicht möglich. Andere Fertigungsverfahren, mit denen vergleichbare Taschenformen machbar wären, sind entweder unwirtschaftlich ungeeignet, z. B. aufgrund extrem hoher Werkzeugkosten wie beim Räumen, oder sind für feste Werkstoffe ungeeignet (z. B. Löffeln). Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind also bei einem mit einem MIM-Verfahren hergestellten Wälzlagerkäfig Eckbereiche von Wälzkörpertaschen ohne Freistich im Eckbereich der Wälzkörpertasche zwischen einem Umfangssteg und dem Verbindungssteg ausgebildet. So kann zusätzlich zur Festigkeitsverbesserung für Wälzlagerkäfige durch die Verwendung von hochfesten Werkstoffen, wie z. B. 100Cr6 oder TiAl6V4, zusätzlich der MIM-Prozess genutzt werden, um die gefährdeten Stegquerschnitte zu vergrößern und damit die Raumeffizienz von erfindungsgemäß hergestellten Wälzlagerkäfigen zu verbessern. Es können also entweder die Stegquerschnitte vergrößert und damit die Festigkeit erhöht werden, oder bei gleicher Festigkeit die Käfigquerschnitte verkleinert werden und den dadurch gewonnenen Raum dazu benutzt werden, um die Wälzkörper zu vergrößern und die Tragfähigkeit des Wälzlagers zu erhöhen.
Ein weiterer grundsätzlicher Vorteil der MIM-Technologie gegenüber anderen denkbaren Verfahren, wie z. B. Sintern, besteht darin, dass hier nur ein Werkzeug, nämlich zum Abspritzen des Grünteils, erforderlich ist. Die Entbinderung und Autoklavbehandlung können jeweils ohne Werkzeuge durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass die Stückkosten, ähnlich wie beim Kunststoffspritzen, nur einmal mit Werkzeugkosten belastet werden. Der Werkzeugaufwand bei anderen Verfahren ist dem gegenüber wesentlich höher.
Durch Verwendung von Metallpulver mit kontrollierter und homogener Partikelgröße, z.B. in einem Bereich von 5 bis 30 µm, ergeben sich Eigenschaften, speziell auch Festigkeitseigenschaften, entsprechend des reinen Metalls bzw. der reinen Metalllegierung. Bei einigen Stahllegierungen, wie z. B. 100Cr6, kann aufgrund der besseren Reinheit des Metallpulvers sogar mit verbesserten Eigenschaften des durch MIM hergestellten Käfigs gerechnet werden.
Aufgrund einer relativ geringen Querschnittshöhe der Umfangs- und/oder Verbindungsstege eines Wälzlagerkäfigs im Vergleich zu seinem Durchmesser brauchen die Radialschieber im Spritzwerkzeug nur einen geringen Weg beim Entformen des Grünteils zurückbewegt werden. Eine Käfigtaschenform kann gemäß Ausführungsbeispielen zur besseren bzw. leichteren Entformung konisch gestaltet werden, wobei ein Entformungswinkel minimiert werden kann. In anderen Worten ausgedrückt kann ein Verbindungssteg und/oder ein Umfangssteg der Wälzkörpertasche eines gemäß eines MIM-Prozesses hergestellten Wälzlagerkäfigs an wenigstens einer Seitenfläche eine Entformungsschräge, d. h. einen konischen oder trapezförmigen Querschnitt durch eine Querschnittsfläche senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Stegs oder des Seitenrings, aufweisen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen reichen Entformungsschrägen in einem Bereich von 3–5° zur beschädigungsfreien Entformung aus.
