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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines Ringes, insbesondere für ein Wälzlager, mit mindestens einem Werkzeug, einer Vorschubeinheit, einem Rohr und einer Erwärmungseinrichtung, wobei das Rohr einen Außenmantel und einen Innenmantel aufweist und der Vorschubeinheit zugeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Wälzlager mit einem Außenring und einem Innenring und eine Vorrichtung zum Fertigen eines Ringes.
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Die Herstellung von Wälzlagern, beispielsweise Rillenkugellagern, erfolgt in einem bekannten Verfahren derart, dass zuerst Ringe von einem Rohr abgestochen werden. Dies wird beispielsweise an Mehrspindeldrehautomaten mit einer hohen Mengenleistung durchgeführt. Dabei kann vor dem Abstechen auch direkt eine Form in den Rohling eingearbeitet werden. Beispielsweise erfolgt eine spanabhebende Bearbeitung im kalten Zustand mit einem Schneidwerkzeug (Formrad oder Scheibe auf einem Mehrspindler). Alternativ kann die Form auch durch Drehen von einer Stange auf einem Einspindler gefertigt werden.
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Anschließend werden die Ringe einer Wärmebehandlung zugeführt, um die Härte des Werkstoffes zu erhöhen. Häufig erfolgt die Wärmebehandlung dreistufig, wobei üblicherweise verschiedene Verfahren in Abhängigkeit des Produktes angewendet werden. Zunächst erfolgt eine Erwärmung auf beispielsweise 850°C zur Austenitisierung und somit Veränderung des Materialgefüges. Anschließend wird beispielsweise ein Einsatzhärten bei 40°C angewandt, um durch eine schnelle Abkühlung das Materialgefüge zum Erstarren zu bringen und eine bessere Härte zu erhalten. Abschließend kann ein Vergüten bei beispielsweise 170°C durchgeführt werden. Bei dieser Wiedererwärmung wird die Auswirkung von Wärmeschocks (Einsatzhärten) im Inneren des Gefüges verringert und das Material stabilisiert.
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In der Massenfertigung werden die Ringe beispielsweise zum Härten in einen Durchlaufofen gebracht, wo diese auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend in einem Salz- oder Wasserbad abgeschreckt werden. Dabei findet naturgemäß ein Verzug der Ringe statt, da ein gerichtetes Eintauchen der Ringe mit kontrollierbarem Verzug in der Großserie nicht realisierbar ist.
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Nach dem Härten erfolgt üblicherweise ein Schleifen insbesondere der Außenflächen und der Laufflächen der späteren Lagerringe, wodurch die vorgearbeiteten Ringe ihre endgültige Form erhalten und der Oberflächenzustand (Rauheit) verbessert wird. Abschließend erfolgt die Montage aller zugehörigen Teile zu einem Wälzlager.
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Die
DE 101 00 868 B4 offenbart eine Kaltwalz-Umformmaschine mit einem vorschiebenden Unterwerkzeug in einer axialen Vorschubeinheit, in der zum Herstellen von Flanschen aus einem zylindrischen Vorprodukt der Flansch im Umformbereich des Vorproduktes zwischen Ober- und Unterwerkzeug ausgewalzt und das Vorprodukt nach der Flanschanwalzung von einem Ausstoßer ausgeworfen wird.
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Die
DE 30 12 021 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Lageringen, wobei die Fertigung unter Materialverdrängung, insbesondere axialer Stauchung der Rohrabschnitte, unter Bildung von radial umlaufenden Schultern erfolgt.
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In der
DD 301 279 A7 ist ein Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerinnenringen offenbart, bei dem schleiffertig durch Schmieden verdichtete ringförmige Werkstücke aus pulvermetallurgischem Werkstoff mit umlaufender Profilierung am Außendurchmesser gefertigt werden, wobei die Profilierung durch Pulverschmieden in mehreren Werkzeuganordnungen realisiert wird.
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Die
DD 225 358 A1 beschreibt ein Verfahren zur Fertigung von profilierten Ringen aus Rohmaterial, bei dem ohne zusätzlichen Umspannvorgang zunächst die umformende vollständige und anschließende spanende Bearbeitung erfolgt, wobei der profilierte Ring erst mit dem letzten spanenden Bearbeitungsgang vom Rohr getrennt wird.
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In der
DE 968 572 wird ein Verfahren zum Herstellen von profilierten Ringen für Wälzlager beschrieben, bei dem bearbeitete, ringförmige Vorwerkprodukte unter Aufweiten ihrer Bohrung in die vorgesehene Ringform kalt ausgewalzt werden.
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Die
DE 1175 638 offenbart ein Walzwerk zum Walzen von Ringen, wobei die Ringe abwechselnd in zwei Matrizen gewalzt werden.
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Die
DE 24 35 210 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Walzlagerringen, bei dem aus einem gewalzten Flachstahl konzentrische Kreisringe ausgeschnitten werden, diese in die gewünschte Form gepresst, und anschließend durch Härten und Schleifen endbearbeitet werden.
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Die
DE 10 2005 028 828 B3 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Metallringen, bei dem einem Rohrabschnitt durch Kneten unter Verwendung eines Profildorns das Innenprofil des Rohrabschnittes aufgeprägt wird, während der Rohrabschnitte von außen mit einem Knetwerkzeug bearbeitet wird. Anschließend wird das radiale Außenprofil durch Walzen ausgebildet und abschließend ein Ring vom Rohrabschnitt abgetrennt.
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Die
DE 11 2009 000 609 T5 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Außenrings, bei dem das weichgeglühte Rohteil einen Kaltwalzprozess durchläuft und anschließend durch eine Wärmebehandlung gehärtet wird.
