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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenstruktur sowie ein Bauteil mit einer metallischen Oberfläche, insbesondere mit einer erfindungsgemäß hergestellten Oberflächenstruktur.
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Die Strukturierung von Oberflächen ist allgemein bekannt. So ist es beispielsweise üblich, bei Lagerbauteilen oder anderen metallischen Flächen, welche in bewegtem Eingriff mit Gegenelementen bzw. Gegenflächen stehen, beispielsweise Lagerschalen, Lagerzapfen, aber auch Zahnflanken oder dergleichen, die Oberfläche zu strukturieren. Zur Verminderung der Reibung sind einerseits sehr glatte Oberflächen wünschenswert. Andererseits hat sich gezeigt, dass glatte Oberflächen ein Schmiermittel wie beispielsweise ein Öl oder ein Fett nicht so gut zurückhalten können, wie Oberflächen mit höherer Rauigkeit. Hier gilt es nun ein Optimum der Rauigkeit einerseits und der möglichst glatten Oberfläche andererseits zu finden, um die tribologischen Eigenschaften zu optimieren.
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Beim Einbringen von gezielten Riefen oder dergleichen ist es dabei immer kritisch, wenn diese Riefen in einer spiralförmigen Struktur, man spricht hier von einem „Drall”, über eine zylindrische Fläche verlaufen. Im Betrieb kann so das Schmiermittel entlang dieser eingebrachten Riefen aus dem Bereich, in dem es eigentlich bleiben sollte, herausgeführt werden.
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Hinsichtlich des Standes der Technik kann beispielsweise auf die
DE 10 2011 005 644 A1 verwiesen werden. In dieser Schrift wird ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionsoberfläche beschrieben. Die Funktionsoberfläche gemäß dieser Schrift dient dabei primär dazu, einer später aufgebrachten Beschichtung, welche insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen aufgetragen werden soll, eine gute Anhaftung zu geben. Um die Funktionsoberfläche zu erreichen, wird diese durch ein spanloses Einprägen einer Struktur, beispielsweise über walzenartige Rändelwerkzeuge, strukturiert.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenstruktur auf einer bearbeiteten Oberfläche eines Bauteils bzw. ein Bauteil mit einer entsprechenden metallischen Oberfläche anzugeben, welche als Oberfläche, welche im bewegten Eingriff mit anderen Oberflächen steht, eine sehr gute Tragfähigkeit mit optimierten tribologischen Eigenschaften verbindet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem wird die Erfindung durch ein Bauteil mit den Merkmalen im Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Bauteils ergeben sich ebenfalls aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass eine bearbeitete Oberfläche einer spanlosen Fertigbearbeitung unterzogen wird. Bei dieser spanlosen Fertigbearbeitung wird ein die Oberfläche punktförmig berührendes Werkzeug auf der Oberfläche abgerollt oder gleitend über die Oberfläche bewegt. Das Werkzeug wird dabei zuerst in einer ersten Richtung mehrfach parallel über die Oberfläche geführt und anschließend in einer zweiten Richtung in einem Winkel von >0° und <90° zu der ersten Richtung mehrfach parallel über die Oberfläche geführt. Durch diesen Aufbau entsteht in der Oberfläche, welche beispielsweise eine Lagerfläche, eine Zahnflanke oder dergleichen sein kann, einerseits eine vergleichsweise glatte Oberfläche durch die entsprechende Umformung des Materials durch das punkt- bzw. linienförmige Walzen oder den gleitenden Eingriff mit einem punktförmig aufliegenden Werkzeug, beispielsweise einem Diamantwerkzeug. Hierdurch wird ein sehr hoher Traganteil, also der mit der Gegenfläche bzw. einem Gegenelement im Eingriff befindliche Anteil der Oberfläche im Verhältnis zu der gegenüber dieser zurücktretenden Restfläche erzielt. Gleichzeitig werden sich kreuzende Texturen erreicht, welche eine vergleichsweise gute Zurückhaltung von Ölen oder Fetten auf der Oberfläche ermöglichen und so ein sehr günstiges Gleitverhalten zwischen der Oberfläche und einer weiteren Oberfläche oder einem Gegenelement, beispielsweise in einem Wälzkörper, einer Lagerschale oder einem Zahnrad, ermöglichen. Als weiterer besonderer Vorteil wird durch das rollende oder gleitende Umformen mittels des