DE102020105360A1 - Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Bauteils und Werkzeugmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einVerfahren zum Herstellen eines gehärteten Bauteils, mit den Schritten: (a) Herstellen eines Bauteil-Rohlings (14) aus einem restaustenithaltigen Stahl, sowie (b) Verringerung der Stapelfehlerenergie durch eine umformende Bearbeitung des Bauteil-Rohlings (14), sodass ein Teil des Austenits zunächst in ε- und anschließend in α-Martensit umgewandelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Bauteils. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine zum Herstellen eines gehärteten Bauteils, mit (a) einer Bauteil-Aufnahme zum Aufnehmen eines Bauteil-Rohlings, (b) einem Zerspanwerkzeug zum spanenden Bearbeiten des Bauteil-Rohlings und (c) einer Steuerung zum Steuern einer Bewegung des Zerspanwerkzeugs.
  • Ein Beispiel für gehärtete Bauteile sind Wälzlager, auf die sich die Erfindung insbesondere bezieht. Wälzlager werden gemäß dem Stand der Technik dadurch hergestellt, dass ein Bauteil-Rohling hergestellt wird, beispielsweise durch Schmieden oder Abstechen von einer Stange. Der Bauteil-Rohling wird danach gehärtet und hart bearbeitet. Nachfolgend werden die Wälzkörper montiert.
  • Nachteilig an derartigen Verfahren ist die vergleichsweise lange Prozesskette.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung gehärteter Bauteile, insbesondere von Wälzlagern, zu verbessern.
  • Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Bauteils, insbesondere eines Wälzlagers, mit den Schritten (a) Herstellen eines Bauteil-Rohlings aus, vorzugsweise siliziumhaltigem, Stahl, der Restaustenit enthält und (b) spanendes Bearbeiten des Bauteil-Rohlings, sodass sich zumindest ein Teil des Restaustenits in Martensit umwandelt. Vorzugsweise erfolgt das spanende Bearbeiten so, dass ein Teil des Restaustenits zunächst in ε- und anschließend in α-Martensit umgewandelt wird. Die spanende Bearbeitung wird vorzugsweise so durchgeführt, dass sie im Bauteil-Rohling eine Umformung bewirkt, aufgrund derer sich eine Stapelfehlerenergie in dem Bereich des Bauteil-Rohlings verringert, der umgeformt wurde.
  • Erst im zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine gattungsgemäße Werkzeugmaschine, die einen Magnetisierbarkeitssensor, insbesondere einen Wirbelstromsensor oder einen Magnetsensor aufweist, der ausgebildet ist zum automatischen Erfassen einer Magnetisierbarkeit eines Prüfbereichs des Bauteil-Rohlings, der in Bearbeitungsrichtung hinter dem Zerspanwerkzeug liegt, wobei die Steuerung ausgebildet ist zum automatischen Verändern zumindest eines Prozessparameters der spanenden Bearbeitung, wenn die Magnetisierbarkeit außerhalb eines vorgegebenen Ziel-Intervalls liegt.
  • Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass das Härten des Bauteil-Rohlings mit dem spanenden Bearbeiten zusammenfällt. In der Regel erspart dies eine umfangreiche Hartbearbeitung. Zwar ist es möglich, dass ein Hartbearbeiten, beispielsweise in Form eines Schleifens, Polierens oder Hartdrehens, vorteilhaft oder notwendig ist, diese Bearbeitung ist aber in der Regel weniger aufwändig als bei Verfahren nach dem Stand der Technik.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem spanenden Bearbeiten insbesondere ein Bearbeiten mit geometrisch bestimmter Schneide verstanden, beispielsweise durch Drehen oder Fräsen.
  • Vorzugsweise beträgt ein Anteil an Restaustenit zumindest 20 Gewichtsprozent, insbesondere zumindest 40 Gewichtsprozent. Vorzugsweise ist der Anteil an Restaustenit höchstens 55 Gewichtsprozent. Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Wälzlager oder eine Komponente eines Wälzlagers, beispielsweise ein Außenring oder ein Innenring.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wälzlagerstahl zumindest 0,8 Gewichtsprozent, insbesondere zumindest 0,93 Gewichtsprozent, Kohlenstoff auf. Das bewirkt, dass sich hinreichend Restaustenit bilden kann.
  • Vorzugsweise beträgt der Anteil an Kohlenstoff höchstens 1,2 Gewichtsprozent, insbesondere 1,05 Gewichtsprozent.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Stahl bei Raumtemperatur eine Stapelfehlerenergie von höchstens 22 mJ/m2.
  • Vorzugsweise beträgt der Umformgrad zur Erzeugung des ε-Martensits zwischen 5 und 60% liegt und vorzugsweise 15% ± 2% beträgt. Günstig ist es, wenn der Umformgrad zur Erzeugung des α-Martensit zwischen 15% und 60% liegt und vorzugsweise 40% ± 3%, beträgt.