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Die
DE 1 234 493 beschreibt ein Verfahren zur Wälzlagerherstellung, bei dem aus einem runden Rohrteil durch Stauchen und Lochen ein Ring und ein Mittelstück gefertigt werden.
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In der
EP 0 927 832 A1 ist ein Verfahren zur Rohlingsherstellung von für Gleichlaufgelenke bestimmte Kugelkäfigen, die mit kugelringförmigen inneren und äußeren Lageflächen und Kugeltaschen für die Aufnahme von Drehmomentübernahmen in Kugeln versehen sind, offenbart. Ziel ist es, Kugelkäfige schnell, kostengünstig und möglichst vollautomatisch herstellen zu können.
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In der
DE 20 2010 002 818 U1 ist eine Drehbearbeitungsmaschine offenbartmit einer Werkstückbearbeitungsstelle, die eine Werkstückspannvorrichtung zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstückes aufweist, und mit wenigstens einem Werkzeughalter, welcher zur Zustellung wenigstens eines Werkzeuges während der Drehbearbeitung eines in der Werkstückbearbeitungsstelle eingespannten Werkstück eingerichtet ist.
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Nachteilig bei den üblichen Verfahren zur Herstellung von Ringen und/oder Wälzlagern ist, dass das zu fertigende Werkstück mehrere Maschinen und/oder Behandlungsschritte durchlaufen muss, zwischen denen ein Transfer des Werkstückes erfolgt.
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Insbesondere der Transfer des Halbzeugs und/oder des Werkstücks zu einer nächsten Bearbeitungsmaschine ist zeitaufwendig und limitiert die Massenproduktion in der Großserie.
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Zudem ist es aufgrund der genannten Härteverfahren praktisch nicht möglich, Ringe mit einem geringen und/oder kontrollierten Verzug herzustellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergibt sich für den Fachmann die objektive technische Aufgabe, die Lehre dahingehend zu entwickeln, dass mit einer Drehbearbeitungsmaschine des Standes der Technik ein Ring mit höherer Härte und Steckgrenze und geringerem Verzug gefertigt werden kann, sodass Nachbearbeitungsschritte wie Schleifen und/oder Ausrichten mit geringerem Aufwand erfolgen oder ganz entfallen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Fertigen eines Ringes, insbesondere für ein Wälzlager, mit mindestens einem Werkzeug, einer Vorschubeinheit, einem Rohr und einer Erwärmungseinrichtung, wobei das Rohr einen Außenmantel und einen Innenmantel aufweist und der Vorschubeinheit zugeordnet ist, mit folgenden Schritten:
- – Erwärmen des Rohrs durch die Erwärmungseinrichtung, sodass mindestens ein Teil des Rohrs erwärmt ist, insbesondere oberhalb einer Härtetemperatur,
- – Vorschieben des Rohrs, sodass das erste Werkzeug in einem ersten Wirkkontakt mit dem erwärmten Teil des Rohrs steht,
- – Umformen eines Teils des Außenmantels und/oder des Innenmantels des erwärmten Rohrs mittels des ersten Werkzeuges, sodass insbesondere eine Nut in dem Rohr angeordnet ist,
- – Entfernen des ersten Werkzeuges und/oder der Vorschubeinheit mit dem Rohr aus dem ersten Wirkkontakt,
- – Definiertes Positionieren des erwärmten und durch das Umformen bearbeiteten Rohres in einem zweiten Werkzeug und/oder des zweiten Werkzeuges zum erwärmten und durch das Umformen bearbeiteten Rohres, sodass ein zweiter Wirkkontakt zwischen dem zweiten Werkzeug und dem bearbeiteten Rohr und ein ortsfestes Fixieren vorliegt und
- – Härten des bearbeiteten Rohres in dem zweiten Werkzeug und Abscheren des gehärteten Rohres durch Verschieben des zweiten Werkzeuges, sodass ein Ring vorliegt, oder Abscheren des bearbeiteten Rohres durch Verschieben des zweiten Werkzeuges, sodass ein Ring vorliegt, und Härten des Ringes in dem zweiten Werkzeug.
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Dadurch, dass das Rohr durch eine der Vorschubeinheit zugeordneten Erwärmungseinrichtung erwärmt wird, und werkzeuggebunden im zweiten Werkzeug abgekühlt und/oder gehärtet wird, wird eine höhere Härte und/oder eine höhere Streckgrenze bei einem sehr geringen Verzug des gefertigten Ringes im Vergleich zu einem Härten frei von einem Werkzeug erzielt. Durch den geringen Verzug der werkzeuggebundenen Härtung ist das Schleifen und/oder Ausrichten im nachfolgenden Bearbeitungsschritt mit geringerem Aufwand realisierbar.
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Insbesondere erfolgt das Härten des bearbeiteten Rohres in dem Werkzeug durch Abfuhr der Bauteilwärme über das Werkzeug.
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Zudem ist das Abtragen und/oder Umformen als Bearbeitungsschritt nicht vorgelagert, sondern in das Verfahren integriert. Somit ist auch hier kein Transfer zwischen unterschiedlichen Bearbeitungsschritten notwendig.
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Folglich werden Transferzeiten und Zeiten zur Einrichtung von unterschiedlichen Maschinen eingespart. Somit wird das gesamte Verfahren zum Fertigen eines Ringes verkürzt und kostengünstiger.
