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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer halbzylindrischen Gleitlagerschale, insbesondere für ein Kurbelwellenhauptlager oder ein Pleuellager eines Verbrennungsmotors, bei dem eine ebene Platine aus einem Gleitlagerwerkstoff in die halbzylindrische Gleitlagerschale umgeformt wird, so dass eine Gleitfläche auf deren Innenseite ausgebildet wird, und die Gleitfläche anschließend durch spanende Bearbeitung nachbearbeitet wird.
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Gleitlagerschalen der eingangs genannten Art weisen nicht selten eine Gleitfläche auf, die in Umfangsrichtung ein von einer halbzylindrischen Form abweichendes Profil und/oder in axialer Richtung ein nicht geradliniges, insbesondere balliges Profil hat.
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Das ballige Profil in axialer Richtung ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 102 08 118 A1 ausgiebig beschrieben. Es dient in erster Linie zur Vermeidung von so genannten Kantenträgern. Das sind Metall-Metall-Kontakte zwischen der Lagerschale und dem Gegenläufer (Welle), welche bei Belastung an den axialen Enden der Lagerschalen auftreten können, z. B. wenn sich die Welle aufgrund hoher Belastung geringfügig durchbiegt oder die Lagerschale aus demselben Grund elastisch verformt. Solche Kontakte sind grundsätzlich zu vermeiden, da sie Schaden an dem Lager herbeiführen können. In Umfangsrichtung betrachtet treten diese Kantenträger typischerweise im maximal belasteten Abschnitt der Lagerschale, meist deren Scheitelpunkt, auf, weshalb sich das ballige Profil nicht über die gesamte Umfangslänge durchgehend erstrecken muss.
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In der Schrift
DE 102 08 116 A1 ist ein mögliches Verfahren zur Erzeugung eines solchen balligen Profils beschrieben. Hiernach wird die Lagerschale zunächst in einer Form derart elastisch vorgespannt, dass sich ihre Ränder radial einwärts verbiegen. In dieser Form wird die Lagerschale zylindrisch ausgebohrt. Wenn sich die Lagerschale anschließend entspannt, ziehen sich die Ränder wieder in ihre Ausgangsposition zurück und die zylindrisch ausgebohrte Innenoberfläche wird zu einer balligen Oberfläche verformt. Eine andere bekannte Möglichkeit ist es, die Lagerschale mittels eines radial verstellbaren Bohrwerkzeuges auszubohren, das beim Bohren während eines axialen Vorschubes radial nachgeführt wird.
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Die Profilierung in Umfangsrichtung trägt einem anderen Effekt Rechnung. Bekanntermaßen verformt sich das Lager beispielsweise eines Pleuelauges oder eines Hauptlagers aufgrund hoher Belastung unter anderem meist dergestalt, dass es sich senkrecht zur Hauptbelastungsrichtung alternierend elastisch verengt und aufweitet, was zu einer Störung des Schmierölfilms führen kann. Dieses Problem wird bekanntermaßen durch eine exzentrische Bohrung der Lagerschale gelöst, d. h. einer Bohrung, deren Zentrum gegenüber dem Zentrum der Außenmantelfläche der Lagerschale versetzt ist. Nicht selten werden die oberen und unteren Lagerschalen zur Vergleichmäßigung des hydrodynamischen Druckes über die gesamte Umfangslänge sogar mit mehreren unterschiedlichen Exzentrizitäten profiliert. Eine solche Lagerschale und ein Verfahren zu deren Herstellung ist in der Schrift
DE 10 2006 034 736 A1 beschrieben.
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Lagerschalen werden bekanntermaßen aus Bandmaterial gefertigt, aus welchem Platinen ausgestanzt und beispielsweise durch Gesenkpressen oder Rollformen zu halbkreisförmigen Lagerschalen umgeformt werden. Die Profile in Umfangsrichtung werden bekanntermaßen anschließend durch Bohren oder Räumen hergestellt, wobei die unterschiedlichen Bohrungs- oder Räumdurchmesser mittels unterschiedlicher oder verstellbarer Werkzeuge hergestellt werden. Ferner ist bekannt, bei Mehrschichtlagern zuletzt auf der fertig gebohrten Innenseite eine Gleit- oder Einlaufschicht aufzubringen. Diese ist vergleichsweise dünn und ändert den durch Bohren oder Räumen erzeugten Wandverlauf nicht wesentlich.