Aus Erfahrungen mit herkömmlich gefertigten hochfesten Käfigen, wie z. B. aus TiAl6V4, können die Verbindungs- und/oder Umfangsstegwandstärken für solche Werkstoffe gegenüber konventionellen Materialien die Polymeren oder Standardstahl bis auf minimal 0,4 mm verringert werden (alternativ in Abhängigkeit von den verwendeten Rollendurchmessern im Bereich von ca. 3–12 mm). Daraus ergibt sich eine Möglichkeit einer wesentlich höheren Rollenanzahl im Lager gegenüber Standardlagern. Das bedeutet, dass gemäß Ausführungsbeispielen eine Wälzkörpertasche ausgebildet sein kann, um einen Wälzkörper mit einem Rollendurchmesser von 3–12 mm aufzunehmen, wobei der zwei benachbarte Wälzkörpertaschen separierende Verbindungssteg eine Wandstärke in einem Bereich von 0,3–0,5 mm aufweist. Dieselben Wandstärken können auch für die axial beabstandeten Umfangsstege bzw. Seitenringe des Lagerkäfigs verwendet werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der nachfolgenden detaillierten Figurenbeschreibung sowie der abhängigen Patentansprüche.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen vermittels einem zerspanenden Verfahren hergestellten Lagerkäfigs;
2 eine perspektivische Darstellung eines vermittels eines MIM-Prozesses hergestellten Lagerkäfigs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
3a, b Prinzipskizzen von geteilten Radialschiebern eines Spritzwerkzeugs zur Herstellung MIM-gespritzter Metallmassivkäfige.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung in unterschiedlichen Figuren verwendete gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional ähnliche Elemente bzw. Bauteile hindeuten.
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Metallmassivkäfigs 10, welcher mittels eines herkömmlichen zerspanenden Herstellungsverfahrens, wie z. B. Drehen oder Fräsen, hergestellt wurde.
Der lediglich zu anschaulichen Zwecken in zwei Hälften bzw. Segmente 10-1, 10-2 zerteilte Käfig 10 umfasst einen ersten Seitenring 11-1 sowie einen in einem axialen Abstand dazu angeordneten zweiten Seitenring 11-2. Die Seitenringe 11-1, 11-2 können auch als sich in eine Umfangs- bzw. Tangentialrichtung 12 erstreckende Umfangsstege bezeichnet werden. In der Umfangsrichtung 12 verlaufen in regelmäßigen Abständen sich axial erstreckende Verbindungsstege 13 zwischen den beiden Umfangsstegen 11-1, 11-2. Dabei bilden zwei benachbarte in Umfangsrichtung 12 angeordnete Verbindungsstege 13 zusammen mit den beiden Umfangsstegen 11-1, 11-2 jeweils eine Wälzkörpertasche 14 zur Aufnahme von in 1 nicht dargestellten Wälzkörpern, wie z. B. Zylinderrollen. Stellt man sich ein Wälzlagerkäfigsegment vor, welches wenigstens einen Verbindungssteg 13 sowie damit verbundene Abschnitte der Umfangsstege 11-1, 11-2 umfasst, so wird durch zwei in Umfangsrichtung 12 benachbart angeordnete Wälzlagerkäfigsegmente des Wälzlagerkäfigs 10 wenigstens eine Wälzkörpertasche 14 zur Aufnahme eines Wälzkörpers gebildet.
Ein durch herkömmliche zerspanende Herstellungsverfahren hergestellter Metallmassivkäfig weist in den Eckbereichen seiner Wälzkörpertaschen 14 radial verlaufende Freistiche 15 auf. Dabei ist ein Freistich 15 eine Abtragung an einer Innenkante einer Wälzkörpertasche 14 mit einer bestimmten Form und festgelegten Maßen, die sowohl einem eingesetzten Werkzeug bei der Fertigung als auch einem anliegenden Teil, wie z.B. einem Wälzkörper, beim Zusammenbau den erforderlichen Freiraum gibt. Bei den Freistichen 15 handelt es sich genau genommen um so genannte Innenfreistiche. Anhand der 1 lässt sich gut erkennen, dass die Freistiche 15 in den Eckbereichen der Wälzkörpertaschen 14 gegenüber den Mittelabschnitten 16, 17 der Stege 11, 13 für verringerte Materialquerschnitte der Umfangs- und/oder Verbindungsstege 11, 13 sorgen. Während ein Mittelabschnitt 16, 17 eines Umfangs- und/oder Verbindungsstegs 11, 13 eine axiale Materialstärke d₁ aufweist, hat der Umfangs- und/oder Verbindungsstegs 11, 13 im Bereich eines Freistichs 15 lediglich eine axiale Erstreckung d₂ < d₁. Diese geringeren Materialstärken im Bereich der Freistiche 15 führen zu Schwachstellen bei herkömmlichen Käfigkonstruktionen, wie in der 1 dargestellt. In der 1 beträgt die Materialstärke d₂ lediglich beispielhaft 1,628 mm.