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Folglich können extrem hohe Mengenleistungen in der Fertigung von Ringen in einem Verfahren realisiert werden, ohne dass ein Transfer zwischen verschiedenen Arbeitsschritten notwendig ist.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass das Rohr nicht in einem Durchlaufofen sondern durch eine der Vorschubeinheit zugeordneten Erwärmungseinrichtung erwärmt und dem ersten Werkzeug zur Bearbeitung zugeführt wird. Anschließend erfolgt der direkte Wechsel auf das zweite Werkzeug zum Härten und Abscheren, sodass ohne Transfer zwischen Bearbeitungsmaschinen der gefertigte Ring vorliegt. Durch dieses vorschubeinheitgebundene Erwärmen und werkzeuggebundene Bearbeiten und/oder Härten ist kein Transfer des Halbzeuges und/oder des Werkstückes zwischen den Bearbeitungsschritten notwendig.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
Ein „Ring“ ist insbesondere ein Hohlzylinder, dessen Radius um ein Vielfaches größer ist als dessen Dicke, wobei insbesondere dessen Rand in Relation zur mittigen Ausnehmung um ein Vielfaches dünner ist. Bei einem Ring kann es sich insbesondere um einen Metallring und/oder Kunststoffring und/oder Keramikring handeln. Insbesondere kann ein gefertigter Ring als Innenring und/oder Außenring für ein Wälzlager verwendet werden.
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Ein „Wälzlager“ ist insbesondere ein Lager, bei dem zwischen einem Innenring und einem Außenring ein Wälzkörper oder mehrere Wälzkörper den Reibungswiderstand bei Relativbewegung des Außenringes und des Innenringes zueinander verringern. Ein Wälzlager kann insbesondere zur Fixierung von Achsen und/oder Wellen verwendet werden, wobei insbesondere ein Wälzlager je nach Bauform radiale und/oder axiale Kräfte aufnimmt und gleichzeitig die Rotation der Welle und/oder der auf einer Achse gelagerten Bauteile ermöglicht. Bei einem Wälzlager kann es sich beispielsweise um ein Rillenkugellager und/oder ein Schrägkugellager handelt.
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Ein „Werkzeug“ dient insbesondere dem Bearbeiten eines Werkstückes, wobei das Werkzeug insbesondere durch eine Maschine und/oder einen Menschen geführt wird. Bei einem Werkzeug handelt es sich insbesondere um ein Formwerkzeug (Pressform) und/oder einem Bearbeitungswerkzeug (beispielsweise Schneid- oder Walzwerkzeug). Insbesondere wird mit dem Werkzeug das Rohr bearbeitet.
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Eine „Vorschubeinheit“ (auch Schlitteneinheit oder Positionierungseinheit genannt) ist insbesondere eine Einheit, welche aufgrund pneumatischer und/oder hydraulischer Kraft und/oder elektrisch angetrieben eine Bewegung ausübt, sodass insbesondere das Rohr dem Werkzeug zugeführt wird und/oder eine Positionierung insbesondere des Rohrs und/oder eines anderen Halbzeuges und/oder eines Rohmaterials erfolgt. Insbesondere kann die Vorschubeinheit auch pneumatische und/oder elektrische Signale mit einer übergeordneten Steuerung einer Bearbeitungsmaschine austauschen. Insbesondere kann das Rohr in axialer Ausrichtung in der Vorschubeinheit gehaltert und/oder durch diese bewegt werden. Insbesondere kann das Rohr auch in der Vorschubeinheit erwärmt werden.
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Ein „Rohr“ ist insbesondere ein länglicher Hohlkörper, dessen Länge wesentlich größer ist als sein Durchmesser. Insbesondere ist ein Rohr aus einem festen und/oder unflexiblen Material gefertigt. Insbesondere handelt es sich bei einem Rohr um ein geschweißtes und/oder nahtloses Rohr. Ein Rohr kann insbesondere Stahl, rostfreiem Stahl, Edelstahl, Gusseisen, Kupfer, Messing, Nickellegierung, Titanlegierung, Aluminiumlegierung, Verbundwerkstoff beispielsweise aus Kunststoff und Metall, und/oder nichtmetallische Werkstoffe wie Kunststoff und/oder Keramik aufweisen. Bei einem Rohr handelt es sich insbesondere um ein Halbzeug, welches zu einem vorgefertigten Bauteil, insbesondere einem Ring, gefertigt wird. Das Rohr weist insbesondere in seiner axialen Ausrichtung einen umlaufenden Außenmantel und einen innenliegenden Innenmantel auf.
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Eine „Erwärmungseinrichtung“ ist insbesondere eine Einrichtung, welche Wärme produziert, sodass insbesondere die Wärmeenergie von der Erwärmungseinrichtung auf ein anderes System aufgrund von Temperaturunterschieden übertragen wird. Der Wärmetransport kann insbesondere über Wärmeleitungen, Wärmestrahlung und/oder Konvektion erfolgen. Insbesondere kann durch die Erwärmungseinrichtung das Rohr und/oder die Vorschubeinheit erwärmt werden. Die Erwärmungseinrichtung kann insbesondere über eine induktive und/oder elektrische und/oder kapazitive Erwärmung arbeiten. Insbesondere kann die Erwärmungseinheit auch eine elektrische Heizung und/oder eine brennstoffverbrauchende Heizung und/oder die natürliche Umgebungswärme nutzende Heizung, wie beispielsweise Solarheizung, Erdwärmeheizung, Luft, Wärmepumpenheizung, Warmwasserheizung aufweisen und/oder von einer derartigen Heizung gespeist werden
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Unter „Härtetemperatur“ wird insbesondere die Temperatur verstanden, bei einem Material und/oder einem Werkstoff eine Erhöhung seiner mechanischen Widerstandsfähigkeit erzielt wird. Unter Härtetemperatur wird insbesondere bei Stahl auch die Austenitisierungstemperatur verstanden. Unter Härtetemperatur wird aber insbesondere auch die Temperatur verstanden, bei der eine Veränderung der Molekülstruktur von Kunststoffen und/oder dem Härten von Keramik auftritt.