  • In anderen Worten wird das spanende Bearbeiten vorzugsweise so durchgeführt, dass es im Bauteil-Rohling in dem Bereich, der aufgrund der spanenden Bearbeitung umgeformt wird und der nach der spanenden Bearbeitung noch Teil des Bauteils ist, einen Umformgrad zwischen 5 und 60% bewirkt.
  • Vorzugsweise wird die spanende Bearbeitung so durchgeführt, dass Umformrate zwischen 0,01 - 0,1 s-1 liegt. Diese Angabe bezieht sich erneut auf den Bereich des Bauteil-Rohlings, der aufgrund der spanenden Bearbeitung umgeformt wird und der nach der spanenden Bearbeitung noch Teil des Bauteils ist,
  • Vorzugsweise umfasst das Herstellen des Bauteil-Rohlings die folgenden Schritte:
    1. (a) Austenitisieren des Bauteil-Rohlings bei einer Austenitisierungs-Temperatur TA,
    2. (b) Abschrecken auf eine Abschreck-Temperatur TQ zwischen einer Martensitstart-Temperatur TMS und einer Martensitfinish-Temperatur TMF, sodass Restaustenit entsteht, und (c) Tempern bei einer Temper-Temperatur TT, die bei oder oberhalb der Abschreck-Temperatur TQ liegt, für einen Temper-Zeitraum.
  • Die Austenitisierungs-Temperatur TA ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kleiner als die Temperatur Ac3. Günstig ist es, wenn der Temper-Zeitraum mindestens 30 Minuten, insbesondere zumindest 1 Stunde umfasst, um hinreichend viel Restaustenit zu erzeugen. Günstig ist ein Temper-Zeitraum zwischen 1 h und 4 h.
  • Vor dem Tempern kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein weiteres Abschrecken auf Raumtemperatur erfolgen.
  • Die Temper-Temperatur TT ist kleiner als AC1. Vorzugsweise beträgt eine Mindestzeit für das Austenitisieren zumindest 30 Minuten, maximal vorzugsweise 4 Stunden, insbesondere maximal 1 Stunde.
  • Günstig ist es, wenn das spanende Bearbeiten bei einer Umform-Temperatur TB erfolgt, die höchstens -40°C, insbesondere höchstens -50°C, beträgt. Es kommt dann zu einer effektiven Umwandlung von Restaustenit in Martensit. Die Bearbeitungs-Temperatur ist die Temperatur, die im Zerspanprozess an der werkstückseitigen Seite des Zerspanwerkzeugs anliegt.
  • Vorzugsweise ist die Temperatur des Bereichs, der innerhalb der nächsten fünf Sekunden zerspant wird, höchstens - 50°C, insbesondere höchstens -90°C, besonders bevorzugt höchstens - 150°C. So ist eine hohe Umwandlung von Restaustenit in Martensit erreichbar.
  • Günstig ist es, wenn die Umformtemperatur, die auch als Bearbeitungs-Temperatur TB bezeichnet wird, zumindest -210°C, insbesondere zumindest -200°C, beträgt. Zwar ist es möglich, auch bei tieferen Temperaturen zu arbeiten, das bedeutet aber in der Regel einen hohen apparativen Aufwand, was meistens nachteilig ist. Die Umformtemperatur ist die Temperatur, die der Bereich des Bauteil-Rohlings hat, der umgeformt wird und nicht abgespant wird, während der spanenden Bearbeitung hat.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt des Abkühlens des Bauteil-Rohlings auf unter -80°C, insbesondere auf unter -59°C. Das kann beispielsweise durch Abkühlen mittels flüssigen Stickstoffs erfolgen.
  • Um eine möglichst große Scherkraft auf den Bauteil-Rohling beim Bearbeiten aufzubringen, ist es günstig, wenn das spanende Bearbeiten mittels eines Werkzeugs erfolgt, das einen Freiflächenrücksatz aufweist. Günstig ist es, wenn die Länge des Freiflächenrücksatzes zumindest 150 Mikrometer, insbesondere zumindest 200 Mikrometer beträgt. Bei einer kleineren Länge des Freiflächenrücksatzes ist die Scherkraft, die auf den Bauteil-Rohling wirkt, so klein, dass die effektive Umwandlung von Restaustenit in Martensit unbefriedigend klein werden kann.
  • Günstig ist es, wenn die Länge des Freiflächenrücksatzes höchstens 500 Mikrometer, insbesondere höchstens 350 Mikrometer, beträgt. Bei einer größeren Länge des Freiflächenrücksatzes kommt es zu starker Wärmeeinbringung in das Material, sodass die Umwandlung von Restaustenit in Martensit weniger effizient erfolgt.
