DE102015207106A1

DE102015207106A1 - Verfahren zum Herstellen von Wälzkörpern für Wälzlager

Info

Publication number: DE102015207106A1
Application number: DE102015207106.5A
Authority: DE
Inventors: Holger Pätzold; Frank Jochmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-10-20
Also published as: KR20170138485A; JP2018513949A; CN107429736A; WO2016169564A1; US20180119741A1; EP3286444A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von zylindrischen Wälzkörpern (4) mit balligen Stirnflächen (7) für Wälzlager, insbesondere von Lagernadeln für hochtourige Axialnadellager, mit den folgenden Schritten:
a) Bereitstellen eines kugelförmigen Rohlings (5) mit einem der Wälzkörperlänge (L) des Wälzkörpers (4) entsprechenden Durchmesser (D);
b) Schleifen des kugelförmigen Rohlings (5) in eine Zylinderform der Wälzkörper (4) auf deren vorgegebenen Durchmesser (d), wobei ein spitzenloses Außenrund-Einstechschleifen oder ein spitzenlos Außenrund-Durchlaufschleifen eingesetzt wird.
Außerdem betrifft die Erfindung nach diesem Verfahren hergestellte Wälzkörper, Wälzlager mit derartigen Wälzkörpern sowie deren Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Wälzkörpern mit balligen Stirnflächen für Wälzlager, insbesondere von Lagernadeln für hochtourige Axialnadellager. Die Erfindung betrifft weiterhin nach diesem Verfahren hergestellte Wälzkörper, Wälzlager mit derartigen Wälzkörpern sowie deren Verwendung.
In Getrieben werden zunehmend Gleitlagerungen durch Axialnadellager ersetzt. Ein Vorteil besteht darin, dass die Lagerreibung vermindert wird, so dass beispielsweise beim Einsatz in Kraftfahrzeugen im Ergebnis eine Kraftstoffeinsparung erreicht wird.
Bei Getriebeanwendungen werden hohe Lagerdrehzahlen von bis zu 10.000 min^–1 erreicht, wodurch auf die Wälzkörper radial eine bis zu 6.000-fache Erdbeschleunigung wirkt, die von einem die Wälzkörper umschließenden Wälzkörperkäfig radial aufgenommen werden müssen. Die Wälzkörper sind typischerweise Lagernadeln mit erhöhten Qualitätsanforderungen an deren Stirnseiten, wobei die Lagernadeln typischerweise einen Durchmesser von weniger als 2 mm und eine Länge von weniger als 4 mm aufweisen.
Lagernadeln werden für den Industrie- und Automobilbereich derzeit als Massenprodukt mit höchstproduktiven Fertigungsmethoden hergestellt. Ein übliches Herstellverfahren für Lagernadeln läuft in der Weise ab, dass zunächst ein metallischer Rohling durch Strecken eines Drahts auf einen vorgegebenen Vorschleifdurchmesser erzeugt wird. Anschließend werden von dem Draht Stücke geeigneter Länge mittels eines Schneidwerkzeugs abgehackt. Die so erzeugten Drahtabschnitte werden dann gehärtet, gescheuert, geschliffen und feinstbearbeitet. Das Hacken erfolgt bei sehr hohen Geschwindigkeiten mit einem Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeug. Dabei entsteht an den Nadelstirnseiten typischerweise eine sich technisch ergebende Schneidkontur. Die Ausformung der Schneidkontur ist stark abhängig von den Führungsverhältnissen des Drahtes im Schnittbereich sowie vom Verschleißzustand der Schneidwerkzeuge und dem Drahtdurchmesser an sich.
Anhand von Prüfstandsversuchen hat sich gezeigt, dass derart hergestellte Wälzkörper bzw. Lagernadeln für sehr hochtourig laufende Axialnadellager ungeeignet sind. Die undefinierte Stirnseitenkontur der Lagernadeln führt zu einer starken mechanischen Belastung der radialen Anlaufstellen der Wälzkörpertaschen des Käfigs, was im Ergebnis eine nur unbefriedigend kurze Gebrauchsdauer des Axialnadellagers zur Folge hat. Weiterführende Optimierungen der Nadelstirnseiten führen nur dann zum Erfolg, wenn die Nadelstirnseiten geschliffen und durch aufwendige Finishprozesse geglättet sowie verrundet werden.
In der DE 10 2006 041 586 A1 ist dieses technische Problem erörtert und dadurch gelöst, dass in jede Tasche des Käfigs eines Axialnadellagers eine Lagernadel sowie eine Lagerkugel in radialer Richtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Lagernadel radial innen und die Lagerkugel radial außen angeordnet sind. Dadurch ist sichergestellt, dass Lagernadeln mit undefinierter Stirnseitenkontur auch bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten den Käfig nicht zerstören können. Nachteilig an diesem Axialnadellager ist jedoch, dass die zusätzlich notwendigen Kugeln dessen Herstellkosten erhöhen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Wälzkörpern mit balligen Stirnflächen für Wälzlager vorzustellen, das für eine Massenfertigung geeignet und kostengünstig betreibbar ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, nach diesem Verfahren hergestellte Wälzkörper anzugeben. Der Erfindung liegt schließlich die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager mit derartigen Wälzkörpern sowie dessen Verwendung anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen von zylindrischen Wälzkörpern mit balligen Stirnflächen für Wälzlager, insbesondere von Lagernadeln für hochtourige Axialnadellager, mit den folgenden Schritten:

a) Bereitstellen eines kugelförmigen Rohlings mit einem der Wälzkörperlänge L des Wälzkörpers entsprechenden Durchmesser D;
b) Schleifen des kugelförmigen Rohlings in eine Zylinderform der Wälzkörper auf deren vorgegebenen Durchmesser d, wobei ein spitzenloses Außenrund-Einstechschleifen oder ein spitzenlos Außenrund-Durchlaufschleifen eingesetzt wird.

Der Einsatz eines spitzenlosen Außenrund-Einstechschleifens oder eines spitzenlosen Außenrund-Durchlaufschleifens zur Herstellung von zylindrischen Wälzkörpern mit balligen Stirnflächen ermöglicht eine kostengünstige Massenfertigung bei besonders geringen Kosten.
Die Schleifverfahren zum spitzenlosen Außenrund-Einstechschleifen und zum spitzenlosen Außenrund-Durchlaufschleifen sind bereits bekannt, siehe beispielsweise unter http://www.hermle-schleiftechnik.de/pages/de_spitzenlos_durchlaufschleifen.php oder http://www.hermle-schleiftechnik.de/pages/de_spitzenlos_einstechschleifen.php
Dabei wird erfindungsgemäß ein kugelförmiger Rohling verwendet, der typischerweise als Massenware, wie beispielsweise als Wälzkörperkugel vorliegt, und der anschließend durch Schleifen zur Zylinderform auf einen vorgegebenen Durchmesser d gebracht wird. Der Kugeldurchmesser D entspricht dabei der Wälzkörperlänge L. Ein Werkstoff sowie eine Wärmebehandlung der Rohlinge sind dabei wälzkörpertauglich auszuwählen.
Ein Einsatz von Wälzkörperkugeln als Rohlinge ist vorteilhaft, da sie bereits über eine exakte und aufwendig geglättete Oberfläche verfügen. Der Radius der Kugel entspricht dem Radius der balligen Stirnflächen der Wälzkörper, die dabei geometrisch zentrisch ballig bestimmt ist und eine höchste Oberflächenqualität ohne Nachbearbeitung aufweist. Es werden keine exakt gruppierten Kugeln benötigt, da die Längentoleranz der Lagernadeln um ein Vielfaches größer ist als der typischerweise im μm-Bereich gruppierte Kugeldurchmesser. Daher lassen sich kostengünstigere Kugeln verwenden, als diejenigen, welche in Wälzlagern eingesetzt werden.
Die Aufgabe wird weiterhin für zylindrische Wälzkörper mit balligen Stirnflächen gelöst, indem diese nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind. Die auf die vorbeschriebene Weise hergestellten zylindrischen Wälzkörper mit balligen Stirnseiten für Wälzlager lassen sich überall dort einsetzen, wo das Vorhandensein einer definierten, zentrisch balligen Stirnseitenkontur gefordert wird. Dies ist insbesondere der Fall bei Axiallagern, die vergleichsweise hohen Lagerdrehzahlen mit entsprechend hohen Fliehkräften ausgesetzt sind.
Der zylindrischer Wälzkörper ist dabei insbesondere als Lagernadel mit einem Durchmesser d von weniger als 2 mm und eine Länge L von weniger als 4 mm ausgebildet. Aber auch tonnenförmige Wälzkörper für Toroidallager lassen sich in der beschriebenen Weise herstellen.
Ein Verhältnis der Länge L zum Durchmesser d beträgt aus wirtschaftlichen Gründen vorzugsweise nicht mehr als 3:1.
Die Aufgabe wird weiterhin für das Wälzlager, insbesondere Axialnadellager oder Toroidallager, gelöst, indem dieses einen Wälzkörperkranz umfasst, welcher einen Käfig und weiterhin die erfindungsmäßen Wälzkörper aufweist. Ein derartiges Wälzlager ist mit besonders geringen Kosten herstellbar und bei hohen Drehzahlen betreibbar.
Eine Verwendung des erfindungsgemäßen Wälzlagers bei Lagerdrehzahlen von bis zu 10.000 Umdrehungen pro Minute hat sich bewährt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der 1 bis 4 beispielhaft erläutert. So zeigt:
1 eine axiale Draufsicht auf einen Wälzkörperkranz eines Axiallagers mit Käfig mit in Käfigtaschen aufgenommenen Lagernadeln,
2 eine Schnittdarstellung eines kugelförmigen Rohlings sowie den daraus gefertigten Wälzkörper,
3 ein Verfahren unter Verwendung eines spitzenlosen Außenrund-Einstechschleifen oder eines spitzenlosen Außenrund-Durchlaufschleifens in der Seitenansicht, und
4 eine dreidimensionale Ansicht des Verfahrens unter Einsatz des spitzenlosen Außenrund-Durchlaufschleifens