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Das „erste Werkzeug“ entspricht insbesondere dem oben definierten Werkzeug. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Werkzeug um ein umformendes und/oder abtragendes und/oder spanendes Werkzeug, wie beispielsweise einen Drück- oder Walzdorn, handeln.
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Unter einem „Wirkkontakt“ wird insbesondere eine räumliche Annäherung und/oder ein räumlicher Kontakt und/oder ein Positionieren des Rohres und eines Werkzeuges verstanden, sodass diese insbesondere einseitig und/oder gegenseitig aufeinander einwirken können.
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Unter „Umformen“ wird insbesondere ein Fertigungsverfahren verstanden, bei dem ein Werkstoff und/oder ein Rohr gezielt plastisch in eine andere Form gebracht wird. Beim Umformen wird insbesondere ein Vormaterial in ein Halbzeug umgeformt oder aus einem Halbzeug wird ein Werkstück erzeugt. Insbesondere behält der Werkstoff seine Masse und/oder seinen Zusammenhalt beim Umformen. Unter Umformen fallen insbesondere Walzen und/oder Drücken. Insbesondere wird unter Umformen auch das Abtrennen von einzelnen Materialschichten und/oder Teilen vom Rohr verstanden. Insbesondere umfasst das Umformen das Abtrennen von Materialschichten auf mechanischem und/oder nichtmechanischem Wege. Insbesondere umfasst das Umformen auch das Spanen, Zerspanen und/oder Zerteilen. Durch das Umformen wird insbesondere das Rohr in die gewünschte Form gebracht, wobei insbesondere eine Nut in dem Außenmantel und/oder dem Innenmantel des Rohres angeordnet wird.
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Der „Außenmantel“ ist insbesondere die Oberfläche des äußeren Materialvolumens des Rohres. Insbesondere kann der Außenmantel auch als Außenmantelfläche bezeichnet werden.
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Als „Innenmantel“ wird insbesondere die innere Oberfläche des Materialvolumens des Rohres verstanden. Insbesondere kann der Innenmantel auch als Innenmantelfläche des Rohres bezeichnet werden.
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Eine „Nut“ ist eine längliche, winklige und/oder abgerundete Vertiefung. Insbesondere stellt die Nut die spätere Lauffläche des Außen- und/oder Innenringes des gefertigten Wälzlagers dar.
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Unter „definiertem Positionieren“ wird insbesondere verstanden, dass das bearbeitete Rohr und das zweite Werkzeug in einer vorgegeben Position zueinander ausgerichtet werden und/oder räumlich aneinander angrenzen. Insbesondere bedeutet definiertes Positionieren auch, dass die Mittelachse des Werkzeuges mit der Mittelachse des Rohres und/oder der Vorschubeinheit zusammenfällt.
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Zum Positionieren weist das zweite Werkzeug vorzugsweise eine Matrize auf, welche das erwärmte und durch das Umformen bearbeitete Rohr formschlüssig aufnimmt.
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Die Definition des „zweiten Werkzeugs“ entspricht im Wesentlichen dem oben definierten Werkzeug, jedoch weist das zweite Werkzeug insbesondere eine Matrize zum formschlüssigen Aufnehmen des bearbeiteten Rohres und/oder eine Abscherschneide auf.
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Unter „ortsfestem Fixieren“ wird insbesondere verstanden, dass das zweite Werkzeug und das bearbeitete Rohr gegeneinander und/oder in einem Raum nicht beweglich sind. Das ortsfeste Fixieren kann beispielsweise durch Vorschieben der Vorschubeinheit gegen das zweite Werkzeug und/oder Einrasten der Vorschubeinheit realisiert werden. Auch kann das bearbeitete Rohr im zweiten Werkzeug durch beispielsweise einen Stempel und/oder einen anderen Werkzeugbestandteil in seiner Position festgehalten werden.
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Der „zweite Wirkkontakt“ entspricht insbesondere in seiner Funktion dem oben beschriebenen ersten Wirkkontakt, wobei hier der Wirkkontakt zwischen dem zweiten Werkzeug und dem bearbeiteten Rohr vorliegt.
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Unter „Härten“ wird insbesondere eine Veränderung der Stoffeigenschaften des Materials des Rohres verstanden. Insbesondere, wenn das Rohr aus Stahl oder Titanlegierung besteht, wird unter Härten eine Erhöhung der mechanischen Widerstandfähigkeit durch gezielte Änderung und Umwandlung des Gefüges verstanden. Das Härten kann hier insbesondere durch die oben beschriebene Wärmebehandlung mit anschließendem schnellem Abkühlen erfolgen. Insbesondere liegt die Abkühlgeschwindigkeit bei mindestens 27K/s und bevorzugt bei größer 100K/s. Auch umfasst Härten insbesondere das Härten von Kunststoffen, beispielsweise durch Vernetzung und/oder Copolymerisation mit einer Veränderung der Molekülstruktur. Beispielsweise kann das Härten von Kunststoff durch Wärmebehandlung und/oder Lichtbestrahlung, insbesondere UV-Bestrahlung, erfolgen. Auch fällt unter Härten insbesondere das Härten von Keramik.