  • Um lokal eine besonders tiefe Temperatur zu erreichen, ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass unmittelbar vor dem Spanen ein Tiefkühlstoff, insbesondere flüssiger Stickstoff oder gefrorenes Kohlendioxid, auf den Bauteil-Rohling aufgebracht, insbesondere gespritzt, wird. Durch den Kontakt mit dem Tiefkühlmittel kühlt sich der Bereich, auf den der Tiefkühlstoff aufgebracht wird, ab. Beispielsweise besitzt die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine eine Aufbringvorrichtung, beispielsweise eine Düse, zum Aufbringen des Tiefkühlstoffs in Bearbeitungsrichtung vor dem Zerspanwerkzeug.
  • Günstig ist es, wenn das Herstellen des Bauteil-Rohlings ein endkonturnahes Schmieden umfasst. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass der Bauteil-Rohling nach dem Schmieden eine Kontur hat, die so wenig von einer Soll-Kontur nach der spanenden Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide abweicht, dass eine einzige spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide ausreicht. In anderen Worten ist die spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide ein Schlichten, ein Schrubb-Schritt ist entbehrlich. Selbstverständlich kann auch ein endkonturnahes Schmieden dazu führen, dass eine Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide, also eine Feinbearbeitung, notwendig oder sinnvoll ist.
  • Günstig ist es, wenn das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Während der spanenden Bearbeitung untersuchen eines Prüfbereichs mittels eines Magnetisierbarkeitssensors und (b) Verändern eines Prozessparameters der spanenden Bearbeitung, wenn ein Wirbelstrom-Parameter außerhalb eines vorgegebenen Ziel-Intervalls liegt. Vorteilhaft daran ist, dass anhand des zerstörungsfrei gemessenen Wirbelstrom-Parameters die spanende Bearbeitung so geregelt oder gesteuert werden kann, dass das fertige Bauteil eine Härte hat, die in einem vorgegebenen Härte-Intervall liegt.
  • Das Untersuchen des Prüfbereichs umfasst vorzugsweise den Schritt des Anregens des Prüfbereichs des Bauteil-Rohlings, der spanend bearbeitet wurde, mit elektromagnetischer Prüfstrahlung. Günstig ist es, wenn die Prüfstrahlung zumindest eine Prüf-Frequenz fP hat. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass der Bauteil-Rohling nach dem Schmieden eine Kontur hat, die so wenig von einer Soll-Kontur nach der spanenden Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide abweicht, dass eine einzige spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide ausreicht. In anderen Worten ist die spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide ein Schlichten, ein Schrubb-Schritt ist entbehrlich. Selbstverständlich kann auch ein endkonturnahes Schmieden dazu führen, dass eine Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide, also eine Feinbearbeitung, notwendig oder sinnvoll ist.
  • Günstig ist es, wenn das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) während der spanenden Bearbeitung untersuchen eines Prüfbereichs mittels eines Magnetisierbarkeitssensors und (b) verändern eines Prozessparameters der spanenden Bearbeitung, wenn ein Wirbelstrom-Parameter außerhalb eines vorgegebenen Ziel-Intervalls liegt. Vorteilhaft daran ist, dass anhand des zumindest einen zerstörungsfrei gemessenen Wirbelstrom-Parameters die spanende Bearbeitung so geregelt oder gesteuert werden kann, dass das fertige Bauteil eine Härte hat, die in einem vorgegebenen Härte-Intervall liegt.
  • Das Untersuchen des Prüfbereichs umfasst vorzugsweise den Schritt des Anregens des Prüfbereichs des Bauteil-Rohlings, der in Bearbeitungsrichtung (R) hinter dem Zerspanwerkzeug liegt, mit elektromagnetischer Prüfstrahlung. Günstig ist es, wenn die Prüfstrahlung zumindest eine Prüf-Frequenz fP zwischen 200 und 6400 Hz enthält. Es wird ein Prüfparameter, der auch Wirbelstrom-Parameter genannt werden kann, erfasst, der das im Prüfbereich induzierte Magnetfeld beschreibt. Der Wirbelstrom-Parameter charakterisiert das im Prüfbereich induzierte Magnetfeld.
  • Eine Steuerung der Werkzeugmaschine ist vorzugsweise ausgebildet ist zum automatischen Verändern zumindest eines Prozessparameters der spanenden Bearbeitung, wenn der Prüfparameter außerhalb eines vorgegebenen Ziel-Intervalls liegt.