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Aufgrund ständig steigender Anforderungen in modernen Verbrennungsmotoren haben solche Lagerschalen sehr enge Toleranzen, die sich mit den bekannten Fertigungs- einschließlich Kalibrierverfahren, wie sie beispielsweise aus der
DE 41 20 404 C2 ,
DE 10 2007 029 470 A1 oder der
DE 854 291 B bekannt sind, nur schwer einhalten lassen. Deshalb ist es unerlässlich, jede fertige Lagerschale einzeln zu vermessen und die Lagerschalen in Wanddickenklassen zu unterteilen. Ein gewünschter Innendurchmesser des eingebauten Lagers kann dann sowohl mittels zweier Lagerschalen (Ober- und Unterschale) einer mittleren Wanddicke als auch durch Kombination z. B. einer dickeren Unterschale mit einer dünneren Oberschale oder umgekehrt erzielt werden. Aus logistischen Gründen ist es allerdings meist unerwünscht, Lagerschalen mit unterschiedlichen Dicken zu kombinieren. In diesem Fall können solche Lagerschalen dann nicht mehr verwendet werden und müssen schließlich als Ausschuss verschrottet werden.
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Aus der
DE 34 15 929 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lagerschale aus einem Schichtwerkstoff bekannt, bei dem zunächst rillenförmige Vertiefungen in den Lagerwerkstoff eingeformt und nach anschließendem Aufbringen einer weiteren, weicheren Lagerwerkstoffbeschichtung ein Teil des weicheren Materials in einem Kalibriervorgang mittels einem, ähnlich einer Räumnadel, axial zu der Lagerschale bewegten Kalibrierdorn in die Vertiefungen hinein verdrängt wird. Dieser Vorgang dient der Verbesserung der Gleiteigenschaften und der Verschleißfestigkeit bei hoher Belastung nicht aber einer verbesserten Präzision.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung gattungsgemäßer Lagerschalen bereitzustellen, welches die Präzision der Fertigung erhöht und dabei möglichst kostengünstig in bestehende Fertigungsprozesse integrierbar ist.
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Die Aufgabe wird vorliegend gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Gleitlagerschale in einem Druckumformprozess hinsichtlich ihrer Wandstärke nachkalibriert wird, wobei die Gleitlagerschale in ein Gesenk eingelegt wird und beim Nachkalibrieren ein Stempel in radialer Richtung auf die Gleitfläche der Gleitlagerschale drückt, der sich beim Nachkalibrieren elastisch verformt, indem er eine gekrümmte Kontaktfläche und eine Hohlbohrung aufweist, wobei zwischen der Kontaktfläche und der Hohlbohrung ein Wandabschnitt ausgebildet ist und wobei eine gewünschte Elastizität des Stempels durch den Wanddickenverlauf dieses Wandabschnittes eingestellt wird.
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Bevorzugt wird die Gleitfläche der Gleitlagerschale nach dem Umformen in an sich bekannter Weise zunächst durch spanende Bearbeitung nachbearbeitet und anschließend hinsichtlich ihrer Wandstärke nachkalibriert.
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Nachkalibrieren zum Erreichen einer geforderten Wandstärke ist im Stand der Technik lediglich entweder für das Ausgangsbandmaterial bekannt, vgl.
DE 10 2007 029 470 A1 , oder findet in der Fertigung von Lagerbuchsen oder -hülsen Anwendung. Im ersten Fall wird nicht das Endmaß der fertigen Lagerschale durch Nachkalibrieren eingestellt sondern das des Zwischenerzeugnisses. Im zweiten Fall wird das Endmaß der Buchse erzeugt, indem diese nach dem Rollen oder Biegen entweder durch eine Kalibrierdüse gezogen wird, vgl.
DE 10 2006 041 494 B3 , oder mittels Kalibrierdorn kalibriert wird, der axial durch die Buchse hindurch gedrückt wird, vgl.
DE 197 54 705 A1 . Das Kalibrieren der Buchse ist als Endbearbeitung der Buchse dem spanenden Bearbeiten bei Lagerschalen gleichzusetzen, jedoch im Vergleich dazu wesentlich kostengünstiger. Als „spanende Bearbeitung” wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise das Bohren oder Räumen verstanden.
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Dementgegen sieht die vorliegende Erfindung das Druckumformen oder Nachpressen von Lagerschalen vor, wodurch zumindest Lagerschalen mit zu großer Wanddicke nachträglich auf Sollmaß korrigiert werden können. Das Nachkalibrieren erfolgt bevorzugt in einem Kaltumformprozess.
