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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Führungsschiene gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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In der
DE 10 2008 008 632 A1 wird als Stand der Technik ein Verfahren zur Herstellung von Führungsschienen für ein Linearwälzlager beschrieben. Dabei wird ein Rohling zuerst warmgewalzt, so dass er durch plastische Verformung eine Querschnittsform erhält, welche der endgültigen Querschnittsform der Führungsschiene nahe kommt. Typischerweise besteht dieser Rohling aus einem härtbaren Stahl, so dass die Laufflächen der fertigen Führungsschiene eine genügend große Härte aufweisen. Der Rohling wird nach dem Warmwalzen so wärmebehandelt, dass er nicht ausgehärtet ist, damit die weiteren Herstellungsschritte durchgeführt werden können. Diese Herstellungsschritte umfassen einen Kaltziehprozess, bei dem die Querschnittsform des Rohlings durch plastische Verformung bei Raumtemperatur so verändert wird, dass sie der endgültigen Querschnittsform der Führungsschiene bis auf ein wirtschaftliches Schleifaufmaß nahe kommt. Der kaltgezogene Rohling wird typischerweise randschichtgehärtet, indem seine Randzonen mittels einer induktiven Erwärmungsvorrichtung auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt werden, wobei sie anschließend abgeschreckt werden, so dass ein Martensitgefüge entsteht. Der gehärtete Rohling wird daraufhin geschliffen, um die fertige Führungsschiene zu erhalten.
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das vorgeschlagene Herstellungsverfahren kostengünstiger ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Führungsschienen für ein Linearwälzlager vorgeschlagen, wobei ein Strangmaterial aus Stahl bereitgestellt wird, welches eine konstante Ausgangsquerschnittsform aufweist, wobei es eine Länge von wenigstens 10 m aufweist, wobei es zumindest bereichsweise härtbar ist, wobei das Strangmaterial mit einer konstanten Transportgeschwindigkeit nacheinander durch eine Erwärmungsvorrichtung und eine Walzvorrichtung hindurchgeführt wird, wobei das Strangmaterial in der Erwärmungsvorrichtung auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt wird, bei der Austenitgefüge im Stahl vorliegt, wobei das Strangmaterial in der Walzvorrichtung plastisch verformt wird, wobei die Temperatur des Strangmaterials bis zum Ende der Walzvorrichtung so hoch ist, dass Austenitgefüge vorliegt, wobei das Strangmaterial, unmittelbar nachdem es die Walzvorrichtung durchlaufen hat, so abgekühlt wird, dass in dessen härtbaren Bereichen Martensitgefüge entsteht, wobei das Strangmaterial anschließend geschliffen wird, um die fertige Führungsschiene zu erhalten, wobei zwischen der genannten plastischen Umformung und dem genannten Schleifen keine weitere formändernde Bearbeitung an den geschliffenen Oberflächen der Führungsschiene stattfindet. Im Unterschied zum Stand der Technik wird das Strangmaterial also bereits unmittelbar nach dem Warmwalzen gehärtet, wobei die zum Warmwalzen erforderliche Wärme ausgenutzt wird. Der Prozessschritt des Kaltziehens entfällt vollständig.
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Als Stahl kommen vorzugsweise härtbare Stähle wie beispielsweise C45E oder 56 NiCrMoV 7 zum Einsatz. Es ist aber auch denkbar, Einsatzsatzstähle zu verwenden, welche ausschließlich im aufgekohlten Oberflächenbereich härtbar sind. Die Stahlsorte ist vorzugsweise so gewählt, dass nach der Wärmebehandlung phasenreines martensitisches Gefüge vorliegt. Das genannte Gefüge soll vorzugsweise feinnadelig und ohne Grobkornbildung und weiter ohne Rissnetzwerke sein.