1 zeigt eine axiale Draufsicht auf einen Wälzkörperkranz 1 eines Axiallagers mit einem Käfig 2 und mit Taschen 3, in denen jeweils ein zylindrischer Wälzkörper 4 in Form einer Lagernadel aufgenommen ist. Die von den Wälzkörpern bei sehr hohen Drehzahlen ausgehenden Radialkräfte müssen von der radial äußeren Begrenzungsfläche 6 der Taschen 3 zerstörungsfrei aufgenommen werden. Zu diesem Zweck weisen die Wälzkörper 4 an ihren axialen Enden jeweils eine ballige Stirnfläche 7 auf, die eine hohe Oberflächengüte aufweisen, so dass sich die Wälzkörper 4 nicht in diese äußeren Begrenzungsflächen 6 der Taschen 3 hineinbohren. Der Durchmesser d der Lagernadeln ist typischerweise kleiner als 2 mm, während die Länge L weniger als 4 mm beträgt. Das Verhältnis Länge L zu Durchmesser d beträgt aus wirtschaftlichen Gründen nicht mehr als 3:1.
2 zeigt eine Schnittdarstellung eines kugelförmigen Rohlings 5 sowie den daraus gefertigten Wälzkörper 4. Die Herstellung der Wälzkörper 4 aus dem kugelförmigen Rohling 5 erfolgt hier aus einer Wälzlagerkugel. Die Länge L der Wälzkörper 4 entspricht dem Durchmesser D des kugelförmigen Rohlings 5, während der Durchmesser d der Wälzkörper 4 frei vorgebbar ist. Der Wälzkörper 4 mit seiner Rotationsachse 8 wird durch Abschleifen des schraffiert dargestellten Bereiches 9 auf den Durchmesser d hergestellt, wobei die balligen Stirnflächen 7 des Wälzkörpers 4 den Radius des kugelförmigen Rohlings 5 aufweisen und keinerlei Nachbearbeitung bedürfen. Die 2 zeigt eine Vergrößerung eines kugelförmigen Rohlings 5 mit einem Durchmesser von 2,25 mm, aus dem eine Lagernadel 4 mit einer Länge L = 2,25 mm und einem Durchmesser d von 1 mm hergestellt wird. Das Schleifen des Rohlings 5 erfolgt dabei durch ein spitzenloses Außenrund-Einstechschleifen oder ein spitzenlos Außenrund-Durchlaufschleifen, um das Verfahren für die Massenfertigung einsetzten zu können.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Verwendung eines spitzenlosen Außenrund-Einstechschleifens oder eines spitzenlosen Außenrund-Durchlaufschleifens an den kugelförmigen Rohlingen 5 in der Seitenansicht. Hierbei wird der Rohling 5 nicht eingespannt, sondern zwischen eine in Pfeilrichtung um eine Rotationsachse 10a rotierende Schleifscheibe 10 und einer in Pfeilrichtung um die Rotationsachse 11a rotierende Regelscheibe 11 geführt und dabei von unten mittels einer Schiene 12 gehalten. Man unterscheidet das Einstechschleifen, bei dem jeweils nur ein Rohling 5 zwischen die Schleifscheibe 10 und die Regelscheibe 11 geführt und bearbeitet wird, vom Durchlaufschleifen, bei dem eine Vielzahl an Rohlingen 5, die aneinandergereiht auf der Schiene 12 angeordnet sind, nacheinander mittels der Schiene 12 zwischen die Schleifscheibe 10 und die Regelscheibe 11 transportiert werden. Dabei erfolgt eine Bewegung der Schiene 12 in Richtung der z-Achse in 3, also senkrecht zur vom Zeichenblatt aufgespannten x-y-Ebene.
4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Verfahrens gemäß 3 unter Einsatz des spitzenlosen Außenrund-Durchlaufschleifens. Gleiche Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren kennzeichnen gleiche Elemente. Die Schiene 12 transportiert eine Vielzahl von kugelförmigen Rohlingen 5 zwischen die Schleifscheibe 10 und die Regelscheibe 11, wo eine Schleifbearbeitung der Rohlinge 5 in eine Zylinderform der Wälzkörper 4 erfolgt. Bei dieser Methode können sehr hohe Durchsätze erzielt werden. Die balligen Stirnflächen 7 der Wälzkörper 4 weisen nach der Schleifbearbeitung den Radius des kugelförmigen Rohlings 5 auf und bedürfen keiner weiteren Nachbearbeitung.
Alle in der vorstehenden Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar und beinhaltet auch die Verwendung einer profilierten Regelscheibe (Transportschnecke) wie sie z.B. bei der Fertigung von Kegelrollen eingesetzt wird. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen und beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
Bezugszeichenliste