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Unter „Abscheren“ wird insbesondere verstanden, dass das gehärtete Rohr und/oder das bearbeitete Rohr durch Verschieben des zweiten Werkzeuges vom Rohr abgetrennt wird. Dadurch liegt der abgescherte Teil des Rohres als Ring vor. Durch das Abscheren liegt insbesondere eine derart hohe Scherbelastung am Rohr an, dass der Teil des Rohres, welcher sich im zweiten Werkzeug befindet, abgetrennt wird. Insbesondere wird das Rohr noch im warmen Zustand abgeschert, um die Werkzeugbelastung zu vermindern. Das Abscheren kann beispielsweise durch Scherschneiden mittels seitlich sich aneinander vorbeibewegenden Schneiden erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens tritt zwischen dem Erwärmen des Rohres und nach dem Abkühlen des Ringes oder des gehärteten Rohres auf eine Raumtemperatur von 20°C ein Verzug von kleiner 0,25%, insbesondere kleiner 0,1%, bevorzugt kleiner 0,05% auf.
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Durch das werkzeuggebundene Härten des bearbeiteten Rohres und/oder des Ringes im zweiten Werkzeug ist ein Verzug in sehr engen Grenzen realisierbar, welcher deutlich unter dem Verzug bei üblichen Härtungsverfahren liegt.
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Durch die schnelle Abkühlung des Ringes und/oder Rohres wird einerseits eine hohe Härte mit nur geringem Restaustenitanteil und andererseits eine hohe Maßhaltigkeit und/oder ein geringer Verzug des Ringes und/oder des Rohres bewirkt, da das Werkzeug als Fixtur dient und eine thermisch induzierte Maßänderung somit weitgehend unterbunden werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein hoher Flächenkontakt und/oder eine große Flächenpressung zwischen dem zweiten Werkzeug und dem bearbeiteten Rohr und/oder dem Ring beim Härten und/oder Abkühlen vorliegt oder vorliegen. Ein schnelles Abkühlen beim Härten kann insbesondere durch eine innengekühlte Matrize und/oder ein innengekühltes Werkzeug realisiert werden.
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Dadurch kann das Härten und/oder Abkühlen des bearbeiteten Rohres und/oder des Ringes sehr gleichmäßig werkzeuggebunden erfolgen, sodass der Verzug des Rohres und/oder Ringes sehr gering ausfällt.
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Unter „Verzug“ wird insbesondere die Änderung der Maße und/oder der Form eines Werkstückes verstanden. Insbesondere handelt es sich hierbei um den Verzug zwischen dem Erwärmen des Rohres und nach dem Abkühlen des Ringes und/oder des gehärteten Rohres, wobei die Änderung der Maße und/oder der Form bei einer Raumtemperatur von 20°C festgestellt wird.
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Um den Ring auf die gewünschten Fertigungsmaße einzustellen, wird der Ring geschliffen und/oder zum Einstellen der radialen Abmessungen ausgerichtet.
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Dadurch erhält der Ring die vorgegebenen Fertigungsmaße, um als Innen- und/oder Außenring eines Wälzlagers verwendet zu werden.
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Durch das werkzeuggebundene Härten des Ringes und folglich einem sehr geringen Verzug ist der anschließende Aufwand beim Schleifen und/oder Ausrichten des Ringes gering.
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Insbesondere kann der Ring nach dem Abkühlen auf 200°C der Schleifmaschine direkt zugeführt werden.
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„Schleifen“ ist insbesondere ein spanendes Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen mit Schleifmitteln und/oder gebundenen Schleifkorn. Durch das Schleifen wird insbesondere eine hohe Maß- und Formgenauigkeit sowie eine geringe Welligkeit und Rauigkeit der geschliffenen Oberfläche des Ringes erzielt.
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Beim „Ausrichten“ wird insbesondere die Geometrie des Ringes in seine vorgegebenen Formtoleranzen verformt. Durch Ausrichten werden insbesondere die radialen und/oder axialen Abmessungen des Rings eingestellt.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens weist der Ring Eisen und/oder Stahl und/oder Titan und/oder Keramik und/oder Kunststoff auf.
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Dadurch kann ein Ring gefertigt werden, der als späterer Außen- und/oder Innenring eines Wälzlagers der Beanspruchung und der Verwendung gerecht wird. Zudem kann die Materialwahl des Ringes den Umgebungsbedingungen angepasst werden. Beispielsweise ist es vorteilshaft in korrosiver Umgebung hochlegierte Stähle und/oder Kunststoff und/oder Keramik als Material für Lagerringe zu verwenden.
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Um dem Rohr frühzeitig die gewünschte Form aufzuprägen und/oder die Abmessungen einzustellen, erfolgt ein Umformen vor dem Abscheren des bearbeiteten und/oder gehärteten Rohres.
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Durch ein Umformen vor dem Abscheren können zunächst Radien an dem bearbeiteten und/oder gehärteten Rohr angeformt werden. Dazu wird das zweite Werkzeug mit einer entsprechenden Kraft gegen das bearbeitete und/oder gehärtete Rohr verschoben. Beispielsweise weist dazu eine Schermatrize ein zusätzliches Umformwerkzeug wie einen Stempeldorn auf. Es ist vorteilhaft, wenn beispielsweise der Stempeldorn sowohl das bearbeitete Rohr in der Matrize fixiert als auch aufgrund der entsprechenden Kraft ein Umformen des Rohres vornimmt.
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Unter „Umformen“ wird insbesondere ein Fertigungsschritt verstanden, bei dem Metalle und/oder Kunststoffe gezielt plastisch in eine andere Form gebracht werden. Unter Umformen wird insbesondere das Eindrücken und/oder Durchdrücken verstanden.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens werden zwei Rohre und/oder mehrere Rohre gleichzeitig bearbeitet.