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Bei Lagerschalen ist das Nachkalibrieren in dieser Form unbekannt und wurde bislang auch nicht in Betracht gezogen, weil diese beispielsweise im Gegensatz zu Buchsen eben spanend nachbearbeitet werden. Das erfindungsgemäße Nachkalibrieren von Lagerschalen hat den Vorteil, dass im günstigsten Fall auf eine spanende Bearbeitung ganz verzichtet werden kann oder zumindest die zuvor ausgeführte spanende Bearbeitung sowohl hinsichtlich ihrer Maßhaltigkeit als auch hinsichtlich ihrer Oberflächengüte grober ausgeführt werden kann, weil etwaige Ungenauigkeiten beim Nachkalibrieren kompensiert werden, und damit der Herstellungsprozess jedenfalls kostengünstiger wird als bisher.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Gleitlagerschale hinsichtlich ihrer Wandstärke zunächst bei der spanenden Bearbeitung auf ein Übermaß von bis zu 60 μm, vorzugsweise von bis zu 25 μm, eingestellt und beim Nachkalibrieren auf ein Sollmaß reduziert.
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Als „Übermaß” wird demnach die Differenz des Istmaßes nach der spanenden Bearbeitung und vor dem Kalibrieren zu dem konstruktionsbedingt vorgegebenen Sollmaß bezeichnet. Diese Weiterbildung trägt dem Umstand Rechnung, dass die Wand der spanend bearbeiteten Lagerschale eine Streuung sowohl in Richtung höherer als auch in Richtung niedrigerer Wandstärke aufweist. Eine gezielte Verschiebung der Wandstärkendicke nach der spanenden Bearbeitung hin zu einem Übermaß in dem angegebenen Bereich stellt sicher, dass keine Lagerschale nach der spanenden Bearbeitung bereits unter dem Sollmaß liegt und deshalb von vornherein Ausschuss bildet. Durch das Nachkalibrieren oder Druckumformen wird die Wanddicke der Lagerschalen mit Übermaß so weit verringert, bis sie im Toleranzbereich des Sollmaßes liegt. Hierdurch kann der Anteil des Ausschusses nochmals deutlich reduziert werden.
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Gesenk und Stempel bilden das Umformwerkzeug, welches näherungsweise oder genau die Form der fertigen Lagerschalenkontur aufweist. Insbesondere kann der die Gleitfläche profilierende Stempel in axialer Richtung gesehen eine konkave Form haben, um die eingangs besprochene Balligkeit zu erzeugen, und/oder in Umfangsrichtung gesehen einen oder mehrere exzentrisch überlagerte Zylinderabschnitte mit unterschiedlichen Radien aufweisen, um die gewünschte Multi-Bohrungs-Kontur zu erzeugen. Auch kann eine solche Multi-Bohrungs-Kontur bereits mit einem einfachen Stempel erzeugt werden, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der umgeformten bzw. spanend bearbeiteten Lagerschale, wobei eine etwaige Verformung des Stempels bei Pressen zu berücksichtigen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung drückt der Stempel beim Nachkalibrieren in radialer Richtung mit Schwerpunkt auf den Scheitelpunkt der Gleitlagerschale hin.
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Anstelle eines starren, sich unter dem Umformdruck nicht oder nur wenig verformenden Umformwerkzeuges ist ein solches vorgesehen, bei dem der Stempel sich beim Nachkalibrieren elastisch verformt. Vorteilhafterweise kann auch das Gesenk sich beim Nachkalibrieren elastisch verformen.
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Die Verformung unter einem gegebenen Umformdruck kann dabei so bemessen sein, dass die Verformung des Stempels und/oder des Gesenks selbst die gewünschte Profilierung der Gleitfläche erzeugen oder zumindest zu deren Erzeugung in Kombination mit einer angepassten Profilierung des Stempels und/oder des Gesenks zusammenwirken.
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Der Stempel weist eine gekrümmte Kontaktfläche und eine Hohlbohrung auf, wobei zwischen der Kontaktfläche und der Hohlbohrung ein Wandabschnitt ausgebildet ist und wobei eine gewünschte Elastizität des Stempels durch den Wanddickenverlauf dieses Wandabschnittes eingestellt wird.
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Als gekrümmte Kontaktfläche wird die Oberfläche des Stempels verstanden, die mit der Gleitfläche der zu kalibrierenden Lagerschale in Berührung kommt und daher eine in Umfangsrichtung im Wesentlichen wenigstens halbzylindrische Fläche bildet. Es ist zu beachten, dass eine Profilform, die etwa von der eines idealen Zylinders bzw. Teilzylinders abweicht, dies lediglich um wenige Mikrometer tut. Die Elastizität des Stempels (oder in komplementärer Betrachtungsweise dessen Steifigkeit) bestimmt dessen Widerstand gegen Verformung unter dem Anpressdruck und damit unter anderem den plastischen Verformungsgrad der Lagerschale und zwar in dieser Ausgestaltung ortsabhängig. So kann die Wanddicke der kalibrierten Lagerschale in Umfangsrichtung ortsabhängig eingestellt werden.
