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Die
Erfindung betrifft eine hochbelastbare Gleitlagerbuchse gemäß Anspruch
1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer hochbelastbaren Gleitlagerbuchse
gemäß Anspruch
14.
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Es
ist schon seit längerem
bekannt, zylindrische Körper
durch Tiefziehen kreisförmiger
Ronden herzustellen. Auf diese Art werden zum Beispiel gemäß der
GB 240,608 Laufringe für Wälzkörperlager
hergestellt oder gemäß der
GB 178,574 Rohrflansche für beispielsweise
Dampfleitungen hergestellt. Insbesondere werden auch Bundbuchsen
auf diese Art und Weise hergestellt, wie zum Beispiel in der
JP 61-115625 A ,
in der
DE 36 08 507
C2 oder der
DE
44 47 046 A1 beschrieben oder auch in der
DE 30 27 262 C2 und der
DE 32 157 18 C2 für Lagerbuchsen
für Kreuzgelenkzapfen
beschrieben.
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Außerdem ist
es üblich
Buchsen herzustellen, indem sie von einem Rohr abgestochen werden.
Dies wird zum Beispiel bei massiven Messingbuchsen gemacht.
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In
der Praxis werden tiefgezogene Buchsen mit einem Lagermaterial an
einer Seite eines Trägermaterials
durch mehrere Umformschritte hergestellt, zwischen denen jeweils
eine Wärmebehandlung
stattfindet. So wird zunächst
aus einem beschichteten Bandmaterial aus Stahl und Lagermetall mittels
eines großen Stempels
eine breite Buchse mit Boden tiefgezogen. Diese Buchse mit Boden
wird von der Platine abgetrennt. Darauf folgt eine Wärmebehandlung
bei ca. 400 ° C über mehrere
Stunden. Diese Wärmebehandlung
ist notwendig, weil durch die hohe plastische Verformung insbesondere
das Lagermaterial sich zu stark verfestigt, so dass ein weiterer
Umformungsschritt zwangsläufig
zu Rissen führt.
Die Spannungen und die Festigkeit des Materials müssen aufgehoben
werden, was durch diese Wärmebehandlung
erfolgt. Danach ist das Material für einen weiteren Umformschritt
bereit.
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In
dem weiteren Umformschritt wird der Durchmesser weiter verringert,
indem die Buchse mittels eines weiteren Stempels tiefgezogen wird.
Um einen zusätzlichen
Tiefziehschritt zu ermöglichen,
wird wieder eine Wärmebehandlung
durchgeführt.
Danach wird die Buchse durch einen letzten Tiefziehschritt auf den
endgültigen
Durchmesser gebracht. Daraufhin wird der Deckel abgeschnitten, die
Stirnflächen
bearbeitet und die Buchse außen
geschliffen und auf Endmaße
gebracht.
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Zu
beachten ist dabei, dass bisher als Lagermaterial bleihaltige Legierungen
wie zum Beispiel Kupfer-Blei-Legierungen oder Bleibronze verwendet
wurden. Eine derartige Gleitlagerlegierung ist beispielsweise in
der
DE 41 01 620 C1 beschrieben.
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Die
Verfahren nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass es
sich um unterbrochene Prozesse handelt, die insofern auch sehr aufwendig
sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der
Technik zu überwinden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Gleitlagerbuchse gemäß Anspruch
1 bzw. ein Verfahren zu Herstellung einer Gleitlagerbuchse gemäß Anspruch
14.
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Erfindungsgemäß werden
die Tiefziehschritte ohne zwischengeschaltete Wärmebehandlungen durchgeführt. Dies
erlaubt den Einsatz von Tiefziehoberwerkzeugen mit unterschiedlich
großen
Stempeln, wobei bei jedem Hub mehrere Tiefziehschritte parallel
durchgeführt
werden. Die tiefgezogenen Buchsen werden dabei immer eine Station
weitertransportiert.