Demgegenüber zeigt die 2 eine perspektivische Darstellung eines vermittels eines Metallpulverspritzgießprozesses (MIM) hergestellten Wälzlagerkäfigs 20.
Ein besonderes Merkmal des mittels des MIM-Prozesses hergestellten Käfigs 20 liegt darin, dass die Form einer durch Umfangsstege 21-1, 21-2 und Verbindungsstege 23 gebildeten Wälzkörpertasche 24 im Wesentlichen rechteckig ist. Das heißt, zwei axial gegenüberliegende Umfangsstege 21-1, 21-2 bilden zusammen mit zwei dazwischen benachbart angeordneten und sich in axialer Richtung erstreckenden Verbindungsstegen 23 im Wesentlichen ein Rechteck, welches in seinen Ecken 25, im Gegensatz zu herkömmlich hergestellten Wälzlagerkäfigen 10, keine Innenfreistiche aufweist. Vielmehr sind hier Eckbereiche 25 der Wälzkörpertaschen 24 abgerundet ausgebildet, sodass in den Eckbereichen 25 Materialstärken der Stege 21, 23 gegenüber Mittelabschnitten der Stege 21, 23 nicht verringert werden. Dabei kann ein Krümmungsradius eines Eckbereichs 25 einer Wälzkörpertasche 24 größer gewählt werden, als ein Krümmungsradius einer Ecke zwischen einer Stirnfläche und der Lauffläche eines in der Tasche 24 geführten Wälzkörpers. Das heißt, um einen Freigang der Wälzkörper, wie z.B. Zylinderrollen, in den Käfigtaschen 24 zu gewährleisten, können die Taschenecken 25 mit Radien größer als die Rolleneckenradien konstruiert werden. Aus Festigkeitsgründen (Kerbspannungen) sollten die Tascheneckenradien eines MIM-Käfigs vorzugsweise größer als 0,1 mm gewählt werden.
Durch die Käfigtaschen 24 mit den abgerundeten Ecken 25 werden für die anhand der 1 beschriebenen gefährdeten Materialquerschnitte d₂ in den Eckbereichen größere axiale Erstreckungen und damit Querschnittsflächen zur Verfügung gestellt. Mit durch MIM-Prozesse hergestellten Wälzlagerkäfigen 20 ist es möglich, in den Tascheneckbereichen 25 im Wesentlichen dieselben Materialstärken d₁ wie in den Stegmittelbereichen 26, 27 zu erhalten. Das heißt, eine axiale Erstreckung d₁ der Umfangsstege 21-1, 21-2 in den Tascheneckbereichen 25 entspricht im Wesentlichen einer axialen Erstreckung der Stege 21-1, 21-2 in den Mittelbereichen 26. Geht man beispielhaft von d₂ = 1,628 mm und d₁ = 2,271 mm aus, so können gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die gefährdeten minimalen Querschnitte in den Eckbereichen durch den Einsatz der MIM-Technologie gegenüber der 1 um ca. 40 % vergrößert werden.
Die Umfangsstege 21-1, 21-2 und/oder die Verbindungsstege 23 können an wenigstens einer ihrer Seitenflächen eine Entformungsschräge aufweisen, sodass sich ein konischer oder trapezförmiger Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung des jeweiligen Stegs 21, 23 ergibt. Dabei können die Entformungsschrägen beispielsweise in einem Bereich von 3°–5° liegen, um eine beschädigungsfreie Entformung zu gewährleisten.