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Unter anderem kann auf diese Weise die Gleitlagerschale beim Nachkalibrieren in Umfangsrichtung mit einem von der Zylinderform abweichenden Profil versehen werden.
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„Von der Zylinderform abweichendes Profil” meint wie vorstehend beschrieben insbesondere ein Profil mit einem oder mehreren exzentrisch überlagerten Bohrungen unterschiedlicher Bohrungsdurchmesser. Anstelle von einem „von der Zylinderform abweichenden Profil” kann man auch von „einem variablen Wanddickenverlauf der Lagerschale” sprechen. Die Wanddicke der Lagerschale oder die radiale Ausdehnung des Werkstoffverbundes der Lagerschale variiert bei angenommener halbzylindrischer Außenkontur derselben, wenn deren Gleitfläche ein von der Zylinderform abweichendes Profil aufweist. Meist ist eine vom Scheitel aus in Richtung der umfänglichen Enden der Lagerschale abnehmende Wanddicke angestrebt. Die Wanddicke ist leichter überprüfbar als Bohrungsdurchmesser, weil Lagerschalen im nicht eingebauten Zustand meist keine exakte halbzylindrische Außenkontur aufweisen, sondern diese erst beim Einbau in eine Gehäusebohrung einnehmen.
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Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Hohlbohrung in axialer Richtung profiliert ist, wodurch der Wandabschnitt des Stempels auch eine in axialer Richtung variierende Wanddicke aufweist und wodurch dessen Elastizität in axialer Richtung variiert.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Wanddicke der zu kalibrierenden Lagerschale auch in axialer Richtung ortsabhängig einzustellen und insbesondere auf einfache Weise ein balliges Profil zu erzeugen.
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Demgemäß sieht das Verfahren vorzugsweise vor, dass die Gleitfläche beim Nachkalibrieren in axialer Richtung mit einer Balligkeit, insbesondere im Scheitelbereich der Gleitlagerschale, versehen wird.
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Die erfindungsgemäß hergestellte Gleitlagerschale findet beispielsweise in einem Kurbelwellenhauptlager oder auch einem Pleuellager eines Verbrennungsmotors Anwendung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Gleitlagerschale auf der Gleitfläche vor dem Nachkalibrieren mit einer Einlaufschicht versehen.
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Form- und Maßungenauigkeiten sind besonders in der Einlaufphase, bevor eine Anpassung der Oberflächentopographien von Welle und Lagerschale stattgefunden haben, kritisch. Nach der Einlaufphase sind das Lager und der Gegenläufer aneinander angepasst. Deshalb spielt das Nachkalibrieren auch bei Lagerschalen mit Einlaufschicht eine wesentliche Rolle. Die Einlaufschicht besteht vorzugsweise aus einem Polymer, besonders bevorzugt aus einem Polymergleitlack. Dieser wird bekanntermaßen nach der spanenden Bearbeitung aufgetragen. Erfindungsgemäß wird er anschließend nachkalibriert. Dabei wirkt sich günstig aus, dass eine solche Einlaufschicht weniger druckfest ist als das darunterliegende Lagermetall oder das darunterliegende Gleitschichtmaterial, so dass sie mit geringerem Druck und deshalb mit geringerem maschinellen Aufwand auf das endgültige Maß gebracht werden kann.
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Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
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1 eine Vorderansicht einer Kalibriervorrichtung;
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2 die Vorrichtung gemäß 1 während des Einsatzes;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer Kalibriervorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Vorderansicht;
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4 die Vorrichtung gemäß 3 während des Einsatzes;
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5 eine Seitenansicht auf die Vorrichtung gemäß 1;
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6 die Seitenansicht auf die Vorrichtung wie in 5 während des Einsatzes;
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7 eine Seitenansicht auf die Vorrichtung gemäß 3 während des Einsatzes;
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8 eine Seitenansicht auf eine zweite Ausführungsform einer Kalibriervorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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9 eine Seitenansicht auf eine dritte Ausführungsform einer Kalibriervorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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10 eine Seitenansicht auf eine vierte Ausführungsform einer Kalibriervorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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11 ein erster Rauigkeitsmessschrieb einer im letzten Arbeitsgang fein spanend bearbeiteten Lagerschalengleitfläche;
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12 ein zweiter Rauigkeitsmessschrieb der Lagerschalengleitfläche gemäß 11 nach dem Nachkalibrieren;
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13 ein dritter Rauigkeitsmessschrieb einer im letzten Arbeitsgang grob spanend bearbeiteten Lagerschalengleitfläche und
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14 ein vierter Rauigkeitsmessschrieb der Lagerschalengleitfläche gemäß 13 nach dem Nachkalibrieren.