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Die
Wärmebehandlungsschritte
können
deshalb weggelassen werden, weil als Lagermetall ein bleifreies
Material verwendet wird. Insbesondere werden Kupferlegierungen verwendet.
Diese Werkstoffe besitzen hohe Dehnwerte und ermöglichen größere Umformgrade, ohne dass
das Lagermetall beschädigt
wird. Durch das Tiefziehen werden hohe Festigkeiten des Verbundwerkstoffes
aus Stahlstützschicht
und Lagermetallschicht erreicht.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die Lagermetallhärte nach Abschluss aller Tiefziehschritte
in etwa gleich der Härte
des Stahles ist. Die Härten
werden im wesentlichen durch das Tiefziehen erzeugt. Hierbei nähern sich
die Härten
von Lagermetall und dem Stahl während
den einzelnen Tiefziehschritten einander an.
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Wenn
zwischen einzelnen Tiefziehschritten Wärmebehandlungen durchgeführt werden,
verliert die Stützschicht
jedes Mal wieder an Härte.
Daher können
bei herkömmlichen
tiefgezogenen Buchsen nur Stahlhärten
von ca. 140 HB erreicht werden. Verwendet man Bronze als Stützschicht,
erreicht man bei herkömmlichen
tiefgezogenen Buchsen etwa nur 120 HB.
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Besondere
Vorteile der erfindungsgemäßen Buchse
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegen darin, dass von einem begossenen Bandmaterial ausgegangen
wird. Man kann also kontinuierlich fertigen. Dies ist deutlich preisgünstiger
und ressourcenschonender als zum Beispiel das Abstechen massiver
Buchsen vergleichbarer Festigkeit von Rohren.
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Gegenüber gerollten
Buchsen weisen die erfindungsgemäßen Buchsen
eine höhere
Festigkeit auf. Diese Festigkeiten sind allein durch ein Umformen
von ebenen Substraten zu Buchsen nicht erreichbar. Hierbei müsste bereits
von sehr hohen Bandfestigkeiten ausgegangen werden. Der sich anschließende Umformprozess
wäre nicht
in der Lage, insbesondere bezüglich
der Rundheit einwandfreie Buchsen herzustellen. Dies gilt ganz besonders
für Verbundmaterialien.
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Ferner
haben Buchsen mit Stahlstützschicht
den Vorteil, dass sie einen ähnlichen
Ausdehnungskoeffizienten wie das Gehäuse (zum Beispiel Pleuelstangen
oder Getriebeteile) aufweisen, in die die Buchse eingepresst wird.
Das führt
dazu, dass bei erhöhter
Temperatur die Buchse immer noch fest und verdrehfest sitzt, so
dass keine Relativbewegung zwischen Gehäuse und Buchse bzw. kein Lösen der
Buchse möglich
ist.
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Die
erfindungsgemäße Buchse
weist den Vorteil auf, dass kein Clinch oder Stoß vorhanden ist, der zu Presssitzverlusten
führen
konnte. Außerdem
ist ihre Herstellung weit weniger aufwendig als die von verklinkten Buchsen.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Lagermetall um eine im wesentlichen homogene
einphasige Kupferknetlegierung. Eine derartige Struktur gewährleistet
eine besonders gute Umformbarkeit.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird nach den mindestens zwei Tiefziehschritten eine Glühbehandlung
durchgeführt.
Vorzugsweise wird die Glühbehandlung
unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Stahls durchgeführt. Durch
die anschließende
Wärmebehandlung
kann die Härte
des Lagermaterials gezielt beeinflusst werden, wobei sich bis zur
Rekristallisationstemperatur des Stahls an der Stahlhärte kaum
etwas ändert.