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Soweit von einem Strangmaterial mit einer Länge von wenigstens 10 m die Rede ist, soll hierunter insbesondere ein Strangmaterial verstanden werden, welches in einem vorausgehenden Verfahrensschritt ununterbrochen hergestellt wird. Man spricht auch von einem endlosen Strangmaterial, wobei klar ist, dass die Länge dieses Strangmaterials durch die endliche Laufzeit des genannten vorausgehenden Verfahrensschritts begrenzt ist.
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Die vorgeschlagene Abkühlung kann je nach verwendeter Stahlsorte durch ungeregelte Abkühlung an der Umgebungsluft oder durch eine geregelte Abkühlung, insbesondere unter Verwendung einer Kühlvorrichtung geschehen. Durch die bevorzugte geregelte Abkühlung kann dabei der Temperaturverlauf beim Abkühlen so eingestellt werden, dass bei der Martensitbildung ein möglichst geringer Verzug des Strangmaterials entsteht.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Das bereitgestellte Strangmaterial kann eine kreisförmige Ausgangsquerschnittsform mit einem Durchmesser zwischen 20 mm und 90 mm aufweisen. Vorzugsweise ist daran gedacht, einen warmgewalzten Draht als Strangmaterial zu verwenden. Höchst vorzugsweise ist die Oberfläche des genannten Drahtes Span abhebend bearbeitet, insbesondere mittels Schälen und/oder Schleifen. Hierdurch werden die Bereiche des bereitgestellten Strangmaterials entfernt, welche nach dem Warmwalzen Oberflächenfehler enthalten können oder deren Kohlenstoffgehalt in unerwünschter Weise verändert, insbesondere reduziert ist.
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Es kann ein ununterbrochenes Strangmaterial bereitgestellt werden, indem fortlaufend endliche Stücke eines Strangmaterials an den Enden miteinander verschweißt werden. Vorzugsweise ist daran gedacht, dass die genannten endlichen Stücke auf Spulen bzw. Coils aufgewickelt bereitgestellt werden, wobei sie vor dem Verschweißen von den Spulen abgewickelt und in eine gerade Form gebogen werden. Die hierbei entstehenden Materialspannungen werden durch die später erfolgende Erwärmung auf die Austenitisierungstemperatur und dem damit einhergehenden Rekristallisierungsvorgang beseitigt.
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Die entsprechenden Schweißstellen können vor dem Schleifen aus dem Strangmaterial herausgeschnitten werden, wobei sie nicht zur Herstellung einer Führungsschiene verwendet werden. Im Bereich der Schweißstellen muss mit einer verminderten Qualität der fertigen Führungsschiene gerechnet werden, weshalb diese Stücke von vorne herein verworfen werden, wobei das Stahlmaterial vorzugsweise wiederverwertet wird. Vorzugsweise ist daran gedacht, die Abstände der Schweißstellen so zu wählen, dass sie geringfügig größer als ein ganzzahliges Vielfaches der Länge der Stücke des Strangmaterials sind, die am Ende des vorgeschlagenen Verfahrens in einem Arbeitsgang geschliffen werden.
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In der Erwärmungsvorrichtung können eine magnetische Erwärmung und/oder eine Induktionserwärmung und/oder eine konduktive Erwärmung des Strangmaterials stattfinden. Die Induktionserwärmung findet vorzugsweise frequenzgeregelt statt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine magnetische Erwärmung mit einer anschließenden niederfrequenten Induktionserwärmung kombiniert. Alle vorgeschlagenen Erwärmungsarten haben gemeinsam, dass die Erwärmung sehr schnell vor sich geht. Hierbei ist anzumerken, dass die Zeit, in der das Strangmaterial vom Anfang der Erwärmungsvorrichtung bis zum Ende der Walzvorrichtung transportiert wird, prinzipbedingt sehr kurz ist. Das Strangmaterial weist also nur über einen sehr kurzen Zeitraum die hohe Austenitisierungstemperatur auf. Dementsprechend ist der Zeitraum, in dem der Kohlstoff in oberflächennahen Schichten des Strangmaterials mit der Umgebungsluft chemisch reagieren kann, sehr kurz. Es kommt daher allenfalls zu sehr geringen Abkohlungen. Durch Verwendung einer Schutzgasatmosphäre im Bereich der Erwärmungs- und/oder der Walzvorrichtung können unerwünschte Veränderungen der Oberfläche des Strangmaterials auf ein Mindestmaß reduziert werden.