Werkzeugs eine plastische und elastische Verformung der Bauteilrandschichten im Bereich der Oberfläche erzielt. Dies führt zu erhöhten Druckeigenspannungen in den Bauteilrandschichten. Diese Druckeigenspannungen erhöhen die Dauerschwingfestigkeit und/oder Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrissbildung und Schwingungsrisskorrosion. Gleichzeitig wird damit der Entstehung und dem Fortpflanzen von Rissen entgegengewirkt. Letztlich führt dies also dazu, dass die Oberfläche eine gesteigerte Belastbarkeit aufweist, da der Oberflächenbereich durch die Bearbeitung so von externen Zugspannungen entlastet worden ist. Alles in allem entsteht so eine sehr tragfähige Oberfläche mit einer hohen Oberflächenqualität. Die Oberfläche ist also entsprechend glatt und kann dennoch durch die spezielle Bearbeitung eine vergleichsweise große Menge an Öl oder Schmierstoff speichern, um so ideale Bedingungen für einen reibenden oder rollenden Eingriff mit anderen Oberflächen oder Gegenelementen zu gewährleisten. Mit diesem Verfahren lässt sich besonders einfach und effizient sowohl das Einbringen einer Textur als auch das Einbringen von Druckeigenspannungen in einem einzigen Arbeitsschritt besonders effizient und kostengünstig realisieren.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass das Werkzeug zuerst in der ersten Richtung über die relativ zum Werkzeug rotierende Oberfläche geführt und anschließend in der Gegenrichtung zurückgeführt wird. Insbesondere ein solches Bearbeiten einer relativ zum Werkzeug rotierenden Oberfläche lässt sich außerordentlich einfach und effizient dadurch erzielen, dass das Werkzeug in Vorschubrichtung bewegt wird. Durch die relative Rotation des Werkzeugs gegenüber der Oberfläche entsteht so ein spiralförmig umlaufendes Bearbeitungsmuster und durch das anschließende Zurückführen des Werkzeugs in Gegenrichtung, vorzugsweise bei gleichbleibender Rotationsbewegung zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche, entstehen kreuzförmig dazu verlaufende spiralförmige Texturen in der anderen Richtung, sodass insgesamt sich kreuzende Strukturen entstehen, welche die Spirale durchbrechen und so für eine drallfreie Oberfläche im oben beschriebenen Sinne sorgen. Die Bearbeitung kann dabei besonders einfach und effizient, beispielsweise auf einer Drehbank für die Innen- oder Außenbearbeitung, vorgenommen werden.
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Wie bereits erwähnt, kann als Werkzeug ein über die Oberfläche gleitendes Diamantwerkzeug eingesetzt werden. Solche Werkzeuge sind grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt. Sie bestehen typischerweise aus einer kugelförmig bzw. kugelabschnittsförmig oder oval ausgeführten Spitze aus Diamant, welche beispielsweise mit einem Werkzeughalter verlötet oder verklebt ist. Dieses Werkzeug wird dann über die Oberfläche geführt, wobei typischerweise ein Kühlschmierstoff zugeführt wird. Hierdurch lässt sich die beschriebene Oberfläche durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichen.
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Alternativ dazu kann als Werkzeug auch eine auf der Oberfläche abrollende Kugel eingesetzt werden. Eine solche Kugel, beispielsweise aus einem harten metallischen Werkstoff, einem Hartmetall, Keramik oder dergleichen, kann rollend gelagert sein, sodass ein Abrollen der Kugel entlang dem Bewegungsweg des Werkzeugs auf der Oberfläche erfolgt. Hierdurch lässt sich eine vergleichbare Oberfläche wie beim gleitenden Diamantwerkzeug durch ein Abrollen zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche, letztlich also ein Walzvorgang, erzielen.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorsehen, dass das Werkzeug hydraulisch oder durch Federkraft in Richtung der Oberfläche gedrückt wird. Hierdurch lässt sich die Kraft, mit welcher das Werkzeug beispielsweise in Form der abrollenden Kugel oder des gleitenden Diamanten auf die Oberfläche drückt, entsprechend der notwendigen Ausgestaltungswünsche und des Materials der Oberfläche variieren. In den allermeisten Fällen wird dabei zusätzlich ein Kühlschmierstoff zugeführt werden, um eine Überhitzung der Oberfläche und/oder des Werkzeugs zu verhindern, und eine thermische Beeinträchtigung der Oberfläche zuverlässig auszuschließen.