Um Käfigtaschen mit Hinterschnitten fertigen zu können, damit Käfigkonstruktionen verwirklicht werden können, in denen Wälzkörper im Käfig gehalten werden, sollten Spritzwerkzeuge mit zwei- oder dreigeteilten Radialschiebern benutzt werden. Derartige Spritzwerkzeuge bieten die Möglichkeit, durch radiale Bewegung nur eines Schieberteils die Ausdehnung eines Taschen formenden Schiebers in Umfangsrichtung und den Betrag des Hinterschnitts zu verringern, um die Werkzeugschieber beschädigungsfrei aus dem Spritzteil entfernen zu können.
Dazu zeigt die 3a in einer schematischen Seitenansicht einen dreigeteilten Radialschieber 30 mit Teilen 30-1, 30-2 und 30-3 zur Formung einer hinterschnittenen Wälzkörpertasche 34. Die Wälzkörpertasche 34 weist dabei einen Hinterschnitt in der Größenordnung d_H auf. Die 3a zeigt den dreigeteilten Radialschieber 30 während des Spritzprozesses, während dem die drei Teile 30-1 bis 30-3 zur Bildung eines kugeligen Körpers zur Ausbildung der bauchigen Käfigtasche 34 zusammengeführt sind.
Demgegenüber zeigt die 3b eine Prinzipskizze zur Entformung des gespritzten Grünteils.
Um den dreigeteilten Radialschieber 30 aus dem Spritzteil zu entfernen, ohne dieses zu beschädigen, kann zuerst das Mittelteil 30-2 des Radialschiebers 30 radial nach außen bewegt werden, sodass an dessen Stelle zwischen den beiden äußeren Radialschieberteilen 30-1 und 30-3 ein Freiraum 35 freigegeben wird. In einem zweiten Schritt können die beiden äußeren, den Hinterschnitt d_H formenden Werkzeugteile 30-1 und 30-3 tangential in Richtung des frei gewordenen Zwischenraums 35 bewegt werden, um diese in einem dritten Schritt ebenfalls radial nach außen aus der geformten Wälzkörpertasche 34 zu ziehen, ohne diese zu beschädigen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine wirtschaftliche Herstellung von Wälzlagerkäfigen aus hochfesten Metalllegierungen, wie z. B. Stahl- oder Titanlegierungen, bei ähnlichen Kosten wie bei gespritzten Kunststoffkäfigen und Festigkeiten, die weitaus besser sind als die von heutigen Stahl- oder Aluminiumkäfigen. Besondere Vorteile ergeben sich bei Anwendungen mit höchsten Anforderungen, wie z. B. bei optimierten Verbrennungsmotoren anstelle von heute noch üblichen Gleitlagern zur Effizienzverbesserung. Es ist auch zu erwarten, dass mit einer weiteren Verbreiterung dieser Fertigungsmethoden die MIM-Technologie auch für andere Wälzlagerkäfige und -komponenten sinnvoll angewendet werden kann.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Obwohl manche Aspekte der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einem Lagerkäfig beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Herstellungsverfahrens darstellen, sodass ein Bauteil oder ein Segment des Lagerkäfigs auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschritts zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurde, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Elements bzw. Merkmals eines entsprechenden Lagerkäfigs dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche, und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsbeispiele präsentiert wurden, beschränkt ist.
Bezugszeichenliste

10: Herkömmlicher Metallmassivkäfig
11: Seitenring bzw. Umfangssteg
12: Tangential- bzw. Umfangsrichtung
13: Verbindungssteg
14: Wälzkörpertasche
15: Taschenecke
16: Mittelabschnitt eines Umfangsstegs zwischen zwei Verbindungsstegen
17: Mittelabschnitt eines Verbindungsstegs zwischen zwei Umfangsstegen
20: Metallmassivkäfig gemäß einem Ausführungsbeispiel
21: Seitenring bzw. Umfangssteg
23: Verbindungssteg
24: Wälzkörpertasche
25: Abgerundeter Tascheneckbereich ohne Freistich
30: Mehrteiliger Radialschieber
30-1: Erster Radialschieberteil
30-2: Zweiter Radialschieberteil
30-3: Dritter Radialschieberteil
34: Zu formende Wälzkörpertasche
35: Hohl- bzw. Zwischenraum nach Entfernung des zweiten Radialschieberteils

Claims

Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Wälzlagerkäfigsegments (20-1; 20-2) für einen Wälzlagerkäfig (20), mit einem ersten und einem zweiten in einem axialen Abstand angeordneten Umfangssteg (21-1; 21-2) und wenigstens einem den ersten und den zweiten Umfangssteg verbindenden Verbindungssteg (23), wobei zwei in Umfangsrichtung benachbart angeordnete Wälzlagerkäfigsegmente des Wälzlagerkäfigs wenigstens eine Wälzkörpertasche (24) zur Aufnahme eines Wälzkörpers bilden, mit folgendem Schritt: Formen des wenigstens einen Wälzlagerkäfigsegments (20-1; 20-2) aus einer Metallpulverspritzgussmasse vermittels eines Metallpulverspritzgießprozesses (MIM = Metal Powder Injection Moulding).