  • Unter dem Prozessparameter wird insbesondere ein Vorschub und/oder eine Zerspangeschwindigkeit verstanden. Je größer der Vorschub, desto größer ist die Kraft, die im Bereich der Schneidkante auf das Material des Bauteil-Rohlings ausgeübt wird. Je größer diese Kraft ist, desto größer ist der Anteil an Restaustenit, der in Martensit umgewandelt wird. Durch erhöhen des Vorschubs kann daher der Gehalt an Martensit erhöht werden. Allerdings ist ein zu großer Vorschub nachteilig, da dies die Belastung des Werkzeugs stark erhöht. Durch das kontinuierliche Messen des Wirbelstrom-Parameters kann damit der ideale Vorschub eingestellt werden, der dazu führt, dass einerseits die Härte des Bauteils im vorgegebenen Härte-Intervall liegt und andererseits das Werkzeug eine möglichst lange Standzeit hat.
  • Bei dem Wirbelstrom-Parameter handelt es sich beispielsweise um die Amplitude oder die Phase des Messsignals, das die gleiche Frequenzzeit wie die Prüfstrahlung hat. Alternativ oder zusätzlich kann der Wirbelstrom-Parameter die Amplitude der 3. Harmonischen der Prüf-Frequenz aufweisen. Wird die Amplitude der 3. Harmonischen der Prüf-Frequenz kleiner, so deutet das darauf hin, dass weniger Martensit gebildet wird. Weniger Martensit bedeutet eine geringere Härte. Fällt daher die Amplitude der 3. Harmonischen unter einen vorgegebenen Soll-Wert, kann der Vorschub erhöht und/oder die Schnittgeschwindigkeit erniedrigt werden, sodass die Prozesskraft steigt und mehr Martensit entsteht.
  • Um eine möglichst verlässliche Aussage über die Härte des Bauteils machen zu können, ist es günstig wenn die Prüfstrahlung zwei, drei, vier oder ggf. mehr Prüf-Frequenzen enthält. Mehr als 4, insbesondere 3, insbesondere 2, Prüf-Frequenzen sind in der Regel nicht notwendig. Vorzugsweise liegt keine der zumindest einen Prüf-Frequenz im Intervall von 49 Hz bis 51 Hz oder im Intervall 59 Hz bis 61 Hz.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Prüfbereich in Bearbeitungsrichtung hinter dem Zerspanwerkzeug, sodass die Eigenschaften der gerade neu entstandenen Randzone mittels Wirbelstromprüfung mittels des Magnetisierbarkeitssensors erfasst werden. Beispielsweise ist es günstig, wenn der Magnetisierbarkeitssensor in Umfangsrichtung hinter dem Werkzeug angeordnet ist, insbesondere zwischen 10° und 200°, vorzugsweise zwischen 70° und 110° hinter dem Zerspanwerkzeug.
  • Um die Amplitude der 3. Harmonischen zu bestimmen, wird das Messsignal des Magnetisierbarkeitssensors fouriertransfomiert und aus der Fourier-Transfomierten die Amplitude der 3. Harmonischen extrahiert.
  • Das Ziel-Intervall, innerhalb dessen der Wirbelstrom-Parameter liegen soll, wird beispielsweise in Vorversuchen ermittelt. In diesen Vorversuchen werden beispielsweise die Vorschub- oder die Schnittgeschwindigkeit variiert und so unterschiedliche Härten des fertigen Bauteils erreicht. Diese Härten werden gemessen, beispielsweise in Vickers-Härte nach DIN EN ISO 6507-1:2018 bis 4:2018.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte (a) Anregen eines Referenzbereichs des Bauteil-Rohlings, der noch nicht spanend bearbeitet wurde, mit elektromagnetischer Referenzstrahlung, wobei die Referenzstrahlung vorzugsweise zumindest eine Prüf-Frequenz zwischen 400 und 6400 Hz enthält, (c) Erfassen eines Referenzbereichs, der aus dem induzierten Magnetfeld des Prüfbereichs resultiert, und (d) Berechnen des Prüfparameters aus zumindest einem Prüfbereich-Messwert, der das im Prüfbereich induzierte Magnetfeld beschreibt, und zumindest einem Referenzbereich-Messwert, der das im Referenzbereich induzierte Magnetfeld beschreibt. Vorzugsweise erfolgt Schritt (a) während der spanenden Bearbeitung, das ist aber nicht notwendig. Wird Schritt (a) während der spanenden Bearbeitung durchgeführt, so kann zeitnah eine Veränderung der Eigenschaften der Randzonen des Bauteils aufgrund der spanenden Bearbeitung ermittelt werden. Es ist dann möglich, zumindest einen Prozessparameter, insbesondere den Vorschub und/oder die Schnittgeschwindigkeit, so zu ändern, dass die Härte des Bauteils im vorgegebenen Härte-Intervall liegt.