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Die Erwärmungsvorrichtung kann das Strangmaterial über seinen gesamten Querschnitt auf eine Temperatur erwärmen, welche mindestens gleich der genannten Austenitisierungstemperatur ist. Dementsprechend entstehen in der Walzvorrichtung geringe Materialspannungen im Strangmaterial. Ein Verzug des Strangmaterials ist nicht zu befürchten. Es ist anzumerken, dass das Strangmaterial beim induktiven Erwärmen im Rahmen des konventionellen Herstellungsverfahrens nur an der Oberfläche auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt wird.
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Das Strangmaterial wird in der Erwärmungsvorrichtung vorzugsweise höchstens auf 2/3 seiner Schmelztemperatur erwärmt. Hierdurch kann in der Walzvorrichtung eine sehr genaue Querschnittsform des Strangmaterials hergestellt werden. Es ist anzumerken, dass die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens steigt, wenn im Rahmen des abschließenden Schleifens des Strangmaterials nur ein sehr geringer Materialabtrag erfolgt. Dementsprechend ist es bevorzugt, wenn in der Walzvorrichtung eine sehr genaue Querschnittsform der Führungsschiene hergestellt wird, welche sehr nahe an der gewünschten Endform der Führungsschiene liegt.
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Die Walzvorrichtung kann mehrere Walzgerüste aufweisen. Vorzugsweise wird die gesamte erforderliche plastische Verformung gleichmäßig auf viele Walzgerüste aufgeteilt, damit in jedem Walzgerüst nur eine sehr kleine plastische Verformung erfolgt, welche im Gegenzug sehr genau ausgeführt werden kann. Vorzugsweise findet an dem in Transportrichtung letzten Walzgerüst eine plastische Verformung statt, welche kleiner ist, vorzugsweise deutlich kleiner ist, als die plastische Verformung am in Transportrichtung ersten Walzgerüst. Die einzelnen Walzgerüste haben vorzugsweise jeweils einen gesonderten Antrieb der drehzahlgeregelt ist. Höchst vorzugsweise umfasst der Antrieb einen Elektromotor, insbesondere einen Synchronmotor. Bei der Drehzahlregelung der Antriebe wird vorzugsweise die Kraft berücksichtigt, vorzugsweise als Regelgröße, welche auf das Strangmaterial in Transportrichtung wirkt. Vorzugsweise wird das Strangmaterial unter Zugspannung gesetzt. Die genannte Kraft wird vorzugsweise unter Berücksichtigung der Antriebsdrehmomente der Antriebe und/oder der Antriebsströme der Elektromotoren berechnet.
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Das Schleifaufmaß, welches beim Schleifen des Strangmaterials abgetragen wird, beträgt vorzugsweise höchstens 0,5 mm.
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Das bereitgestellte Strangmaterial kann an der Oberfläche einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweisen als im Inneren. Dieser Materialzustand wird vorzugsweise erreicht, indem das Strangmaterial aufgekohlt wird. D.h. es wird vorzugsweise in eine kohlenstoffhaltige Umgebung, insbesondere in Kohlenstoffpulver, eingeschlossen und dort wärmebehandelt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
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1 eine grobschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs;
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2 einen Querschnitt des gewalzten Strangmaterials; und
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3 ein kontinuierliches Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild des Stahls 56 NiCRMoV 7.