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Durch die gleichzeitige Bearbeitung von Rohren kann eine sehr hohe Mengenleistung der Fertigungsmaschine realisiert werden. Somit wird eine Fertigung von Ringen mit kontrolliertem Verzug in der Großserie ermöglicht.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Wälzlager mit einem Außenring und einem Innenring, wobei zwischen dem Außenring und dem Innenring ein Wälzkörper oder mehrere Wälzkörper, insbesondere in einer Nut, angeordnet ist oder sind, wobei der Außenring und/oder der Innenring nach einem zuvor beschriebenen Verfahren gefertigt ist oder sind.
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Dadurch kann ein Wälzlager mit präzise gefertigtem Außenring und/oder Innenring sowie Laufflächen bereitgestellt werden.
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Somit kann insbesondere die Lebensdauer von Wälzlagern verlängert werden.
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Zudem können die Lagerringe für Wälzlager präzise in der Massenfertigung hergestellt werden.
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Da ein Transfer des Halbzeugs und/oder Werkstückes zwischen verschiedenen Bearbeitungsmaschinen im erfindungsgemäßen Verfahren nicht notwendig ist, können die Lagerringe und somit die Wälzlager kostengünstiger hergestellt werden.
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Der Außenring und der Innenring eines Wälzlagers wurden bereits einleitend beschrieben. In der Fertigung unterscheiden sich Innen- und Außenring insbesondere dadurch, dass das erste Werkzeug zum Abtragen und/oder Umformen des Außenmantels oder des Innenmantels anders gestaltet sein muss, um bei einem Außenring eine Innennut oder bei einem Innenring eine Außennut anzubringen.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Fertigung eines Ringes, insbesondere für ein Wälzlager, welche derart eingerichtet ist, dass das Bearbeiten eines Rohres nach einem zuvor beschriebenen Verfahren durchführbar ist.
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Dadurch wird eine Vorrichtung bereitgestellt, in der alle Bearbeitungsschritte, vom Erwärmen des Rohres als Halbzeug bis zum Härten des bearbeiteten Rohres oder des Ringes in einer Bearbeitungsmaschine durchgeführt werden.
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Somit entfällt der Transfer des Halbzeuges und/oder des Werkstückes zwischen den einzelnen Bearbeitungsschritten und/oder Bearbeitungsmaschinen. Folglich könne Zeit und Kosten in der Fertigung eingespart werden.
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Insbesondere wird in der Vorrichtung ein Ring mit hoher Präzision und sehr geringem Verzug gefertigt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist das mindestens eine Werkzeug auf einem drehbaren Arbeitsstern der Vorrichtung angeordnet und/oder steht mit dem Rohr oder den Rohren in einem ersten Wirkkontakt oder zweiten Wirkkontakt.
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Dadurch, dass das mindestens eine Werkzeug oder die Werkzeuge auf einem drehbaren Arbeitsstern angeordnet sind, können mehrere Rohre gleichzeitig bearbeitet werden und eine Massenproduktion realisiert werden.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der Arbeitsstern drehbar ist, sodass durch Drehen des Arbeitssterns in einfacher Weise die Werkzeuge gewechselt werden können. Neben dem Wechsel der Werkzeuge kann durch das Drehen des Arbeitssterns auch ein Abscheren des Rohres zu einem Ring realisiert werden.
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Insbesondere ist das Werkzeug derart auf dem Arbeitsstern angeordnet, dass seine Mittelachse exakt mit der Mittelachse des Rohres und/oder der Vorschubeinheit zusammenfällt, wenn der Arbeitsstern und die Vorschubeinheit entsprechend rotativ ausgerichtet sind und/oder in einem Wirkkontakt stehen.
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Um in kürzester Zeit eine Erwärmung auf die Austenitisierungstemperatur und/oder Härtetemperatur und/oder eine andere gewünschte Temperatur zu erzielen, weist die Vorschubeinheit und/oder weisen die Vorschubeinheiten die Erwärmungseinrichtung oder mehrere Erwärmungseinrichtungen, insbesondere eine Induktionsspule, auf.
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Dadurch, dass die Erwärmungseinrichtung oder mehrere Erwärmungseinrichtungen in der Vorschubeinheit und/oder den Vorschubeinheiten integriert ist oder sind, ist eine schnelle Erwärmung des Rohres möglich.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Erwärmungseinrichtung die innenliegende äußere Fläche der Vorschubeinheit ausfüllt, sodass das in der Vorschubeinheit gehaltene Rohr sich in direkter Nähe zu der Erwärmungseinrichtung befindet. Während bei der konduktiven Erwärmung ein direkter Flächenkontakt zwischen Erwärmungseinrichtung und Rohr vorteilhaft ist, ist für die induktive Erwärmung stets ein Spalt zwischen Erwärmungseinrichtung und Rohr einzuhalten. Somit kann ein optimaler Wärmetransport von der Erwärmungseinrichtung zum Rohr gewährleistet werden.
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Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Erwärmungseinrichtung als Induktionsspule ausgestaltet ist, sodass eine induktive Erwärmung des Rohrs erfolgt.
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Eine „Induktionsspule“ ist insbesondere eine Spule, welche insbesondere von nieder- und/oder mittelfrequenten Wechselstrom durchflossen wird und dadurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches im Rohr Wirbelströme induziert, wodurch das Rohr insbesondere erwärmt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Wärme unmittelbar im Rohr selbst entsteht und nicht durch Wärmeleitungen von der Erwärmungseinrichtung zum Rohr übertragen werden muss.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist eine drehbare Einheit zwei Vorschubeinheiten auf und steht in einem Wirkkontakt mit dem Arbeitsstern, wobei jede Vorschubeinheit über eine eigene Ansteuerung verfügt.