  • Schwankt der Martensitgehalt mit der Abhängigkeit von dem Ort auf dem Bauteil-Rohling, so wird dies erfasst und bei der Einstellung des Prozessparameters berücksichtigt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetisierbarkeitssensor ein Magnetisierbarkeitssensor. Vorzugsweise ist der Magnetisierbarkeitssensor ausgebildet zum (i) Anregen eines Prüfbereichs des Bauteil-Rohlings, der in Bearbeitungsrichtung vor dem Zerspanwerkzeug liegt, mit elektromagnetischer Prüfstrahlung, (ii) wobei die Prüfstrahlung vorzugsweise zumindest eine Prüf-Frequenz zwischen 400 und 6400 Hz enthält, und (iii) Erfassen eines Prüfparameters aus dem im Prüfbereich induzierten Magnetfeld.
  • Alternativ kann der Magnetisierbarkeitssensor ein Magnetsensor sein. Dieser besitzt vorzugsweise eine Magnetisierungsspule, mittels der der Prüfbereich magnetisiert wird, und eine Detektorspule, mit der die resultierende Magnetisierung des Prüfbereichs erfasst wird. Die so erfasste Magnetisierung ist, bei der vorliegenden Ausführungsform, der Prüfparameter. Da die Magnetisierung mit dem Martensitgehalt korreliert, kann so der Martensitgehalt bestimmt werden. Der Magnetsensor kann beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein GMR-Sensor sein.
  • Alternativ kann der Magnetisierbarkeitssensor ein Barkhausen-Sensor zum Messen der Barkhausenrauschamplitude sein, wobei die Barkhausenrauschamplitude dann den Prüfparameter darstellt und ein Maß für die Magnetisierbarkeit darstellt.
  • Die Steuerung ist vorzugsweise ausgebildet zum automatischen Verändern zumindest eines Prozessparameters der spanenden Bearbeitung, wenn der Prüfparameter außerhalb eines vorgegebenen Ziel-Intervalls liegt.
  • Eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine besitzt vorzugsweise eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Bauteil-Rohlings zumindest lokal auf eine Temperatur von höchstens -50°C, insbesondere höchstens -150°C. Beispielsweise ist die Kühlvorrichtung eine Vorrichtung zum Aufspritzen von gefrorenem Kohlendioxid oder flüssigem Stickstoff.
  • Günstig ist es, wenn der Wälzlagerstahl zumindest 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere zumindest 0,5 Gewichtsprozent, Silizium enthält. Das führt dazu, dass Restaustenit durch schwere Belastung in Martensit umgewandelt werden kann.
  • Vorzugsweise beträgt ein Gehalt an Silizium höchstens 1,1 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,75 Gewichtsprozent.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Bereiche für Legierungsbestandteile angegeben. Bitte teilen Sie uns mit, wenn andere Bereiche sinnvoller erscheinen. Gerne können wir darüber auch telefonisch sprechen.
  • Günstig ist es, wenn der Wälzlagerstahl zumindest 0,9 Gewichtsprozent, insbesondere zumindest 1,0 Gewichtsprozent Mangan aufweist.
  • Vorzugsweise beträgt der Anteil an Mangan höchstens 1,3 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 1,2 Gewichtsprozent Mangan.
  • Vorzugsweise enthält der Wälzlagerstahl zumindest 0,9 Gewichtsprozent, insbesondere zumindest 1,0 Gewichtsprozent Chrom.
  • Vorzugsweise beträgt der Chromgehalt höchstens 1,7 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 2,8 Gewichtsprozent, Chrom.
  • Vorzugsweise enthält der der Wälzlagerstahl höchstens 0,05 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,025 Gewichtsprozent Phosphor.
  • Vorzugsweise enthält der Wälzlagerstahl höchstens 0,03, insbesondere höchstens 0,015 Gewichtsprozent Schwefel.
  • Vorzugsweise enthält der Wälzlagerstahl zumindest 0,2 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 0,1 Gewichtsprozent, Molybdän.
  • Existieren noch weitere Obergrenzen für Legierungsbestandteile? Existieren weitere möglicherweise günstige Legierungsbestandteile? Bitte ggf. die Liste ergänzen.
  • Im Folgenden wir die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
    • 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 2a eine Detailansicht von Bauteil-Rohlingen und einen Teil der Werkzeugmaschine gemäß 1 und
    • 2b einen Querschnitt durch ein Zerspanwerkzeug einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 10 mit einer Bauteil-Aufnahme 12 im vorliegenden Fall in Form eines Spannfutters zum Aufnehmen eines Bauteil-Rohlings 14. Der Bauteil-Rohling ist im vorliegenden Fall ein geschmiedeter Ring aus siliziumhaltigem Stahl 1.3520. Der Bauteil-Rohling 14 ist durch ein konturnahes Schmieden hergestellt.