Es kann daher eine Buchse mit Härten
hergestellt werden, die exakt den gewünschten Anforderungen entsprechen. Übliche Wärmebehandlungen
liegen zwischen 200°C
und 500°C
und dauern ca. mehrere Minuten. Sie sind daher kostengünstig durchzuführen. Indem
nur die Lagermetallhärte
eingestellt wird, ohne dass sich an der Härte des Stahls etwas ändert, wird
dafür gesorgt,
dass der Presssitz der Buchse nicht negativ beeinflusst wird.
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Die
besten Ergebnisse sind erzielt worden, wenn bei jedem Tiefziehschritt
Tiefziehverhältnisse
zwischen 1,20 und 1,50 eingehalten wurden. Zur Bestimmung des Tiefziehverhältnisses
wird der Rondendurchmesser bzw. der Buchsendurchmesser durch den
Stempeldurchmesser dividiert.
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Der
Stahlstützkörper der
erfindungsgemäßen Buchse
weist vorzugsweise eine Brinellhärte > 190 HB, besonders
bevorzugt > 200 HB
und ganz besonders bevorzugt > 210
HB auf. Die Lagermetallschicht der erfindungsgemäßen Buchse weist vorzugsweise
eine Brinellhärte
zwischen 120 HB und 220 HB auf.
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Besonders
bevorzugt wird nach dem Tiefziehen der Boden der Buchse entfernt.
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Außerdem sollte
vorteilhafterweise die Innenseite der Gleitlagerbuchse endbearbeitet
werden, z. B. durch spindeln oder bohren, um die Buchse auf eine
konstante Wanddicke zu bringen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird als Endbearbeitung der Stahlrücken der Buchse geschliffen.
Dadurch können
sehr gute Oberflächenqualitäten eingestellt
werden. Dies wirkt sich positiv auf das Tragbild an der Buchse aus,
wodurch Ölkohlebildung
auf dem Stahlrücken
vermieden wird.
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Vorteilhafterweise
werden unlegierte Stahlsorten für
die erfindungsgemäße Buchse
verwendet. Besonders geeignet sind kohlenstoffhaltige Stähle vergleichbar
C-10-Stahl (DIN EN 10084) oder C-22-Stahl (DIN EN 10083).
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Besonders
bewährt
haben sich Kupfer-Aluminium-, Kupfer-Zinn-, Kupfer-Zinn-Zink- oder
Kupfer-Zink-Silizium-Legierungen als Lagermetall. Besonders bevorzugt
ist Aluminiumbronze, d.h. CuAl8. Es handelt sich dabei um einen
im wesentlichen homogenen Werkstoff, der überwiegend α-Mischkristalle aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Buchse
kann zwischen der Stahlstützschicht
und der Lagermetallschicht eine Diffusionsschicht aufweisen.
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Es
sei im Übrigen
darauf hingewiesen, dass die Lagermetallschicht sich auf der Innen-
oder Außenseite
der Buchse befinden kann.
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Die
Erfindung soll anhand der beiden Figuren näher erläutert werden.
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1 zeigt eine schematische
Perspektivdarstellung eines Werkzeuges zur gleichzeitigen Bearbeitung
mehrerer Buchsen in geöffneter
bzw. auseinander gefahrener Stellung, teilweise geschnitten.
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2 zeigt das Werkzeug gemäß 1 in geschlossener bzw.
zusammen gefahrener Stellung.
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3 zeigt perspektivisch das
Ausgangsmaterial in Form einer Ronde.
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4 zeigt perspektivisch eine
Vorstufe einer Lagerbuchse.
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5 zeigt perspektivisch eine
fertige Lagerbuchse.
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6 zeigt im Schnitt eine
weitere Ausführungsform
eines Werkzeuges zum gleichzeitigen Bearbeiten von Buchsen.
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7 zeigt in einem Diagramm
den Zusammenhang der Härte
in Abhängigkeit
der Wärmebehandlung.
