DE102012221207A1

DE102012221207A1 - Profilschienenführung

Info

Publication number: DE102012221207A1
Application number: DE102012221207.8A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Rudy; Rainer Kleber; Ralf Moseberg
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-06-05
Also published as: WO2014079436A1

Abstract

Profilschienenführung mit einem Schlitten mit umlaufenden Wälzkörpern oder in Käfigen, insbesondere Flachkäfigen gehaltenen Wälzkörpern sowie einer Profilschiene mit einem Schienengrundkörper mit wenigstens einem Führungsabschnitt, auf dem die Wälzkörper abwälzen, wobei der Schienengrundkörper aus Aluminium besteht, der zumindest im Führungsabschnitt mit einer im Vergleich zu Aluminium härteren Verschleißschutzschicht belegt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Profilschienenführung mit einem Schlitten mit umlaufenden Wälzkörpern oder in Käfigen, insbesondere Flachkäfigen gehaltenen Wälzkörpern sowie einer Profilschiene mit einem Schienengrundkörper mit wenigstens einem Führungsabschnitt, auf dem die Wälzkörper abwälzen.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Profilschienenführungen, oft auch Linearführungen genannt, erlauben eine präzise Positionierung des auf der Profilschiene geführten Schlittens und damit auch des am Schlitten angeordneten Arbeitselements, z.B. eines Werkzeugs oder dergleichen. Die Profilschienen bestehen in der Regel aus gehärtetem Stahl. Der Wälzkontakt ist für hohe Flächenpressungen bis 4000 MPa ausgelegt. Die höchsten Vergleichsspannungen treten dabei unter der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 0,2 mm auf. Aus diesem Grund sind diese Oberflächen immer bis zu wenigstens dieser Tiefe gehärtet. Die Wälzoberfläche wird jedoch in der Regel nicht nur durch diese sogenannten Hertzschen Spannungen belastet, sondern auch durch Schubspannungen in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche. Diese resultieren aus der Kontaktreibung zwischen dem Wälzkörper und der Laufbahnoberfläche. Ursache hierfür sind unterschiedliche Abwälzradien und damit Umfangsgeschwindigkeiten sowie Bohrbewegungen. Diese Reibung zwischen den Wälzpartnern sorgt für Verschleiß.
Die Randschichthärtung erfolgt in der Regel durch thermische Härteverfahren, die sehr aufwändig sind, gegebenenfalls verbunden mit einer anschließenden mechanischen Bearbeitung zum Richten der gehärteten Schiene. Da wie beschrieben derartige Profilschienen aus Stahl sind, sind sie auch vergleichsweise schwer, was für diverse Anwendungen, insbesondere bei Verwendung solcher Profilschienen bei kleinbauenden Linearführungsanordnungen mit geringer Belastung nachteilig ist. Insbesondere in solchen Anwendungsfällen, wo die Schiene respektive die Wälzkontakte nur niedrig belastet sind, sind derart hohe Belastbarkeiten, wie sie eine Stahlschiene, insbesondere eine gehärtete Stahlschiene, bieten, letztlich auch nicht erforderlich.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Profilschienenführung, insbesondere als klein- und kleinstbauende Profilschienenführung, anzugeben, deren Profilschiene einfach herzustellen ist und vergleichsweise geringes Gewicht aufweist.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Profilschienenführung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Schienengrundkörper aus Aluminium besteht, der zumindest im Führungsabschnitt mit einer im Vergleich zu Aluminium härteren Verschleißschutzschicht belegt ist.
Die erfindungsgemäße vorgesehene Profilschiene ist also, was den Schienengrundkörper angeht, aus Aluminium, mithin also aus einem sehr leichten Material, das eine hinreichende Grundstabilität besitzt. Der Schienengrundkörper aus Aluminium kann auf einfache Weise durch Ziehen hergestellt werden und durch Kalibrieren im Laufbahnbereich auf Maß umgeformt werden. Aluminium selbst ist als Wälzpartner jedoch nicht geeignet. Aus diesem Grund wird zumindest im Bereich des Führungsabschnitt, auf dem also die Wälzkörper abwälzen, der folglich belastet wird, eine Verschleißschutzschicht aufgebracht, die härter ist als das den Schienengrundkörper bildende Aluminium. Auf dieser Verschleißschutzschicht, die sehr hart, verschleißfest und hinreichend duktil ist, wälzen die Wälzkörper ab. Über diese Verschleißschutzschicht wird eine hinreichende Festigkeit der Wälzfläche erreicht, die zumindest für niedrig belastete Wälzkontakte ausreichend ist, mithin also den Einsatz der erfindungsgemäßen Profilschiene in kleinbauenden und geringer belasteten Linearführungsanordnungen ermöglicht. Damit entfällt das aufwändige Härten und anschließende Richten, wie es bei den im Stand der Technik bekannten Stahlschienen der Fall ist. Auch ist das Gewicht beachtlich gering, nachdem Aluminium im Vergleich zu Stahl wesentlich leichter ist. Gleichwohl weist die erfindungsgemäße Profilschiene die hinreichende Stabilität und Festigkeit im Wälzbereich auf.
Folglich ist die erfindungsgemäße Profilschiene einerseits hinreichend belastbar in Bezug auf Anwendungen mit niedrig belasteten Wälzkontakten, die Herstellung ist, verglichen mit Stahlschienen wesentlich einfacher, da insbesondere der aufwändige thermische Härtevorgang entfällt, wie die Schiene auch beachtliches geringes Gewicht aufweist.