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Das erfindungsgemäße Bauteil mit einer metallischen Oberfläche, welche im bewegten Eingriff mit einer anderen Oberfläche steht, sieht es dabei vor, dass die metallische Oberfläche zumindest abschnittsweise spanlos fertig bearbeitet ist. Erfindungsgemäß weist die spanlos fertig bearbeitete Oberfläche einen hohen Traganteil von mehr als 80% auf. Ferner ist die Oberfläche drallfrei und die Bauteilrandschichten im Bereich der spanlos fertig bearbeiteten Oberfläche weisen durch plastische und elastische Verformungen bei der spanlosen Fertigbearbeitung verursachte erhöhte Druckeigenspannungen auf. Durch die erhöhten Druckeigenspannungen wird das Bauteil von externen Zugspannungen im Oberflächenbereich entlastet. Die bei der Fertigbearbeitung eingebrachten Druckeigenspannungen können somit die Dauerschwingfestigkeit und/oder die Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und Schwingungsrisskorrosion steigern. Gleichzeitig wird dem Entstehen und dem Fortpflanzen von Rissen entgegengewirkt. Das erfindungsgemäße Bauteil bzw. die spanlos fertig bearbeitete Oberfläche erreicht hierdurch eine gesteigerte Belastbarkeit. Ergänzt wird dieses besonders günstige Verhalten dadurch, dass die Oberfläche einen hohen Traganteil von mehr als 80% aufweist. Dies bedeutet, dass mindestens 80%, vorzugsweise über 85% der Oberfläche in tragendem Eingriff mit einer Gegenoberfläche bzw. einem Gegenelement stehen. Dennoch kann durch die bei der Fertigbearbeitung eingebrachte Textur eine große Rückhaltung von Öl oder Schmierstoff erreicht werden, sodass insgesamt eine hochbelastbare Fläche mit hervorragenden Lagereigenschaften erzielt wird. Durch die Drallfreiheit der Oberfläche wird ein Abfördern von Öl bzw. Schmierstoff im Betrieb unterbunden.
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Dies kann gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils dadurch noch verbessert werden, dass die fertig bearbeitete Oberfläche sich überkreuzende Texturen aufweist. Solche sich überkreuzenden Texturen bilden eine ideale Grundlage, um Schmierstoff und Öle entsprechend zurückzuhalten und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass durch die Drallfreiheit der Oberfläche die Öl und Schmierstoffe nicht zwischen der Oberfläche und der mit ihr im Eingriff stehenden Fläche bzw. des mit ihr im Eingriff stehenden Gegenelements aus dem Bereich gefördert werden, in dem sie nötig sind.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils sieht es nun ferner vor, dass die fertig bearbeitete Oberfläche nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenstruktur hergestellt bzw. strukturiert ist. Mit diesem Verfahren lässt sich besonders einfach und effizient sowohl das Einbringen einer Textur als auch das Einbringen von Druckeigenspannungen in einem einzigen Arbeitsschritt besonders effizient und kostengünstig realisieren.
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Anhand der Figuren ist nachfolgend eine mögliche Ausführungsform einer Oberflächenstruktur, welche erfindungsgemäß hergestellt worden ist, näher beschrieben.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines möglichen Herstellungsverfahrens; und
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2 ein optisches Abbild eines Ausschnitts der Oberfläche im hartgedrehten oder geschliffenen Zustand und nach der Fertigbearbeitung.