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1 zeigt eine grobschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs. Das Verfahren beginnt, indem ein Strangmaterial 12 bereitgestellt wird, welches vorzugsweise eine kreisrunde Ausgangsquerschnittsform 13 mit einem Durchmesser zwischen 20 mm und 90 mm aufweist. Das Strangmaterial 12 wird zuerst durch eine Erwärmungsvorrichtung 15 geführt, die beispielhaft induktiv arbeitet. Die entsprechende elektrische Spule umgibt das Strangmaterial 12 schraubenförmig. Sie wird mit einem elektrischen Wechselstrom gespeist, der in dem Strangmaterial 12 Wirbelströme induziert. Der Ohmsche Widerstand des Strangmaterials 12 in Verbindung mit den genannten Wirbelströmen führt zu einer raschen Erwärmung des Strangmaterials. Die Verteilung der Wirbelströme und damit die Temperaturverteilung kann mit der Frequenz des eingespeisten Wechselstroms und der Form der Induktionsspulen beeinflusst werden. Bei hohen Frequenzen findet die Erwärmung vorwiegend an der Oberfläche des Strangmaterials 12 statt. Vorzugsweise wird das Strangmaterial 12 über seinen gesamten Querschnitt auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt, so dass über den gesamt Querschnitt gut plastisch verformbares Austenitgefüge vorliegt.
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Anschließend wird das Strangmaterial 12 durch eine Walzvorrichtung 16 geführt. Entgegen der Darstellung sind tatsächlich mehrere Walzgerüste vorhanden, die in Transportrichtung 10 hintereinander angeordnet sind, wobei sie jeweils eine geringe plastische Verformung an dem Strangmaterial 12 hervorrufen. Die Walzen der einzelnen Walzgerüste können das Strangmaterial 12 von unterschiedlichen Seiten her bearbeiten. Es kann beispielsweise daran gedacht sein, dass ein Walzgerüst nur die Seitenflächen 21 bearbeitet, wobei ein unmittelbar folgendes Walzgerüst nur die Kopf- und die Fußfläche 22; 23 bearbeitet. Insbesondere im bezüglich der Transportrichtung 10 letzten Walzgerüst kann daran gedacht sein, dass insgesamt mindestens vier Walzen gleichzeitig auf das Strangmaterial 12 einwirken, wobei sie an den zugeordneten vier Seiten 21; 22; 23 jeweils nur eine geringe plastische Verformung hervorrufen. Am Ende der Walzvorrichtung weist das Strangmaterial 12 die mit der Nr. 14 gekennzeichnete Querschnittsform auf, die bis auf ein geringes Schleifaufmaß von beispielsweise 0,3 mm mit der endgültigen Querschnittsform nach dem Schleifen 20 übereinstimmt.
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Nach der Walzvorrichtung 16 wird das Strangmaterial 12 durch eine Kühlvorrichtung 17 geführt. Die Kühlvorrichtung 17 kann beispielsweise eine Vielzahl von Sprühdüsen 18 aufweisen, welche ringförmig verteilt um das Strangmaterial 12 angeordnet sind. Über die Sprühdüsen 18 kann das Strangmaterial 12 beispielsweise mit Wasser oder Öl besprüht werden, um es abzukühlen. Dabei kann daran gedacht sein, dass das Strangmaterial 12 am Ende der Kühlvorrichtung 17 eine Temperatur aufweist, welche noch erheblich über der Raumtemperatur liegt, wobei das abschließende Abkühlen auf Raumtemperatur in dem Zeitraum stattfindet, in dem die abgeschnittenen Führungsschienen 12 vor dem Schleifen zwischengelagert werden.
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An die Kühlvorrichtung schließt sich eine Trennvorrichtung 19 an, die beispielsweise eine schnell drehende Trennschleifscheibe, deren Drehachse 27 parallel zum Strangmaterial 12 bzw. zur Transportrichtung 10 ausgerichtet ist. Mit der Trennvorrichtung 19 werden endliche Stücke von dem Strangmaterial 12 abgeschnitten, die gut in einer Schleifmaschine bearbeitet werden können. Typischerweise sind diese Stücke 6 m lang.