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Das
in 1 und 2 gezeigte Werkzeug weist drei Tiefziehstationen 1, 2, 3 mit
Unterwerkzeugen 10, 20, 30 bzw. Matrizen
auf, welchen Oberwerkzeuge bzw. Patrizenstempel 12, 22, 32 zugeordnet
sind. Die Patrizenstempel 12, 22, 32 werden
vorteilhafter Weise synchron in Arbeitsrichtung A bewegt, derart,
dass gleichzeitig in einem Arbeitstakt bzw. Hub der Patritzenstempel 12, 22, 32 drei
fortlaufende Phasen der Umformung ausgeführt werden.
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Als
Ausgangsmaterial für
eine herzustellende Buchse 41 (5) ist beispielsweise eine Ronde R vorgesehen,
welche eine auf einer Seite mit einem Lagermaterial LM beschichtete
Stahlstützschicht
St aufweist (3).
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In
der ersten Phase wird in der Tiefziehstation 1 eine in
eine Aufnahme 14 des Unterwerkzeuges 10 eingelegte
Ronde R mit dem Außendurchmesser
DR mittels Patrizenstempel 12 mit dem Durchmesser D12 in eine
entsprechend dimensionierte Matrizenbohrung 13 eingezogen,
wobei eine Buchse 11 geformt wird.
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In
der zweiten Phase wird in der Tiefziehstation 2 eine in
eine Aufnahme 24 des Unterwerkzeuges 20 eingelegte,
der ersten Phase eines vorangegangenen Arbeitstaktes der Tiefziehstation 1 entnommene
Buchse 11 mit dem Außendurchmesser
D11, mittels Patrizenstempel 22 mit dem Durchmesser D22
in eine entsprechende Matrizenbohrung 23 eingezogen, wobei
eine Buchse 21 geformt wird.
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In
der dritten Phase wird in der Tiefziehstation 3 eine in
eine Aufnahme 34 des Unterwerkzeuges 30 eingelegte,
der zweiten Phase eines vorangegangenen Arbeitstaktes der Tiefziehstation 2 entnommene
Buchse 21 mit dem Außendurchmesser
D21, mittels Patrizenstempel 32 mit dem Durchmesser D32
in eine Matrizenbohrung 33 eingezogen, wobei eine Buchse 31 geformt
wird, welche bereits im Wesentlichen die gewünschten Abmessungen aufweist
(4).
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Die
in den Tiefziehstationen 1 und 2 hergestellten
Buchsen 11 und 21 werden nach jedem Arbeitshub der
Patritzenstempel 12, 22, 32 in die darauf
folgende Tiefziehstation verbracht, wobei der Tiefziehstation 1 die neuen
Ronden R zugeführt
werden und der Tiefziehstation 3 die fertig ausgeformte
Buchse 31 entnommen wird und den weiteren Bearbeitungsschritten,
nämlich
Abtrennen des Bodens B (4)
und Feinbearbeitung der Lagerflächen
L, der Stützflächen S und
Stirnflächen
C (5), zugeführt wird.
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Zur
Entnahme der Buchsen 11, 21, 31 ist jeweils
ein Auswerfer 15, 25 und 35 vorgesehen.
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Die
drei Tiefziehschritte weisen beispielsweise folgende Tiefziehverhältnisse
auf:
DR/D12 = 62,5mm/49,2mm → Tiefziehverhältnis 1,27
D11/D22
= 49,2mm/40,0mm → Tiefziehverhältnis 1,31
D21/D32
= 40,0mm/30,4mm → Tiefziehverhältnis 1.31
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Daraus
ergibt sich ein Gesamt-Tiefziehverhältnis von 2,06.
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Wenn
die dreifach tiefgezogenen Buchsen 31 bezüglich des
Lagermaterials nicht die gewünschte
Härte aufweisen,
werden diese vor der o.g. Feinbearbeitung ca. 10 Minuten lang glühbehandelt.