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In der Darstellung der 1 ist in drei Teilfiguren a), b) und c) jeweils ein Bauteil 1 zu erkennen, beispielsweise eine Lagerwelle. Während der Bearbeitung rotiert dieses Bauteil 1, wie es durch einen Pfeil angedeutet ist, im Uhrzeigersinn um seine zentrale mit 2 bezeichnete Achse. Ein Werkzeug 3, welches an seiner Spitze 4 beispielsweise eine Kugel oder einen kugelabschnittsförmigen Diamanten aufweist, wird in einer mit V bezeichneten Vorschubrichtung über die Oberfläche des Bauteils 1 geführt. Dabei wird das Werkzeug 3 bzw. seine Spitze 4 mit einer Kraft F beispielsweise durch Federkraft oder durch eine hydraulische Zustellung in Richtung der Oberfläche gedrückt. Hierdurch kommt es im Falle einer Kugel als Spitze 4 des Werkzeugs 3 zu einem Abrollen derselben oder im Falle einer feststehenden Diamantspitze 4 zu einer gleitenden Bewegung dieser Diamantspitze 4 über die Oberfläche des Bauteils 1. Dies führt letztlich dazu, dass in die Oberfläche die mit 5a bezeichnete Textur eingebracht wird. Dies ist letztlich eine entsprechend der Vorschubbewegung und der Rotationsbewegung des Bauteils 1 auf dessen Oberfläche umlaufende Spirale.
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Nachdem das Werkzeug 3 seine andere Endposition erreicht hat, wird das Werkzeug in der Gegenrichtung V' zur Vorschubrichtung V wieder (wie es in der 1b) zu erkennen ist) über das im gleichen Sinne rotierende Bauteil 1 zurückgeführt. Zusätzlich zu den bereits existierenden Texturen 5a entstehen so in einem Winkel von beispielsweise 60° zu diesem verlaufende Texturen 5b, sodass sich nach erfolgter Überarbeitung der Oberfläche des Bauteils 1 letztlich die in 1c) schematisch dargestellte Oberflächenstruktur des Bauteils 1 einstellt.
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Charakteristisch für das angewendete Herstellungsverfahren ist dabei die simultane Erzeugung einer fertigen Topologie der Oberfläche mit dem Ziel einer Verbesserung der Oberflächenrauheitswerte und/oder Texturen 5a, 5b hinsichtlich tribologischer Eigenschaften, wie beispielsweise die Rückhaltung von Schmierstoffen und das Abrollen oder das Gleiten auf anderen Oberflächen. Gleichzeitig werden bei dem Verfahren durch eine plastische und elastische Verformung der Randschichten des Bauteils 1 Druckeigenspannungen eingebracht. Hierdurch wird die Tragfähigkeit der Oberfläche des Bauteils 1 erhöht, beispielsweise die Flankentragfähigkeit, wenn es sich bei dem Bauteil, anders als in 1 dargestellt, um den Zahn eines Zahnrades und/oder eine Tragfähigkeitserhöhung von Wälzkörper beaufschlagten Oberflächen oder beispielsweise Lagerflächen einer Welle, wie in der Darstellung der 1 zu erkennen, oder auch einer Bohrung handelt.
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In der Darstellung der 2 zeigt die 2a) eine hartgedrehte oder geschliffene Oberfläche in einer optischen Ansicht ihres Rauheitsprofils. Der dargestellte Ausschnitt hat dabei eine Kantenlänge von ca. 1000 μm. Nach der Bearbeitung mit dem oben beschriebenen Verfahren weist derselbe Ausschnitt die in 2b) dargestellte Ansicht auf. Hierbei ist zu erwähnen, dass, je dunkler eine Fläche ist, desto weniger tief ist diese gegenüber einer mittleren Oberfläche eingedrückt, je heller eine Fläche ist, desto weiter steht diese hervor. Somit sind letztlich zwei tiefere schräg von links unten nach rechts oben verlaufende Texturen zu erkennen, welche von weniger tiefen in etwa im rechten Winkel dazu verlaufenden Texturen von links unten nach rechts oben gekreuzt werden. Dazwischen verbleiben relativ hohe (helle) Bereiche zwischen den einzelnen eingedrückten Texturen. Die Oberfläche ist drallfrei und hat einen sehr hohen Traganteil, sodass hervorragende tribologische Eigenschaften erzielt werden können. Gleichzeitig ist die Oberfläche aufgrund der in die Randschichten des Bauteils 1 eingebrachten Druckeigenspannungen hoch belastbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011005644 A1 [0004]