Hinsichtlich des die Verschleißschutzschicht bildenden Materials sind unterschiedliche Ansätze möglich. Gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung kann die Verschleißschutzschicht eine Chromschicht sein, wobei bevorzugt eine Chromschicht mit einer kolumnaren Struktur aufgebracht wird. Für eine solche kolumnare Struktur ist die Ausbildung von säulenartig gestapelter Mesogene kennzeichnend. Die kolumnare Chromschicht wird galvanisch aufgebracht und zeigt hervorragende mechanische Eigenschaften, ist also äußerst verschleißbeständig wie auch korrosionsfest. Sie wird bevorzugt mit einer Dicke von 3–10 µm aufgebracht, ist also eine Dünnschichtverchromung, wobei die Schichtdicke natürlich auch zu höheren oder niedrigeren Werten variieren kann. Bei Bedarf ist auch ein zusätzlicher Überzug mit einer Chrommischoxidschicht möglich, um die Korrosionsbeständigkeit noch weiter zu verbessern, wenn dies anwendungsbedingt erforderlich ist. Beispielsweise kann eine Chrom-Nickel-Schicht überzogen werden.
Alternativ zur Verwendung einer Chromschicht, insbesondere einer kolumnaren Chromschicht (denkbar ist natürlich auch eine Hartchromschicht), kann die Verschleißschutzschicht auch aus chemisch Nickel sein. Bei dieser Beschichtung handelt es sich um eine Nickel-Phosphor-Legierung, die gerade in funktionellen Bereichen, mithin also auch wälzbelasteten Bereichen, verwendet werden kann. Diese Schicht aus chemisch Nickel weist ebenfalls sehr gute mechanische Werte auf, wobei die Schichthärte mit abnehmendem Phosphorgehalt steigt. Sie ist auch in gewissem Umfang korrosionsfest, wobei die Korrosionsfestigkeit mit zunehmendem Phosphorgehalt ebenfalls zunimmt. Die Schichteigenschaften können also über den Phosphorgehalt gesteuert werden. Die Schichtdicke selbst liegt je nach Bedarf wiederum im Bereich weniger Mikrometer, beispielsweise wiederum im Bereich zwischen 3–10 µm, wobei auch diese Schichtdickenwerte nur beispielhaft sind.
Die Nickelschicht kann des Weiteren Kobalt und/oder Polymerpartikel enthalten, um die Schichteigenschaften noch weiter zu variieren.
Eine dritte Schichtalternative sieht vor, die Schicht auf Keramikbasis auszuführen. Denkbar sind hier nahezu alle keramisch basierten Schichtarten, die sich vorzugsweise aus der Gasphase, wie beispielsweise durch CVD, oder Flammoder Plasmaspritzen abscheiden lassen. Zu nennen sind Metalloxidschichten, vorzugsweise aus Al₂O₃, aber auch Schichten aus Metallkarbiden wie Titankarbid oder Chromkarbid.
Zweckmäßigerweise wird auf die Verschleißschutzschicht eine Gleitschicht aufgebracht, vornehmlich eine Gleitlackschicht, um die Laufeigenschaften der Wälzkörper noch weiter zu verbessern.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßverwendeten Profilschiene, und
2 eine vergrößerte Detailansicht des Bereichs II aus 1 im Schnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine erfindungsgemäße verwendete Profilschiene 1, umfassend einen Schienengrundkörper 2, an dem im gezeigten Ausführungsbeispiel über seine Länge verteilt mehrere Schraubendurchbrechungen 3 zur Befestigung der Profilschiene 1 an einem Träger vorgesehen sind. Der Schlitten der die Profilschiene 1 umfassenden erfindungsgemäßen Profilschienenführung ist der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
An den beiden Stirnseiten des Schienengrundkörpers sind zwei Führungsabschnitte 4 in Form von im Querschnitt V-förmigen Nuten 5 ausgebildet. Der Schienengrundkörper 2 ist aus Aluminium, was es ermöglicht, den Schienengrundkörper 2 komplett in der entsprechenden Querschnittsgeometrie einschließlich der bereits ausgebildeten Nuten 5 durch Ziehen herzustellen. Er ist anschließend lediglich noch im Bereich der Führungsabschnitte 4 zu kalibrieren.
Die Führungsabschnitte 4 respektive die Nuten 5 dienen als Wälzflächen für Wälzkörper 6, von denen exemplarisch einer in Form der gestrichelten Kugel im Bereich der linken Nut 5 dargestellt ist. Die Wälzkörper 6 sind innerhalb einer Linearführungsanordnung umfassend eine solche Profilschiene 1 in der Regel käfiggeführt oder umlaufend als Kugelketten ausgelegt und in der Regel an einem längs der Profilschiene laufenden Führungsbauteil wie beispielsweise einem Schlitten angeordnet. Sie wälzen auf entsprechenden Kontaktflächen der Nuten 5 ab.
Wie ausgeführt ist der Schienengrundkörper 2 aus Aluminium, also einem leichten, jedoch nicht allzu sehr und insbesondere nicht unmittelbar durch Wälzen belastbaren Material. Um die Nuten 5 dennoch ausreichend belastbar auszulegen ist, siehe die vergrößerte Darstellung gemäß 2, jede Nut 5 mit einer Verschleißschutzschicht 7 belegt. Bei dieser Verschleißschutzschicht kann es sich um eine Chromschicht, vorzugsweise eine kolumnare Chromschicht, um eine Schicht aus chemisch Nickel, gegebenenfalls mit Kobaltund/oder Polymerpartikeleinlagerung, oder um eine Schicht auf Keramikbasis wie beispielsweise eine Al₂O₃-Schicht handeln. Je nachdem, woraus die Verschleißschicht 7 ist, erfolgt die Abscheidung der Schicht 7 in einem geeigneten Verfahren, beispielsweise galvanisch im Falle der metallbasierten Schichten oder aus der Gasphase oder durch Flamm- oder Plasmaspritzen im Falle der Keramikschichten.
Über diese Verschleißschutzschicht 7, die mit einer Dicke von mehreren Mikrometern aufgebracht wird, wird eine hinreichende Festigkeit im Bereich der Wälzkontakte der Wälzkörper zum Schienenbauteil 1 erreicht.
Wie 2 ferner zeigt, ist die Verschleißschutzschicht 7 noch mit einer dünnen Gleitschicht 8, vorzugsweise aus einem Gleitlack, belegt. Der Gleitlack bildet einen nur wenige Mikrometer dicken, fest auf der Verschleißschutzschicht 7 haftenden, trockenen Schmierfilm, der reibungs- und verschleißmindern wirkt, also eine Trenn- und Schmierschicht zwischen den aufeinander wälzenden Elementen bildet.
Die erfindungsgemäße verwendete Profilschiene 1 ist aufgrund ihres geringen Gewichts insbesondere zur Verwendung innerhalb niedrig belasteter Linearführungsanordnungen geeignet, insbesondere klein- und kleinstbauenden Linearführungsanordnungen, wie sie beispielsweise im Bereich der Medizintechnik oder in der Produktronik, wo häufig Stellaufgaben mit sehr kleinen Hüben bei geringer Last abzuarbeiten sind, vorgesehen sind.
Bezugszeichenliste