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Nach dem Abschneiden werden die Strangmaterialstücke auf mehreren verschiedenen Schleifmaschinen bzw. Schleifvorrichtungen geschliffen. Die Anzahl der Schleifmaschinen ist dabei so gewählt, dass das Verfahren kontinuierlich ablaufen kann, ohne dass sich nach der Trennvorrichtung 19 unbearbeitete Strangmaterialstücke ansammeln und ohne dass einzelne Schleifmaschinen ungenutzt bleiben. In 1 sind die genannten Schleifmaschinen durch zwei Profilschleifscheiben 20 vereinfacht dargestellt.
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2 zeigt einen Querschnitt 14 des gewalzten Strangmaterials 12. Die Querschnittsform 14 ist bezüglich einer Symmetrieebene 25 spielgelsymmetrisch ausgeführt. Die Kopffläche 22 ist nach dem Walzen noch leicht konvex gekrümmt, wobei sie beim Schleifen eben geschliffen wird. An den beiden Seitenflächen 21 befinden sich je zwei Laufbahnen 24 für Wälzkörper. Bei der fertigen Führungsschiene kommt es vor allem darauf an, dass diese Laufbahnen 24 gehärtet sind, damit das entsprechende Linearwälzlager eine hohe Lebensdauer aufweist. Vorliegend sind konkave gekrümmte Laufbahnen 24 für kugelförmige Wälzkörper gezeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber ebenso für ebene Laufbahnen für kreiszylindrische Wälzkörper anwendbar. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können prinzipiell beliebig viele Laufbahnen 24 hergestellt werden. Im Rahmen des abschließenden Schleifens werden insbesondere die Laufbahnen 24 mit sehr hoher Genauigkeit bearbeitet, damit das fertige Linearwälzlager eine hohe Führungsgenauigkeit aufweist.
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Hinzuweisen ist noch auf die Auflagebereiche 26 an der Fußfläche 23 der Führungsschiene. Mit den Auflagebereichen 26 liegt die Führungsschiene im eingebauten Zustand an einer übergeordneten Baugruppe an. Wie ersichtlich sind die Auflageflächen 26 nach dem Walzen nicht vollkommen eben. Auch diese Unebenheit wird im Rahmen des abschließenden Schleifvorgangs beseitigt.
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3 zeigt ein kontinuierliches Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild des Stahls 56 NiCRMoV 7, der rein beispielhaft für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In der Horizontalen ist die Abkühldauer t in Sekunden logarithmisch aufgetragen. In der Vertikalen ist die Temperatur T des Strangmaterials in °C aufgetragen. In das Diagramm sind zwei typische Abkühlungskurven 31; 32 eingetragen, welche sich ergeben, wenn man das Strangmaterial mit unterschiedlicher Intensität kühlt. Die Abkühlungskurven 31; 32 sind jeweils durch eine Abkühlungszeit t8/5 gekennzeichnet, welche die Zeitdauer in Sekunden angibt, in der die Temperatur von 800 °C auf 500 °C fällt. Weiter ist die Martensitlinie 30 eingezeichnet, die vorliegend bei 245 °C liegt. Diese Linie 30 trennt das mit A gekennzeichnet Gebiet, in dem Austenitgefüge vorliegt, von dem mit M gekennzeichneten Gebiet, in dem Martensitgefüge vorliegt.
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In der Prozessführung des Abkühlvorgangs ist vorzugsweise darauf zu achten, keine zu langsame Abkühlung unterhalb der Martensitlinie 30 erfolgt, damit sich möglichst keine Karbidausscheidungen ausbilden. Dieser Selbstanlass-Effekt würde eine Härteabnahme bewirken und begünstigt in Wechselwirkung mit Mikroeigenspannungen im Gefüge die Ausbildung von Mikrorissen.