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Durch die Anordnung einer drehbaren Einheit an dem Arbeitsstern kann ein Wechsel der Werkzeuge durch Drehen der Einheit realisiert werden. Somit kann durch die Anordnung mehrerer drehbarer Einheiten an dem Arbeitsstern die Anzahl der gleichzeitig verwendeten Werkzeuge erhöht werden, da diese nicht mehr nur vom Platzangebot und/oder dem Umfang des Arbeitssterns abhängt, sondern zusätzlich durch die Anzahl der angeordneten drehbaren Einheiten erhöht werden kann. Folglich kann durch Anordnung von mehreren drehbaren Einheiten die Massenproduktion weiter erhöht werden.
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Dadurch, dass die drehbare Einheit zwei Vorschubeinheiten aufweist, können verschieden Arbeitsschritte wie das Umformen und das Härten gleichzeitig an zwei Rohren durchgeführt werden. Dazu ist es vorteilhaft, dass jede Vorschubeinheit eine eigene Ansteuerung aufweist.
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Somit kann die Fertigung von Ringen in der Vorrichtung optimiert und schneller sowie kostengünstiger durchgeführt werden.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die drehbare Einheit, welche die beiden Vorschubeinheiten trägt, um ihre Mittelachse schrittweise und/oder schlagartig drehbar ist. Dadurch kann ein anforderungsgemäßer Wechsel der Werkzeuge mittels der drehbaren Einheit und/oder ein Abscheren des Rohres erfolgen.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
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1 eine stark schematische Schnittdarstellung einer Vorschubeinheit mit einem Rohr und einem Drückdorn,
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2 eine stark schematische Schnittdarstellung einer Vorschubeinheit mit einem Rohr, einer Abschermatrize und einem Stempeldorn,
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3 eine stark schematische Draufsicht auf einen drehbaren Arbeitsstern mit einem angeordneten drehbaren Werkzeugwechsel und
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4 einen stark schematischen Schnitt durch einen drehbaren Arbeitsstern mit angeordneten drehbaren Werkzeugwechsler.
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Eine Bearbeitungsmaschine weist eine Vorschubeinheit 101 auf, welcher in ihrer Innenwand eine integrierte Induktionsspule 103 aufweist. Innen in der Vorschubeinheit 101 ist ein nahtloses Stahlrohr 102 gehaltert. Am Ende des nahtlosen Stahlrohrs 102 ist ein Drückdorn 104 in das Innere des Rohres geschoben. Der Drückdorn 104 und die Mitte des nahtlosen Stahlrohrs 102 sind an derselben axialen Mittelachse 107 ausgerichtet.
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Als Halbzeug wurde das nahtlose Stahlrohr 102 der Vorschubeinheit 101 der Bearbeitungsmaschine zugeführt. Die Vorschubeinheit 101 umfasst das nahtlose Stahlrohr 102 am vorderen Ende auf der Seite des Drückdorns 104 mit hoher Maßgenauigkeit. Ein Teil des nahtlosen Stahlrohrs 102, welcher sich durch einen nicht gezeigten, definierten Arbeitsspalt zwischen der Innenmantelfläche der Induktionsspule 103 und der Außenmantelfläche des Stahlrohres 102 in direkter Nähe zur Induktionsspule 103 befindet, ist mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 400 K/s auf eine Eigentemperatur gebracht worden, welche oberhalb der Austenitisierungstemperatur von 850 °C liegt.
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Anschließend ist der erwärmte Teil des Rohres 105 des nahtlosen Stahlrohres 102 an das werkzeugseitige Ende der Vorschubeinheit 101 verschoben worden. Aus der Werkzeugform angeordnet auf einem Arbeitsstern (nicht gezeigt) ist der Drückdorn 104 mittig in den erwärmten Teil des Rohres 105 eingeschoben. Der radial bewegliche und orbital umlaufende Drückdorn 104 drückt eine Nut 106 in die innere Mantelfläche des erwärmten Teils des Rohres 105. Die Nut 106 stellt später die Lauffläche eines Außenringes eines nicht gezeigten Wälzlagers dar.
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Eine zweite Vorschubeinheit 201 der Bearbeitungsmaschine weist eine Induktionsspule 203 auf. In der Vorschubeinheit 201 ist ein nahtloses Stahlrohr 202 gehaltert, wobei der erwärmte und vorbearbeitete Teil des Rohres in eine segmentierte Abschermatrize 208 verschoben ist. Die segmentierte Abschermatrize 208 weist drei Segmente in radialer Richtung auf. Außen um die segmentierte Abschermatrize 208 sitzt der Matrizenring 209.
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Die radialen Segmente der Abschermatrize 208 weisen an ihrem Außenrand einen um 2° geringeren Winkel auf, sodass entsprechend mithilfe des Matrizenrings 209 der Durchmesser der Abschermatrize 208 verringert ist. Innerhalb der segmentierten Abschermatrize 208 ist ein Stempeldorn 210 angeordnet, wobei der Stempeldorn 210 formschlüssig an dem erwärmten und vorbearbeiteten Teil des Rohres 205 angreift, welches eine Nut 206 aufweist. Der Stempeldorn 210 ist zusammen mit einer nicht gezeigten Matrize mit zugehörigem Matrizenring auf der Grundplatte des Arbeitssterns angeordnet.