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In 1 ist eine Kalibriervorrichtung, nachfolgend auch kurz als Press- oder Präge- oder allgemein Umformwerkzeug genannt, zur Ausführung eines nicht zur Erfindung gehörenden Verfahrens in der Vorderansicht gezeigt. Das Umformwerkzeug weist einen Stempel 10 und ein Gesenk 12 auf, in das eine halbzylindrische Gleitlagerschale 14 zwecks Nachkalibrierung eingelegt ist. Die Gleitlagerschale 14 wird mittels eines auf den Teilflächen 16 aufliegenden Niederhalters 18 in der Bearbeitungsposition im Gesenk 12 fixiert. Der Stempel 10 weist an seinem unteren Ende eine gekrümmte Kontaktfläche 20 auf, mit der er während des Druckumformens an der Gleitfläche 22 auf der Innenseite der Gleitlagerschale 14 anliegt. Allerdings liegt er nicht über die gesamte Umfangslänge der Gleitfläche an, weil der Außendurchmesser des Stempels 20 geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Gleitlagerschale 14, wodurch sich ein Spalt zwischen der Kontaktfläche 20 und der Gleitfläche 22 ausbildet. Dies ist zwecks Illustration hier überzeichnet dargestellt und ist dem Umstand geschuldet, dass der Stempel 10 möglichst reibungsfrei in die Gleitlagerschale 14 eingeführt werden können muss. Die Gleitlagerschale 14 weist ferner entlang ihrer inneren Umfangsfläche nahe den stirnseitigen Teilflächen 16 so genannte Freilegungen 24 auf. Diese sind üblicherweise mittels spanender Bearbeitung erzeugt und dienen zum Ausgleich eines beim Einbau möglicherweise entstehenden radialen Versatzes zweier zusammengebauter Gleitlagerschalen. Die Freilegungen sind im Stand der Technik bekannt.
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In 2 ist das gleiche Umformwerkzeug in der gleichen Ansicht während des Einsatzes gezeigt. Die beim Nachkalibrieren erzeugte Kraftrichtung ist durch den Pfeil 26 markiert. Weil der Stempel 30 in diesem Ausführungsbeispiel massiv ausgeführt ist, verformt er sich während der Druckausübung nur geringfügig. Die in die Gleitfläche 22 der Lagerschale 14 eingeprägte Kontur wird deshalb kaum von der Kontur der Kontaktfläche 20 des Stempels 10 abweichen. Aufgrund des geringfügig geringeren Außendurchmessers des Stempels wird die Gleitlagerfläche in Umfangsrichtung mit einem von der Zylinderform abweichenden Profil auch dann versehen, wenn die Kontaktfläche des Stempels zylindrisch bzw. teilzylindrisch sein sollte. Dies kann zu der eingangs beschriebenen und gewünschten Profilform mit einer oder mehreren exzentrischen „Bohrungen”, unterschiedlicher Radien bzw. mit variierender Wanddicke der Lagerschale führen.
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Bei dem vorliegenden massiven Stempel mit halbkreisförmigem Querschnitt findet in jedem Fall eine Konzentration des resultierenden Druckes auf die Gleitlagerschale 14 im Bereich deren Scheitelpunkts statt. Die Kraftverteilung ist anhand der Kurve 28 unterhalb des Stempels verdeutlicht.
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Durch Veränderung des Spaltes zwischen der Kontaktfläche 20 des Stempels 10 und der Gleitfläche 22 der Lagerschale 14 und/oder durch Abweichung von einer (halb-)zylindrischen Oberfläche kann die Druckverteilung verändert werden, insbesondere auch in ihrer Ausdehnung in Umfangsrichtung.
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Dies gelingt auch mit der Ausführungsform des Umformwerkzeuges zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie in 3 dargestellt, bei dem im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 der Stempel 30 eine Hohlbohrung 32 aufweist. Zwischen dieser Hohlbohrung 32 und der gekrümmten Kontaktfläche 34 des Stempels 30 ist ein Wandabschnitt 36 ausgebildet, dessen Dickenverlauf von der Lage oder Exzentrizität, dem Durchmesser und der Querschnittsform der Hohlbohrung bestimmt ist. Durch Wahl der Lage der Bohrungsachse relativ zu der Mittelachse der gekrümmten Kontaktfläche 34, des Bohrungsdurchmessers relativ zu dem Zylinderdurchmesser des Stempels 30 und eben der Querschnittsform kann ein gewünschter Elastizitätsverlauf respektive Steifigkeitsverlauf des Stempels entlang seiner Umfangsfläche eingestellt werden.
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Im Übrigen weist das Umformwerkzeug wie auch das gemäß 1 ein Gesenk 38 auf, in das eine halbzylindrische Gleitlagerschale 40 mit einer Gleitfläche 42, Teilflächen 44 und Freilegungen 46 zwecks Nachkalibrierung eingelegt ist. Die Gleitlagerschale 40 wird abermals mittels eines auf den Teilflächen 44 aufliegenden Niederhalters 48 in der Bearbeitungsposition fixiert.