1: Wälzkörperkranz
2: Käfig
3: Tasche
4: Wälzkörper
5: Kugelförmiger Rohling
6: Radial äußere Begrenzungsfläche einer Tasche
7: Ballige Stirnfläche des Wälzkörpers
8: Achse des Wälzkörpers
9: Abzuschleifender Bereich des kugelförmigen Rohlings
10: Schleifscheibe
10a: Rotationsachse der Schleifscheibe
11: Regelscheibe
11a: Rotationsachse der Regelscheibe
12: Schiene
D: Durchmesser des kugelförmigen Rohlings
L: Länge des Wälzkörpers
d: Durchmesser des Wälzkörpers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006041586 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.hermle-schleiftechnik.de/pages/de_spitzenlos_durchlaufschleifen.php [0010]
http://www.hermle-schleiftechnik.de/pages/de_spitzenlos_einstechschleifen.php [0010]

Claims

Verfahren zum Herstellen von zylindrischen Wälzkörpern (4) mit balligen Stirnflächen (7) für Wälzlager, insbesondere von Lagernadeln für hochtourige Axialnadellager, mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines kugelförmigen Rohlings (5) mit einem der Wälzkörperlänge (L) des Wälzkörpers (4) entsprechenden Durchmesser (D); b) Schleifen des kugelförmigen Rohlings (5) in eine Zylinderform der Wälzkörper (4) auf deren vorgegebenen Durchmesser (d), wobei ein spitzenloses Außenrund-Einstechschleifen oder ein spitzenlos Außenrund-Durchlaufschleifen eingesetzt wird.
Zylindrischer Wälzkörper (4) mit balligen Stirnflächen (7), hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
Zylindrischer Wälzkörper (4) nach Anspruch 2, welcher als Lagernadel mit einem Durchmesser (d) von weniger als 2 mm und eine Länge (L) von weniger als 4 mm ausgebildet ist.
Zylindrischer Wälzkörper (4) nach Anspruch 3, wobei ein Verhältnis der Länge (L) zum Durchmesser (d) nicht mehr als 3:1 beträgt.
Wälzlager, insbesondere Axialnadellager oder Toroidallager, umfassend einen Wälzkörperkranz (1), welcher einen Käfig (2) und weiterhin Wälzkörper (4) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 aufweist.
Verwendung eines Wälzlagers gemäß Anspruch 5 bei Lagerdrehzahlen von bis zu 10.000 Umdrehungen pro Minute.