  • Die Werkzeugmaschine 10 besitzt zudem ein Zerspanwerkzeug 16, im vorliegenden Fall in Form einer Schneidplatte, die an einem Werkzeughalter 18 befestigt ist. Das Zerspanwerkzeug 16 kann mittels einer Zustellvorrichtung 20 relativ zum Bauteil-Rohling 14 auf eine vorgebbare Position gebracht werden.
  • Die Bewegung der Zustellvorrichtung 20 wird von einer schematisch eingezeichneten Steuerung 22 gesteuert, die mit entsprechenden Antrieben der Zustellvorrichtung 20 zum Bestromen verbunden ist.
  • Die Werkzeugmaschine 10 weist einen Magnetisierbarkeitssensor 24 auf, der im vorliegenden Fall ein Wirbelstromsensor 24 ist, der relativ zum Zerspanwerkzeug 16 bewegbar befestigt sein kann, das ist aber nicht notwendig. Mittels des Magnetisierbarkeitssensors 24 kann eine Veränderung des Martensitgehalts im Bauteil-Rohling 14 erfasst werden.
  • Die Werkzeugmaschine 10 besitzt zudem eine Kühlvorrichtung 26 zum Sprühen von flüssigem Stickstoff 28 aus einem Behälter 30 auf eine zu bearbeitende Stelle des Bauteil-Rohlings 14. Dadurch sinkt eine Bauteil-Temperatur T14 zumindest lokal, nämlich an dem Ort, wo der flüssige Stickstoff 28 auftrifft, auf unter T14 = -100°C. Der gekühlte Bereich wird nachfolgend spanend bearbeitet.
  • 2a zeigt eine Ansicht von schräg vorne auf den Bauteil-Rohling 14, der mit einer Drehfrequenz ω von der Bauteil-Aufnahme 12 (vgl. 1) gedreht wird. Das Werkzeug 16 hebt einen Span 32 ab. Der Magnetisierbarkeitssensor 24 gibt elektromagnetische Prüfstrahlung 34 in Form eines elektromagnetischen Wechselfeldes in einen Prüfbereich 36. Dadurch werden Wirbelströme in der Randzone des Prüfbereichs 36 erzeugt, die vom Magnetisierbarkeitssensor 24 erfasst werden.
  • Die Prüfstrahlung 34 umfasst zumindest eine Prüf-Frequenz fP1 , die in der Regel zwischen 400 und 6400 Hz liegt. Diese Strahlung induziert ein Magnetfeld B im Pumpbereich, das Wirbelströme erzeugt. Das vom Magnetisierbarkeitssensor 24 gemessene Messsignal enthält neben der Prüffrequenz fP weitere Frequenzen, insbesondere die 3. Harmonische mit der Frequenz 3 · fP. Das Messsignal wird von der Steuerung 22 oder von einer Auswerteeinheit 38 ausgewertet.
  • Die Amplitude A3fP korreliert mit dem Martensitgehalt im Prüfbereich 36. Sinkt die Amplitude A3fP unter einen vorgegebenen Soll-Wert ASoll so ist dies ein Hinweis darauf, dass der Martensitgehalt zu klein ist. Daraufhin wird ein Vorschub f vergrößert. Dadurch steigen die Passivkraft Fp und die Schnittkraft Fc am Zerspanwerkzeug 16. Diese erhöhte mechanische Belastung führt zu einer verstärkten Bildung von Martensit aus Restaustenit.
  • Steigt die Amplitude A3fP über einen vorgegebenen Maximal-Wert Amax so ist dies ein Hinweis darauf, dass der Martensitgehalt hinreichend groß ist. Um die Belastung des Zerspanwerkzeugs 16 zu verringern, wird der Vorschub f verkleinert. Dadurch sinken Passivkraft Fp und Schnittkraft Fc. Diese verringerte mechanische Belastung führt zu einer längeren Lebensdauer des Zerspanwerkzeugs 16 bei hinreichender Bildung von Martensit aus Restaustenit.
  • Bezüglich einer Radialkoordinate φ ist das Zerspanwerkzeug 16 bei φ = 0° angeordnet. Die Radialkoordinate φ wird zum Mittelpunkt des Bauteil-Rohlings m und entgegen der Drehfrequenz ω gemessen. Der Magnetisierbarkeitssensor 24 ist in Umfangsrichtung hinter dem Werkzeug, insbesondere zwischen φ = 10° und φ = 200°, insbesondere bei φ = 90° ± 20° angeordnet.
  • Die Kühlvorrichtung 26 ist in Bearbeitungsrichtung R, also in die Richtung, in die sich ein gedachter Punkt auf der Innenseite des Bauteil-Rohlings 14 bewegt, vor dem Zerspanwerkzeug 16 angeordnet.