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4 zeigt das gleiche Ausführungsbeispiel der Kalibriervorrichtung wie 3 in der Vorderansicht während des Einsatzes. Im Vergleich mit 2 ist hier eine deutliche sichtbare ovale Verformung des Stempels 30 zu erkennen, so dass der zwischen der Kontaktfläche 34 des Stempels 30 und der Gleitfläche 42 der Lagerschale 40 ausgebildete Spalt insgesamt geringer wird und eine andere Form annimmt. Es wird auch in Zusammenhang mit 3 noch einmal darauf hingewiesen, dass die Verformung des Stempels 30 ebenso wie der angedeutete Spalt zur Illustration stark überzeichnet dargestellt sind.
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Ebenso wie in 2 wird anhand einer Kurve 50 unterhalb des Stempels 30 die Druckverteilung während der Aufbringung der Prägekraft in der durch den Pfeil 52 markierten Richtung illustriert. Im Vergleich mit 2 zeigt sich, dass sich der Stempel 30 stärker deformiert und deshalb über eine größere Umfangslänge an die Gleitfläche 42 der Lagerschale 40 anschmiegt. Die Kraft wird deshalb über eine längere Umfangsfläche auf die Gleitfläche 42 übertragen, wobei der Druck im Zentrum abnimmt und an den umfänglichen Enden steigt. Auf diese Weise kann das Profil, mit dem die Gleitfläche beim Nachkalibrieren in Umfangsrichtung versehen wird, variiert werden. Insbesondere ist die elliptische Deformierung für Lagerschalen mit einer vom Scheitel aus in Richtung der Teilflächen 44 bzw. Freilegungen 46 abnehmenden Wanddicke dafür geeignet. Typischerweise wird dieses Profil bereits durch den Bohrprozess vor dem Nachkalibrieren angelegt. Dieser Wanddickenverlauf wird dann durch das Nachkalibrieren beispielsweise nur noch „geglättet” oder geringfügig verändert, bleibt aber als dominierende Kontur erhalten.
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Die 5 und 6 zeigen die Umformvorrichtung aus 1 in der in einer Ebene durch den Scheitelpunkt der Lagerschale 14 geschnittenen Seitenansicht. In dieser einfachen Ausführungsform der Umformvorrichtung weist die Kontaktfläche 20 des Stempels 10 in axialer Richtung betrachtet ein geradliniges Profil auf. Anders gesagt ist die Kontaktfläche 20 zylindrisch oder teilzylindrisch und liegt in axialer Richtung betrachtet auf der vollen Breite auf der Gleitfläche 22 der Lagerschale 14 auf – dies gilt in Umfangsrichtung jedenfalls soweit sich die Kontaktfläche an die Gleitfläche anschmiegt. Hierdurch ergibt sich, während eine vertikale Druckkraft 26 ausgeübt wird, eine in erster Näherung konstante Druckverteilung über die axiale Länge der Lagerschale, wie in 6 anhand der Kurve 28' illustriert. Die Druckverteilung nimmt bei genauerer Betrachtung allerdings schon vor den axialen Enden der Lagerschale ab. Zurückzuführen ist das darauf, dass das Lagerschalenmaterial an den axialen Enden in axialer Richtung ausweichen oder fließen kann, während in der Lagerschalenmitte eine Materialverdrängung nicht möglich ist. Hiermit geht einher, dass die plastischen Verformungen der Lagerschale an den axialen Seiten größer als in der Lagerschalenmitte sind und die nachkalibrierte Lagerschale in axialer Richtung einen konvexen Wandverlauf (Balligkeit) aufweist. Dieser konvexe Wandverlauf kann für einige Anwendungen durchaus erwünscht und von Vorteil sein, wie eingangs beschrieben.
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Korrespondierend mit 6 ist in 7 das Umformwerkzeug aus 3 bzw. 4 in der im Scheitelpunkt der Lagerschale 40 geschnittenen Seitenansicht während des Einsatzes dargestellt. Es wird im Folgenden nur auf die Druckverteilungskurve 50' in axialer Richtung eingegangen. Alle anderen Komponenten sind wie vorstehend erläutert gleichgeblieben. Die Druckverteilungskurve 50' unterscheidet sich vom Profil her kaum von der Druckverteilungskurve 28', was darauf zurückzuführen ist, dass das Profil des Stempels 30 in axialer Richtung auch hier geradlinig verläuft bzw. die Kontaktfläche des Stempels 30 zylindrisch oder zumindest teilzylindrisch ist. Der einzige signifikante Unterschied der Druckverteilung ist, dass der Druck im Scheitelpunkt der Lagerschale 40 absolut geringer ist als im Fall der 6. Dies war bereits anhand des Vergleiches der 2 und 4 erläutert worden und ist auf die Deformierung des Stempels 30 und die damit großflächigere Verteilung der Druckkraft zurückzuführen. Für die Druckverteilung in Axialrichtung gilt das zuvor im Zusammenhang mit 6 Gesagte.