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Die Abkühlung oberhalb der Martensitlinie 30 ist von weniger entscheidender Bedeutung, da wie am Beispiel 58 NiCrMoV 7 gezeigt, der Kohlenstoff im unterkühlten Martensit gelöst bleibt.
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Nach dem Austenitisieren bei 860° C, wird durch t8/5 = 7.5 Sek. Martensit mit einer Härte von 770HV erzielt (erste Abkühlungskurve 31). Nach einer Haltedauer von 400 Sek. kurz oberhalb der Martensitlinie 30 und weiterer Abkühlung wie gemäß der ersten Abkühlungskurve 31 stellt sich eine Härte wie in der ersten Abkühlungsline 31 ein. Der letztgenannte Abkühlungsvorgang ist mit der dritten Abkühlungslinie 33 dargestellt. Die optisch ungleich erscheinendeN erste und dritte Abkühlungskurven 31; 33 in 3 sind dem logarithmischen Maßstab geschuldet. Die Abkühlung mit t8/5 = 153 Sek. entsprechend der zweiten Abkühlungskurve 32 führt zu geringerer Härte. Wird nun die Abkühlung ab 280° C entsprechend DER dritten Abkühlungskurve 33 beschleunigt, liegt die Härte wieder höher.
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Für den Stahl C45E, der ebenfalls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, ergeben sich grundsätzlich ebenfalls die mit Bezug auf 3 dargestellten Verhältnisse.
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Zur Vereinfachung der Temperaturführung aus der Walzhitze kann indes auch von einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ausgegangen werden. Nach der entsprechenden Konditionierung des Warmwalzdrahtes (Oberflächenfehler, Durchmesser, Ab- und / oder Auskohlungen) kann dieser Draht z.B. wieder in Coilform gebracht werden. Diese Coils mit oberflächenbearbeitetem Walzdraht können auf einfache Weise wärmebehandelt, i.e. einer chemischen Modifikation der oberflächennahen Schichten unterzogen werden. Präferiert durch ein Aufkohlen kann der Kohlenstoffgehalt des Stahles so erhöht werden, dass bei entsprechender Abkühlung aus der Walzhitze randschichtgehärtete Bauteile vorliegen, die als Vormaterial für Profilschienen genutzt werden können. Kohlenstoffgehalt als auch Einsatzhärtetiefe sind so einzustellen, dass die bereits erwähnten Bedingungen an wälzbelastete Bauteile erfüllt werden. Die verfahrenstechnische Verarbeitung solcher wärmebehandelter Coils (mit chemischer Modifikation der Oberfläche) ist gleich dem bereits beschriebenen Ablauf.
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In beiden Fällen kann das Aufmaß des warmgewalzten und gehärteten Führungsschienen-Vormaterials so gewählt werden, dass bei Bedarf einfache mechanische Prozesse (Fräsen, Hobeln, Schaben, Schleifen, ...) genutzt werden können, um nicht wäremebehandelte Bereiche an Profilführungsschienen gezielt einzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- t
- Abkühldauer
- T
- Temperatur
- 10
- Transportrichtung
- 11
- Führungsschiene
- 12
- Strangmaterial
- 13
- Ausgangsquerschnittsform
- 14
- gewalzte Querschnittsform
- 15
- Erwärmungsvorrichtung
- 16
- Walzvorrichtung
- 17
- Kühlvorrichtung
- 18
- Sprühdüsen
- 19
- Trennvorrichtung
- 20
- Schleifvorrichtung
- 21
- Seitenfläche der Führungsschiene
- 22
- Kopffläche der Führungsschiene
- 23
- Fußfläche der Führungsschiene
- 24
- Laufbahn
- 25
- Symmetrieebene
- 26
- Auflagebereich
- 27
- Drehachse
- 30
- Martensitlinie
- 31
- erste Abkühlungskurve
- 32
- zweite Abkühlungskurve
- 33
- dritte Abkühlungskurve
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008008632 A1 [0002]