  • Es ist günstig, wenn die Werkzeugmaschine 10 einen Referenz- Magnetisierbarkeitssensor 38 aufweist, der einen Referenzbereich 40 mittels Wirbelstromanalyse untersucht. Vom Referenz- Magnetisierbarkeitssensor 38 wird ein Referenzparameter P38 gemessen, der beispielsweise einem Prüfparameter P24 entspricht, der vom Magnetisierbarkeitssensor 24 gemessen wird. Beispielsweise handelt es sich bei den Referenzparametern P38 , P24 um die Amplitude A3fP der 3. Harmonischen der Anregungsfrequenz fP. Eine Differenz ΔP = P38 - P24 korreliert zu einer Änderung des Martensitgehalts aufgrund der spanenden Bearbeitung mittels des Zerspanwerkzeugs 24.
  • 2b zeigt einen Querschnitt durch das Zerspanwerkzeug 16. Es ist zu erkennen, dass das Zerspanwerkzeug 16 einen Freiflächenrücksatz 42 aufweist. Hinter dem Freiflächenrücksatz 42 besitzt das Zerspanwerkzeug 16 einen Freiwinkel α von beispielsweise α = 6 ± 4°.
  • Ein Spanwinkel γ liegt vorzugsweise zwischen -10° und 10°. Insbesondere negative Spanwinkel können sich als vorteilhaft erweisen.
  • Der Bauteil-Rohling 14 ist im vorliegenden Fall hergestellt durch Schmieden eines Wälzlagerstahls mit der folgenden Zusammensetzung:
    C Si Mn P S Cr Mo
    Min. 0,93 0,45 1,0 - - 1,4 -
    Max. 1,05 0,75 1,2 0,025 0,015 1,65 0,1
  • Nach dem Schmieden wurde der Bauteil-Rohling 14 zunächst bei einer Austenitisierungs-Temperatur TA = 900°C austenitisiert. Danach wurde er auf eine Abschreck-temperatur TQ = RT abgeschreckt und danach für einen Temper-Zeitraum von 4 Stunden bei einer Temper-Temperatur TT von 250°C gehalten. Danach wurde der Bauteil-Rohling mit einer durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff abgekühlt und danach in die Bauteil-Aufnahme 12 eingespannt. Nach dem spanenden Bearbeiten wird die zerspanend bearbeitete Innenlauffläche 44 geschliffen, poliert und/oder glattgewalzt und danach mit den weiteren Komponenten zu einem Wälzlager ergänzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Werkzeugmaschine
    12
    Bauteil-Aufnahme
    14
    Bauteil-Rohling
    16
    Zerspanwerkzeug
    18
    Werkzeughalter
    20
    Zustellvorrichtung
    22
    Steuerung
    24
    Magnetisierbarkeitssensor, Wirbelstromsensor
    26
    Kühlvorrichtung
    28
    flüssiger Stickstoff
    30
    Behälter
    32
    Span
    34
    Prüfstrahlung
    36
    Prüfbereich
    38
    Referenz-Magnetisierbarkeits-sensor
    40
    Referenzbereich
    42
    Freiflächenrücksatz
    44
    Innenlauffläche
    α
    Freiwinkel
    γ
    Spanwinkel
    φ
    Radialkoordinate
    ω
    Drehfrequenz
    A
    Amplitude
    B
    Magnetfeld
    f
    Vorschub
    fP1
    erste Prüffrequenz
    FP
    Passivkraft
    FC
    Schnittkraft
    M
    Mittelpunkt
    P38
    Referenzparameter
    P24
    Prüfparameter
    R
    Bearbeitungsrichtung
    T14
    Bauteil-Temperatur
    VC
    Schnittgeschwindigkeit
    VSp
    Spangeschwindigkeit
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • DIN EN ISO 6507-1:2018 bis 4:2018 [0038]

Claims (13)

  1. Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Bauteils, mit den Schritten: (a) Herstellen eines Bauteil-Rohlings (14) aus einem restaustenithaltigen Stahl, sowie (b) Verringerung der Stapelfehlerenergie durch eine umformende Bearbeitung des Bauteil-Rohlings (14), sodass ein Teil des Austenits zunächst in ε- und anschließend in α-Martensit umgewandelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass (a) der Stahl bei Raumtemperatur eine Stapelfehlerenergie von ≤ 22 mJ/m2 aufweist (b) zur Erzeugung des ε-Martensits der Umformgrad zwischen 5 und 60% liegt und vorzugsweise 15% beträgt und/oder (c) zur Erzeugung des α-Martensit der Umformgrad zwischen 15% und 60% liegt und vorzugsweise 40% beträgt und/oder (d) die Umformrate zwischen 0,01 - 0,1 s-1 liegt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Umformtemperatur zwischen -200° und 30°C liegt und vorzugsweise -80°C beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl höchstens 1,2 Gewichtsprozent, insbesondere höchstens 1,05 Gewichtsprozent, Kohlenstoff enthält.