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Das in 8 wiederum als Schnittdarstellung durch den Scheitelpunkt in der Seitenansicht gezeigte Umformwerkzeug weist im Grunde ähnlich dem in 7 gezeigten Beispiel einen Stempel 60 und ein Gesenk 62 auf. Dazwischen ist eine nachzukalibrierende Lagerschale 64 angeordnet, auf deren Gleitfläche 66 die Kontaktfläche 68 des Stempels 60 aufliegt. Auch hier ist die Kontaktfläche 68 des Stempels 60 zylindrisch oder teilzylindrisch ausgebildet, so dass sie – jedenfalls im Scheitelpunkt – vom Beginn des Umformprozesses an in axialer Richtung betrachtet auf der vollen Breite der ebenfalls zylindrischen Gleitfläche 66 der Lagerschale 64 aufliegt.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 weist der Stempel 60 aber eine Hohlbohrung 70 auf, welche nicht durchgehend zylindrisch sondern in axialer Richtung profiliert ist. Die Bohrung 70 weist genauer drei Abschnitte auf: zwei kegelförmige Verjüngungen 72 an den axialen Enden und dazwischen einen zylindrischen Abschnitt 74. In komplementärer Weise ist der Wandabschnitt 76 zwischen der Hohlbohrung 70 und der Kantaktfläche 68 des Stempels 60 zu seinen axialen Enden hin geschwächt. Dies führt zu einer stärkeren elastischen Deformierung des Stempels 60 im Bereich der axialen Enden während des Aufbringens der Andruckkraft 77. Dies wird anhand der Druckverteilungskurve 78 deutlich, welche im Vergleich zur Druckverteilung 50' in 7 in dem Bereich der axialen Enden der Lagerschale 64 ein Maximum in der axialen Mitte aufweist und bereits von dort an zu den beiden axialen Enden hin zunächst langsam und im Randbereich dann stärker abfällt. Diese Druckverteilung hat zur Folge, dass die Lagerschale 64 nach dem Nachkalibrieren an den axialen Rändern eine geringere Verformung aufweisen wird als die Lagerschale 40, welche in dem Werkzeug gemäß 7 nachkalibriert wird.
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Der Vergleich der 7 und 8 illustriert, dass durch Wahl des Querschnittverlaufes der Hohlbohrung 32 bzw. 70 die Verformung der Lagerschale in axialer Richtung beeinflusst werden kann. Insbesondere kann durch diese Maßnahme die Höhe der Konvexität/Konkavität des Wanddickenverlaufs der Lagerschale in axialer Richtung bewusst eingestellt werden.
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Ein anderer Weg zur gezielten Profilierung der Lagerschale in axialer Richtung ist anhand der 9 und 10 illustriert. Anstatt die Verformung der Lagerschale mittels Steifigkeitsänderung des Pressstempels einzustellen, weist dieser eine axiale Profilierung seiner Kontaktfläche auf. In 9 ist der Pressstempel 80 mit einer in axialer Richtung betrachtet zumindest in der Schnittebene durch den Scheitelpunkt konkaven Profilierung versehen, wodurch sich ein komplementärer konvexer Wanddickenverlauf der Lagerschale 84 und eine entsprechende konvexe Gleitfläche 86 derselben nach dem Nachkalibrieren erzeugen lässt. In 10 ist umgekehrt ein Stempel 90 mit einer konvexen Kontaktfläche 98 in der Schnittebene zur Erzeugung einer komplementären konkaven axialen Profilierung der Gleitfläche 96 der Lagerschale 94 gezeigt.
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Es wird auch an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Darstellung in den 9 und 10 bezüglich der axialen Kontur der Stempel 80 und 90 zu Illustrationszwecken stark überzeichnet ist. Tatsächlich weist die Höhe der Profilierung lediglich wenige μm bis 10 μm auf.
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Nicht dargestellt, aber ebenfalls zur Erfindung gehörend sind Ausführungsbeispiele, bei denen Anstelle einer gezielten Einstellung der Elastizität des Stempels das Gesenk elastisch ausgebildet ist, so dass zusammen mit dem Gesenk die Lagerschale beim Nachkalibrieren an den gewünschten Orten elastisch nachgibt und dort, wo sie plastisch deformiert werden soll, einen höheren Widerstand entgegensetzt. Die Einstellung der Elastizität des Gesenks kann in analoger Weise durch Hohlbohrungen oder allgemeiner Hohlräume bzw. einen variierenden Wanddickenverlauf des Gesenks unterhalb der Lagerschale eingestellt werden.