1: Profilschiene
2: Schienengrundkörper
3: Schraubendurchbrechungen
4: Führungsabschnitte
5: Nuten
6: Wälzkörper
7: Verschleißschutzschicht
8: Gleitschicht

Claims

Profilschienenführung mit einem Schlitten mit umlaufenden Wälzkörpern oder in Käfigen, insbesondere Flachkäfigen gehaltenen Wälzkörpern sowie einer Profilschiene mit einem Schienengrundkörper mit wenigstens einem Führungsabschnitt, auf dem die Wälzkörper abwälzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schienengrundkörper (2) aus Aluminium besteht, der zumindest im Führungsabschnitt (4) mit einer im Vergleich zu Aluminium härteren Verschleißschutzschicht (7) belegt ist.
Profilschienenführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7) eine Chromschicht ist.
Profilschienenführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromschicht eine kolumnare Struktur aufweist.
Profilschienenführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7) aus chemisch Nickel ist.
Profilschienenführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht Cobalt und/oder Polymerpartikel enthält.
Profilschienenführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7) eine Schicht auf Keramikbasis ist.
Profilschienenführung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (7) aus Al₂O₃ ist.
Profilschienenführung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Verschleißschutzschicht (7) eine Gleitschicht (8) aufgebracht ist.
Profilschienenführung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (8) eine Gleitlackschicht ist.