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen des Bauteil-Rohlings (14) die folgenden Schritte aufweist: (a) Austenitisieren des Bauteil-Rohlings (14) bei einer Austenitisierungs-Temperatur (TA= Ac3), (b) Abschrecken auf eine Abschreck-Temperatur (TQ) zwischen einer Martensitstart-Temperatur (TMS) und einer Martensitfinish-Temperatur (TMF), sodass Restaustenit entsteht, und (c) Tempern bei einer Temper-Temperatur (TT), die bei oder oberhalb der Abschreck-Temperatur (TQ) liegt, für einen Temper-Zeitraum.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die im Zuge eines Zerspanprozesses eingebrachten Kräfte zu einer elasto-plastischen Verformung der Bauteilrandzone führen.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spanende Bearbeiten bei einer Bearbeitungs-Temperatur (TB) erfolgt, die höchstens -30°C, insbesondere höchstens -100°C, beträgt und/oder zumindest -200°C, insbesondere zumindest -170°C, beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spanende Bearbeiten mittels eines Zerspanwerkzeugs (16) erfolgt, das einen Freiflächenrücksatz (42) aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) während der spanenden Bearbeitung Untersuchen eines Prüfbereichs (36) des Bauteil-Rohlings (14) mittels eines Magnetisierbarkeitssensors (24), insbesondere eines Wirbelstromsensors (24) oder Magnetfeld-Sensors, sodass ein Magnetisierbarkeits-Parameter erhalten wird, und (b) Verändern zumindest eines Prozessparameters der spanenden Bearbeitung, wenn der Magnetisierbarkeits-Parameter außerhalb eines vorgegebenen Ziel-Intervalls liegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Anregen eines Referenzbereichs (40) des Bauteil-Rohlings (14), der noch nicht spanend bearbeitet wurde, mit elektromagnetischer Referenzstrahlung, (b) wobei die Referenzstrahlung zumindest eine Prüf-Frequenz (fP) zwischen 200 und 6400 Hz enthält, (c) Erfassen eines Referenzparameters (P38), der aus dem induzierten Magnetfeld (B) des Prüfbereichs (36) resultiert, und (d) Berechnen des Prüfparameters (P24) aus zumindest einem Prüfbereich-Messwert, der das im Prüfbereich (36) induzierte Magnetfeld (B) beschreibt, und zumindest einem Referenzbereich-Messwert, der das im Referenzbereich (40) induzierte Magnetfeld (B) beschreibt.
  11. Werkzeugmaschine (10) zum Herstellen eines gehärteten Bauteils, mit: (a) einer Bauteil-Aufnahme (12) zum Aufnehmen eines Bauteil-Rohlings (14), (b) einem Zerspanwerkzeug (16) zum spanenden Bearbeiten des Bauteil-Rohlings (14) und (c) einer Steuerung (22), gekennzeichnet durch (d) einen Magnetisierbarkeitssensor (24), der ausgebildet ist zum automatischen Erfassen einer Magnetisierbarkeit eines Prüfbereichs (36) des Bauteil-Rohlings (14), der in Bearbeitungsrichtung (R) hinter dem Zerspanwerkzeug (16) liegt, (e) wobei die Steuerung (22) ausgebildet ist zum automatischen Verändern zumindest eines Prozessparameters der spanenden Bearbeitung, wenn die Magnetisierbarkeit außerhalb eines vorgegebenen Ziel-Intervalls liegt.
  12. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetisierbarkeitssensor ein Wirbelstromsensor (24) ist, der ausgebildet ist zum (i) Anregen eines Prüfbereichs (36) des Bauteil-Rohlings (14), der in Bearbeitungsrichtung (R) hinter dem Zerspanwerkzeug (16) liegt, mit elektromagnetischer Prüfstrahlung (34), (ii) wobei die Prüfstrahlung (34) zumindest eine Prüf-Frequenz (fP) zwischen 200 und 6400 Hz enthält, und (iii) Erfassen eines Prüfparameters (P24) aus dem im Prüfbereich (36) induzierten Magnetfeld (B), wobei die Steuerung (22) ausgebildet ist zum automatischen Verändern zumindest eines Prozessparameters der spanenden Bearbeitung, wenn der Prüfparameter (P24) außerhalb eines vorgegebenen Ziel-Intervalls liegt.
  13. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung (26) zum Kühlen eines Bauteil-Rohlings (14) zumindest lokal auf eine Temperatur von höchstens -30°C, insbesondere höchstens -150°C.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (3)

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