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Alle aufgezeigten Wege zur Profilierung lassen sich zu einem komplexen Umformwerkzeug zur Erzielung eines gewünschten Wanddickenverlaufes der Lagerschale kombinieren.
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In 11 ist ein Rauigkeitsmessschrieb der Gleitfläche einer Lagerschale gezeigt, gemessen in axialer Richtung nach der spanenden Bearbeitung, hier dem Profilfeinbohren, und vor dem Nachkalibrieren. Die axiale Richtung ist die Vorschubrichtung des Bohrwerkzeugs, weshalb ein feines Rillenprofil in dem Messschrieb erkennbar ist. Aufgrund des Feinbohrprozesses ist die Rauigkeit allerdings sehr niedrig. Die in diesem Beispiel gemessenen Rauigkeitswerte betragen: Ra = 0,252 μm, Rz = 1,515 μm und Rt = 2,519 μm.
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Dazu im Vergleich ist eine Rauigkeitsmessung derselben Lagerschale an der gleichen Stelle und in der gleichen Richtung nach dem Nachkalibrieren durchgeführt worden und in 12 abgebildet. Zu sehen ist, dass sich das Rillenprofil weitgehend unverändert abzeichnet. Auch hat die Rauigkeit sich nicht signifikant verändert. Die Werte betragen nach dem Nachkalibrieren: Ra = 0,225 μm, Rz = 1,3 μm und Rt = 1,762 μm.
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Diesem Resultat wird nun ein anderes Ergebnis des erfindungsgemäßen Nachkalibrierens gegenübergestellt. In den 13 und 14 ist wiederum eine Lagerschale nach dem Profilbohren vor und nach dem Nachkalibrieren dargestellt. Allerdings war in diesem Beispiel der axiale Vorschub sehr viel größer, weshalb die bearbeitete Oberfläche vor dem Kalibrieren ein deutlich markanteres Rillenprofil und damit auch eine größere Rauigkeit aufweist. Die aus dem Messschrieb der 13 ermittelten Rauheitswerte betragen: Ra = 0,463 μm, Rz = 2,564 μm und Rt = 3,115 μm.
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Ausgehend hiervon konnte bei einem Nachkalibrieren unter einer Presskraft von 45 t eine signifikante Abnahme der Rauigkeit und zugleich ein nahezu vollständiges Verschwinden des Rillenprofils festgestellt werden. Die Rauheitsmesswerte betrugen nach dem Nachkalibrieren: Ra = 0,226 μm, Rz = 1,447 μm und Rt = 2,014 μm.
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Die Testergebnisse der 11–14 zeigen, dass durch das erfindungsgemäße Nachkalibrieren auch die Oberflächenrauigkeit verringert werden kann. An die Oberflächengüte der Gleitfläche sind beim Zwischenprodukt nach der spanenden Bearbeitung deshalb nicht so hohe Anforderungen zu stellen wie an das Endprodukt, so dass der Schritt der spanenden Bearbeitung schneller und kostengünstiger ausgeführt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stempel
- 12
- Gesenk/Matrize
- 14
- Gleitlagerschale
- 16
- Teilfläche
- 18
- Niederhalter
- 20
- Kontaktfläche
- 22
- Gleitfläche
- 24
- Freilegung
- 26
- Kraftrichtung
- 28, 28'
- Druckverteilung
- 30
- Stempel
- 32
- Hohlbohrung
- 34
- Kontaktfläche
- 36
- Wandabschnitt
- 38
- Gesenk
- 40
- Lagerschale
- 42
- Gleitfläche
- 44
- Teilfläche
- 46
- Freilegung
- 48
- Niederhalter
- 50, 50'
- Druckverteilung
- 52
- Kraftrichtung
- 60
- Stempel
- 62
- Gesenk
- 64
- Lagerschale
- 66
- Gleitfläche
- 68
- Kontaktfläche
- 70
- Hohlbohrung
- 72
- Kegelförmige Verjüngung
- 74
- Zylindrischer Abschnitt
- 76
- Wandabschnitt des Stempels
- 77
- Kraftrichtung
- 78
- Druckverteilung
- 80
- Stempel
- 82
- Gesenk
- 84
- Lagerschale
- 86
- Gleitfläche
- 88
- Kontaktfläche
- 90
- Stempel
- 92
- Gesenk
- 94
- Lagerschale
- 96
- Gleitfläche
- 98
- Kontaktfläche