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines hinterschnittfreien Spritzwerkzeugs, das eine Form der wenigstens einen Wälzkörpertasche (24) abbildet; und Einspritzen der Metallpulverspritzgussmasse in das Spritzwerkzeug, um durch den Metallpulverspritzgießprozess wenigstens ein hinterschnittfreies Wälzlagerkäfigsegment (20-1; 20-2) zu erhalten.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei für den Metallpulverspritzgießprozess ein Spritzwerkzeug verwendet wird, bei dem ein eine Wälzkörpertasche formender Radialschieber (30) mehrteilig ausgebildet ist, um eine hinterschnittene Wälzkörpertaschengeometrie herstellen zu können.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallpulverspritzgussmasse einen Eisenbasiswerkstoff, wie beispielsweise eine Stahllegierung, insbesondere 100Cr6, oder einen Nichteisenwerkstoff, wie beispielsweise eine Titanlegierung, insbesondere TiAl6V4, aufweist.
Ein vermittels eines Metallpulverspritzgießprozesses hergestelltes Wälzlagerkäfigsegment (20-1; 20-2) für einen Wälzlagerkäfig (20), mit einem ersten und einem zweiten in einem axialen Abstand angeordneten Umfangssteg (21-1; 21-2) und wenigstens einem den ersten und den zweiten Umfangssteg (21-1; 21-2) verbindenden Verbindungssteg (23), wobei zwei in Umfangsrichtung (12) benachbart angeordnete Wälzlagerkäfigsegmente wenigstens eine Wälzkörpertasche (24) zur Aufnahme eines Wälzkörpers bilden, wobei ein Eckbereich (25) einer Wälzkörpertasche (24) zwischen einem Umfangssteg (21-1; 21-2) und dem Verbindungssteg (25) abgerundet ausgebildet ist und einen Krümmungsradius aufweist, welcher größer ist, als ein Krümmungsradius einer Ecke von einem in der Wälzkörpertasche (24) geführten Wälzkörper.
Das Wälzlagerkäfigsegment (20-1; 20-2) nach Anspruch 5, wobei der Eckbereich (25) der Wälzkörpertasche (24) ohne Freistich im Eckbereich der Wälzkörpertasche zwischen dem Umfangssteg (21-1; 21-2) und dem Verbindungssteg (23) ausgebildet ist.
Das Wälzlagerkäfigsegment nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Wälzkörpertasche (24; 34) hinterschnittfrei ausgebildet ist.
Das Wälzlagerkäfigsegment (20-1; 20-2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Verbindungssteg (23) und/oder ein Umfangssteg (21-1; 21-2) der Wälzkörpertasche (24) an wenigstens einer Seitenfläche eine Entformungsschräge aufweist.
Das Wälzlagerkäfigsegment (20-1; 20-2) nach Anspruch 5, wobei die Entformungsschräge in einem Bereich von 3 bis 5 ° liegt.
Das Wälzlagerkäfigsegment (20-1; 20-2) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Wälzkörpertasche (24) ausgebildet ist, um einen Wälzkörper mit einem Rollendurchmesser von 3 bis 12 mm aufzunehmen, und wobei der zwei benachbarte Wälzkörpertaschen separierende Verbindungssteg (23) eine Wandstärke in einem Bereich von 0,3 bis 0,5 mm aufweist.