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In 6 ist eine weitere Variante
einer Vorrichtung zur Durchführung
des Tiefziehverfahrens vorgeschlagen, bei welcher das Verbringen
der Buchsen 11, 21 in die jeweils darauf folgenden
Tiefziehstationen entfallen kann.
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Diese
Vorrichtung weist beispielsweise drei Tiefziehstationen mit Unterwerkzeugen 50 bzw.
Matrizen auf, welche jeweils drei mehrstufige Matrizenbohrungen 13, 23, 33 und
eine Rondenaufnahme 14 aufweisen, wobei das Prinzip hier
nur an einer Tiefziehstation 1 beispielsweise dargestellt
ist.
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Jeder
Umformphase ist dabei ein entsprechender Patrizenstempel 12, 22, 32 zugeordnet,
d.h. nach Bestückung
mit einer Ronde R in der Tiefziehstation 1 wird zunächst der
Patrizenstempel 12 über
der Matrizenbohrung 13 positioniert und in Arbeitsrichtung
A heruntergefahren, wobei die Buchse 11 erzeugt wird.
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Anschließend wird
der Patrizenstempel 22 der Tiefziehstation 1 zugeordnet
bzw. dieser über
der Matrizenbohrung 23 positioniert und in Arbeitsrichtung
A heruntergefahren, wobei die Buchse 21 erzeugt wird.
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Danach
wird der Patrizenstempel 32 der Tiefziehstation 1 zugeordnet
bzw. dieser über
der Matrizenbohrung 33 positioniert und in Arbeitsrichtung
A heruntergefahren, wobei die Buchse 31 erzeugt wird.
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Die
Buchse 31 wird dabei durch die nach unten offene Matrizenbohrung 33 durchgedrückt und
kann anschließend
der weiteren Behandlung zugeführt
werden.
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Durch
die Anordnung von beispielsweise drei gleichartigen Matrizen 50 und
einen synchron verlaufenden Arbeitstakt der Patrizenstempel 12, 22, 32 und
deren entsprechenden Positionierung, führt jeder Patrizenstempel gleichzeitig
den ihm zugeordneten Umformvorgang aus, wobei bei jedem Arbeitstakt
eine Buchse 31 bereitgestellt wird. Der Umformvorgang kann
hier beispielsweise durch einen Gegenstempel 51 stabilisiert werden.
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In
Tabelle 1 sind für
Proben 1 bis 5 die Brinellhärten
des Stahlstützkörpers und
der Lagermetallschicht der dreifach tiefgezogenen, nicht geglühten Buchsen
angegeben. Die Härten
wurden auf halber Länge
der Buchse gemessen.
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Es
können
also auf einfache Weise hochfeste Buchsen mit einem definierten
Verhältnis
von Stahlhärte zu
Lagermetallhärte
hergestellt werden.
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In
Tabelle 2 sind die Brinellhärten
der Stahlschicht und der Lagermetallschicht von bei unterschiedlichen
Temperaturen 10 Minuten lang glühbehandelten
Buchsen angegeben.
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Bei
den Proben handelt es sich um Gleitlagerbuchsen mit einem Stahlstützkörper aus
einem C22-Stahl und CuAl8 als Lagermetall.
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Das
Verhältnis
von Lagermetallhärte
und Stahlhärte
als Funktion der Glühtemperatur
ist in 2 dargestellt.
Von Raumtemperatur bis 300°C
bleibt die Stahlhärte
im wesentlichen konstant und die Lagermetallhärte variiert nur in geringen
Grenzen. Oberhalb von 300°C
bis 500°C
steigt die Stahlhärte
leicht an, während die
Lagermetallhärte
signifikant sinkt. Bei Erwärmungen
oberhalb von 500°C
sinkt auch die Härte
der Stahlschicht. Durch eine gezielte Wärmebehandlung kann die gewünschte Lagermetallhärte also
den Einsatzbedingungen der Gleitlagerbuchse entsprechend eingestellt
werden.