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Der erwärmte und vorbearbeitete Teil des Rohres 205 wird in die segmentierte Abschermatrize 208 geschoben. Durch die umformende Vorbearbeitung weist der erwärmte und vorbearbeitete Teil des Rohres 205 eine Nut 206 auf. Durch Einrasten der Vorschubeinheit 201, welche mit Spannung gegen die segmentierte Abschermatrize 208 drückt sowie durch die Spannung des Matrizenrings 209 ist der erwärmte und vorbearbeitete Teil des Rohres 205 in der segmentierten Abschermatrize 208 ortsfest fixiert. Der Stempeldorn 210 schiebt mit einer solchen Kraft gegen den erwärmten und vorbearbeiteten Teil des Rohres 205, dass ein Radius am erwärmten und vorbearbeiteten Teil des Rohres 205 angeformt wird. Gleichzeitig fixiert der Stempeldorn 210 den erwärmten und vorbearbeiteten Teil des Rohres 205 in der segmentierten Abschermatrize 208.
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Der Arbeitsstern dreht mit einer solchen Kraft, dass das erwärmte und vorbearbeitete Teil des Rohres 205 durch die segmentierte Abschermatrize 208 abgeschert wird und der abgescherte Ring in der segmentierten Abschermatrize 208 verbleibt. Dort wird der abgescherte Ring durch den großen Flächenkontakt und durch die nicht gezeigte Innenkühlung der Abschermatrize 208 abgekühlt und somit gehärtet. Durch das Härten des Ringes in der Abschermatrize 208 wird ein Verzug von 0,1% zwischen dem erwärmten Rohr und des auf Raumtemperatur von 20°C abgekühlten Ringes erzielt.
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Der Arbeitsstern 320 ist um die Drehachse 321 drehbar. Der Arbeitsstern 320 weist an seinem Umfang vier Werkzeugformen 316, 317, 318 und 319 auf. Die erste Werkzeugform 316 steht in einem Wirkkontakt zu einem gemeinsamen drehbaren Werkzeugwechsler 313, welcher mittig um die Drehachse 314 drehbar ist. An dem gemeinsamen drehbaren Werkzeugwechsler 313 sind eine erste Vorschubeinheit 311 und eine zweite Vorschubeinheit 312 parallel zur Drehachse 314 angeordnet. Die erste Vorschubeinheit 311 weist eine Induktionsspule 331 und die zweite Vorschubeinheit 312 eine Induktionsspule 332 auf. An der ersten Vorschubeinheit 311 steht ein Drückwerkzeug 315 in einem Wirkkontakt zu dem nicht gezeigten Rohr in der ersten Vorschubeinheit 311.
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Die Werkzeugformen 316, 317, 318 und 319 angeordnet an dem Arbeitsstern 320 weisen jeweils einen feststehenden Mitteldorn auf, eine dreiteilige, äußere Matrize und einen spannenden Matrizenring. Die Werkzeugformen 316, 317, 318 und 319 sind derart auf dem Arbeitsstern 320 angebracht, dass ihre Mittelachsen bei einem Wirkkontakt exakt mit den Mittelachsen der zweiten Vorschubeinheit 312 und weiterer nicht gezeigter Vorschubeinheiten von weiteren nicht gezeigten gemeinsamen drehbaren Werkzeugwechslern übereinstimmen.
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In der ersten Vorschubeinheit 311 des gemeinsamen drehbaren Werkzeugwechslers 313 wird extern mittels des Drückwerkzeuges 315 eine Nut an dem nicht gezeigten erwärmten Rohrteil angeformt. Währenddessen wird in der zweiten Vorschubeinheit 312 der erwärmte Teil eines zweiten nicht gezeigten Teils eines Rohres in die erste Werkzeugform 316 des Arbeitssterns 320 vorgeschoben.
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Anschließend dreht sich der Arbeitsstern 320 mit einer derartigen Kraft, dass der erwärmte und vorgeschobene Teil des Rohres in der ersten Werkzeugform 316 abgeschert wird. Der nicht gezeigte abgescherte Teil des Rohres verbleibt in der ersten Werkzeugform 316, in welcher dieser aufgrund eines hohen Flächenkontaktes und einer nicht gezeigten Innenkühlung der ersten Werkzeugform 316 mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 50 K/s abgekühlt und somit gehärtet wird.
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Durch die schnelle Abkühlung des nicht gezeigten Ringes, wird ein geringer Verzug von 0,05% zwischen dem erwärmten Rohr und dem abgekühlten Ringes realisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Vorschubeinheit
- 102
- nahtloses Stahlrohr
- 103
- Induktionspule
- 104
- Drückdorn
- 105
- erwärmter Teil des Rohres
- 106
- Nut
- 107
- axiale Mittenachse
- 201
- Vorschubeinheit
- 202
- nahtloses Stahlrohr
- 203
- Induktionspule
- 205
- erwärmter und vorbearbeiteter Teil des Rohres
- 206
- Nut
- 207
- axiale Achse
- 208
- segmentierte Abschermatrize
- 209
- Matrizenring
- 210
- Stempeldorn
- 311
- erste Vorschubeinheit
- 312
- zweite Vorschubeinheit
- 313
- gemeinsamer drehbarer Werkzeugwechsler
- 314
- Drehachse
- 315
- Drückwerkzeug
- 316
- erste Werkzeugform
- 317
- zweite Werkzeugform
- 318
- dritte Werkzeugform
- 319
- vierte Werkzeugform
- 320
- Arbeitsstern
- 321
- Drehachse des Arbeitssterns
- 331
- Induktionsspule
- 332
- Induktionsspule
